BPSK直接序列擴頻接收機設計與仿真

侯銀濤 羅永健 王志國

（西安通信學院，陜西西安710106）

1.引言

由于擴頻通信系統具有抗干擾、低截獲率、可實現碼分多址以及抗多徑效應等特點，被廣泛應用于軍事通信中，如美國的空軍衛星通信系統、跟蹤和數據中繼衛星系統(TDRSS)與聯合戰術信息分布系統(JT IDS)中都采用了擴頻的傳輸體制。我國在無線戰術互聯網、彈載和星載接收機方面也開展了擴頻體制的研究。近幾年來，隨著通信技術的發展和民用擴頻通信頻段的開放，擴頻通信技術在無線局域網(WLAN)、個人通信網(PCN)等商業實用中獲廣泛應用[1]。

2.基本理論

在OOK、FSK、PSK三種數字載波調制中，PSK的性能最佳。因此現代DSSS擴頻通信中載波調制一般都采用BPSK。

BPSK調制信號表示為：

式中w0——載頻；

A——振幅；

φ0(t)——初相；

φm(t)——二進制序列的數字信息的相位。

為了運算方便，設定A=1，φ0(t)=0。若規定二進制序列中的“1”對應φm(t)=0，而二進制序列中的“-1”對應于φm(t)=π時，則有：二進制序列為“1”時f(t)=cos(w0t)；二進制序列為“-1”時，f(t)=－cos(w0t)。對其進行載波抑制后的信號為：

式中：二進制序列為“1”時，m(t)=1；二進制序列為“-1”時，m(t)=－1；

發射系統的輸出信號s(u，t)的表達式為：

式中d(u，t)——編碼后的數字信號；

c(u，t)——擴頻碼波形；

設定d(u，t)和c(u，t)是相互獨立的，且d(u，t)的碼元寬度是c(u，t)的整數倍。考慮的干擾噪聲的影響，進入接收機天線的信號加噪聲為：

式中si[u，t－τ(u)]——同一擴頻系統的多址干擾及其它干擾；

n(u，t)——信道中的所有加性噪聲及工業火花等；

s1[u，t－τ(u)]——有用信號。

射頻濾波器后的接收信號取實部，用r(u，t)表示為：

式中n'(u，t)——通過射頻濾波器的帶限加性噪聲；

si'[u，t－τ(u)]——落入射頻濾波器通帶內的干擾噪聲。信號進入接收機后進行解擴和解調，從而恢復原來的信息。解擴所用的基本關系是：

由于c(u，t)為實數，因此，c(u，t)=c＊(u，t)。設定cr＊[u，tτ˙(u)]是與發射端同步的本地擴頻碼，τ˙(u)為延遲鎖定環路提供的控制跟蹤量，作為對信號隨機延時τ(u)的同步跟蹤[2]。本地射頻壓控振蕩器輸出的信號為：

設定從接收機輸入端到基帶輸出，整個過程都是線性的。在不考慮噪聲的情況下，分析有用信號，式(5)可簡化為：

對于式（10），前面設定相關器為理想的，且cr＊[u，t－(u)]和cr[u，t－τ(u)]是共軛的，根據式(6)，且當：擴頻碼碼元同步、頻率鎖定、相位鎖定成立時，則基帶濾波輸出的有用信號為：

由式(11)可知：只要基帶濾波器能無失真地傳輸數字信息d[u，t－τ(u)]，經基帶數字檢測器處理后，便能恢復出發射端信源傳來的信息{an}。

從上面的信號處理過程可以看出，擴展頻譜接收機提取有用信號的功能，是充分發揮了偽隨機碼尖銳的自相關性而完成的。對于各種干擾信號，如si'[u，t－τ(u)]及n'(u，t)，它們與本地偽碼不相關，在相關處理過程中干擾信號能量被擴展到整個擴頻帶寬內，通過基帶濾波器的輸出就會很小。

3.設計方案

本文中采用信息調制為BPSK調制方式，擴頻碼采用Gold碼，載波中心頻率為70MHz。BPSK直接序列擴頻接收機的系統仿真是在SIMULINK下完成的，BPSK直接序列擴頻系統結構框圖如下：

BPSK直接序列擴頻系統分為發射信號，信道和接收機三大模塊。

3.1 信號源

Signal為接收機的輸入信號源。sin為中頻載波，其中心頻率為為70MHz。擴頻碼采用Gold碼，碼長度為1023Chip；信息速率為1kbps，處理增益為40dB。

3.2 信道

此課題中信道選用的是加性高斯白噪聲信道，信噪比為43dB。

3.3 接收機

BPSK直接序列擴頻接收機仿真框圖如下：

首先，信號進入接收機以后，我們先是對它解擴，解擴部分即用Gold碼對接收數據進行BPSK調制，從而達到解擴得功能。下一步將解擴后的數據和載波相乘，之后對它進行周期積分，然后通過一個開關來消除積分后產生的突變點并采樣，最后對數據作判決，大于0時為1，小于0時為0，這時我們就得到了發射的Bernoulli碼。

4.仿真結果

首先我們來看接收機的輸入信號，圖3中的上圖是在BPSK調制以后輸出波形，圖3中下圖是擴頻后未調制的波形，由圖3可以看出，當擴頻碼為1時，輸出波形為初始相位是零的正弦波形，當擴頻碼為1時，輸出波形為初始相位是π的正弦波。為了圖形更加直觀，這里載波頻率取得是0.2MHz。

經過信道以后，在接收端信號先解擴，解擴后的波形如圖4中的第一個波形所示，然后和載波相乘，得到了第二個波形，這時我們已經可以看出原始信號的基本形狀，即電壓大于0的為1，小于0的為0。這時信號再通過按周期進行積分的積分器，這里的積分器是通過一個脈沖信號來實現的，使這個脈沖信號的周期和信號周期一致，并讓積分器在上升沿觸發并且清零，這樣就得到了第三個波形。

信號通過解擴和解調以后，對信號進行抽樣然后判決，信號大于0的為1，小于0的為0。在通過開關進行抽樣以后可以看出波形已經和原始Bernoulli信號一樣了，但幅度卻不一樣，這時對信號判決從而得到幅度為1的波形，到這里，原始Bernoulli信號就還原出來了。

5.結束語

本文介紹了一種BPSK直接序列擴頻接收的設計方案，結合BPSK調制方法，建立了接收機的Matlab/Simulink仿真模型。通過Simulink仿真實現了BPSK直接序列擴頻接收機功能，最后得到了原始信號。仿真結果驗證了BPSK直接序列擴頻接收的設計方案的可行性。文中設計方案，對于BPSK直接序列擴頻接收機的硬件實現，具有一定工程實踐價值。

[1] 王愛華黃其華.全數字擴頻收發信機技術[J].北京理工大學學報，2003，23(6)：776-777.

[2] 陳慧徐定杰.一種數字化DS/BPSK接收機的設計方案[J].彈箭與制導學報，2003，23(4)：93-95.

[3] 孟利民朱健軍.全數字BPSK調制解調系統的仿真[J].浙江工業大學學報，2003，31(2)：43-45.