侯銀濤 羅永健 王志國(guó)

（西安通信學(xué)院，陜西西安710106）

1.引言

由于擴(kuò)頻通信系統(tǒng)具有抗干擾、低截獲率、可實(shí)現(xiàn)碼分多址以及抗多徑效應(yīng)等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于軍事通信中，如美國(guó)的空軍衛(wèi)星通信系統(tǒng)、跟蹤和數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)(TDRSS)與聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)信息分布系統(tǒng)(JT IDS)中都采用了擴(kuò)頻的傳輸體制。我國(guó)在無(wú)線戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)、彈載和星載接收機(jī)方面也開展了擴(kuò)頻體制的研究。近幾年來(lái)，隨著通信技術(shù)的發(fā)展和民用擴(kuò)頻通信頻段的開放，擴(kuò)頻通信技術(shù)在無(wú)線局域網(wǎng)(WLAN)、個(gè)人通信網(wǎng)(PCN)等商業(yè)實(shí)用中獲廣泛應(yīng)用[1]。

2.基本理論

在OOK、FSK、PSK三種數(shù)字載波調(diào)制中，PSK的性能最佳。因此現(xiàn)代DSSS擴(kuò)頻通信中載波調(diào)制一般都采用BPSK。

BPSK調(diào)制信號(hào)表示為：

式中w0——載頻；

A——振幅；

φ0(t)——初相；

φm(t)——二進(jìn)制序列的數(shù)字信息的相位。

為了運(yùn)算方便，設(shè)定A=1，φ0(t)=0。若規(guī)定二進(jìn)制序列中的“1”對(duì)應(yīng)φm(t)=0，而二進(jìn)制序列中的“-1”對(duì)應(yīng)于φm(t)=π時(shí)，則有：二進(jìn)制序列為“1”時(shí)f(t)=cos(w0t)；二進(jìn)制序列為“-1”時(shí)，f(t)=－cos(w0t)。對(duì)其進(jìn)行載波抑制后的信號(hào)為：

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

發(fā)射系統(tǒng)的輸出信號(hào)s(u，t)的表達(dá)式為：

式中d(u，t)——編碼后的數(shù)字信號(hào)；

c(u，t)——擴(kuò)頻碼波形；

設(shè)定d(u，t)和c(u，t)是相互獨(dú)立的，且d(u，t)的碼元寬度是c(u，t)的整數(shù)倍?？紤]的干擾噪聲的影響，進(jìn)入接收機(jī)天線的信號(hào)加噪聲為：

式中si[u，t－τ(u)]——同一擴(kuò)頻系統(tǒng)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(yè)火花等；

s1[u，t－τ(u)]——有用信號(hào)。

射頻濾波器后的接收信號(hào)取實(shí)部，用r(u，t)表示為：

式中n'(u，t)——通過(guò)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(nèi)的干擾噪聲。信號(hào)進(jìn)入接收機(jī)后進(jìn)行解擴(kuò)和解調(diào)，從而恢復(fù)原來(lái)的信息。解擴(kuò)所用的基本關(guān)系是：

由于c(u，t)為實(shí)數(shù)，因此，c(u，t)=c＊(u，t)。設(shè)定cr＊[u，tτ˙(u)]是與發(fā)射端同步的本地?cái)U(kuò)頻碼，τ˙(u)為延遲鎖定環(huán)路提供的控制跟蹤量，作為對(duì)信號(hào)隨機(jī)延時(shí)τ(u)的同步跟蹤[2]。本地射頻壓控振蕩器輸出的信號(hào)為：

設(shè)定從接收機(jī)輸入端到基帶輸出，整個(gè)過(guò)程都是線性的。在不考慮噪聲的情況下，分析有用信號(hào)，式(5)可簡(jiǎn)化為：

對(duì)于式（10），前面設(shè)定相關(guān)器為理想的，且cr＊[u，t－(u)]和cr[u，t－τ(u)]是共軛的，根據(jù)式(6)，且當(dāng)：擴(kuò)頻碼碼元同步、頻率鎖定、相位鎖定成立時(shí)，則基帶濾波輸出的有用信號(hào)為：

由式(11)可知：只要基帶濾波器能無(wú)失真地傳輸數(shù)字信息d[u，t－τ(u)]，經(jīng)基帶數(shù)字檢測(cè)器處理后，便能恢復(fù)出發(fā)射端信源傳來(lái)的信息{an}。

從上面的信號(hào)處理過(guò)程可以看出，擴(kuò)展頻譜接收機(jī)提取有用信號(hào)的功能，是充分發(fā)揮了偽隨機(jī)碼尖銳的自相關(guān)性而完成的。對(duì)于各種干擾信號(hào)，如si'[u，t－τ(u)]及n'(u，t)，它們與本地偽碼不相關(guān)，在相關(guān)處理過(guò)程中干擾信號(hào)能量被擴(kuò)展到整個(gè)擴(kuò)頻帶寬內(nèi)，通過(guò)基帶濾波器的輸出就會(huì)很小。

3.設(shè)計(jì)方案

本文中采用信息調(diào)制為BPSK調(diào)制方式，擴(kuò)頻碼采用Gold碼，載波中心頻率為70MHz。BPSK直接序列擴(kuò)頻接收機(jī)的系統(tǒng)仿真是在SIMULINK下完成的，BPSK直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如下：

BPSK直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)分為發(fā)射信號(hào)，信道和接收機(jī)三大模塊。

3.1 信號(hào)源

Signal為接收機(jī)的輸入信號(hào)源。sin為中頻載波，其中心頻率為為70MHz。擴(kuò)頻碼采用Gold碼，碼長(zhǎng)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(jī)

BPSK直接序列擴(kuò)頻接收機(jī)仿真框圖如下：

首先，信號(hào)進(jìn)入接收機(jī)以后，我們先是對(duì)它解擴(kuò)，解擴(kuò)部分即用Gold碼對(duì)接收數(shù)據(jù)進(jìn)行BPSK調(diào)制，從而達(dá)到解擴(kuò)得功能。下一步將解擴(kuò)后的數(shù)據(jù)和載波相乘，之后對(duì)它進(jìn)行周期積分，然后通過(guò)一個(gè)開關(guān)來(lái)消除積分后產(chǎn)生的突變點(diǎn)并采樣，最后對(duì)數(shù)據(jù)作判決，大于0時(shí)為1，小于0時(shí)為0，這時(shí)我們就得到了發(fā)射的Bernoulli碼。

4.仿真結(jié)果

首先我們來(lái)看接收機(jī)的輸入信號(hào)，圖3中的上圖是在BPSK調(diào)制以后輸出波形，圖3中下圖是擴(kuò)頻后未調(diào)制的波形，由圖3可以看出，當(dāng)擴(kuò)頻碼為1時(shí)，輸出波形為初始相位是零的正弦波形，當(dāng)擴(kuò)頻碼為1時(shí)，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(jīng)過(guò)信道以后，在接收端信號(hào)先解擴(kuò)，解擴(kuò)后的波形如圖4中的第一個(gè)波形所示，然后和載波相乘，得到了第二個(gè)波形，這時(shí)我們已經(jīng)可以看出原始信號(hào)的基本形狀，即電壓大于0的為1，小于0的為0。這時(shí)信號(hào)再通過(guò)按周期進(jìn)行積分的積分器，這里的積分器是通過(guò)一個(gè)脈沖信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，使這個(gè)脈沖信號(hào)的周期和信號(hào)周期一致，并讓積分器在上升沿觸發(fā)并且清零，這樣就得到了第三個(gè)波形。

信號(hào)通過(guò)解擴(kuò)和解調(diào)以后，對(duì)信號(hào)進(jìn)行抽樣然后判決，信號(hào)大于0的為1，小于0的為0。在通過(guò)開關(guān)進(jìn)行抽樣以后可以看出波形已經(jīng)和原始Bernoulli信號(hào)一樣了，但幅度卻不一樣，這時(shí)對(duì)信號(hào)判決從而得到幅度為1的波形，到這里，原始Bernoulli信號(hào)就還原出來(lái)了。

5.結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了一種BPSK直接序列擴(kuò)頻接收的設(shè)計(jì)方案，結(jié)合BPSK調(diào)制方法，建立了接收機(jī)的Matlab/Simulink仿真模型。通過(guò)Simulink仿真實(shí)現(xiàn)了BPSK直接序列擴(kuò)頻接收機(jī)功能，最后得到了原始信號(hào)。仿真結(jié)果驗(yàn)證了BPSK直接序列擴(kuò)頻接收的設(shè)計(jì)方案的可行性。文中設(shè)計(jì)方案，對(duì)于BPSK直接序列擴(kuò)頻接收機(jī)的硬件實(shí)現(xiàn)，具有一定工程實(shí)踐價(jià)值。

[1] 王愛華黃其華.全數(shù)字?jǐn)U頻收發(fā)信機(jī)技術(shù)[J].北京理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，23(6)：776-777.

[2] 陳慧徐定杰.一種數(shù)字化DS/BPSK接收機(jī)的設(shè)計(jì)方案[J].彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào)，2003，23(4)：93-95.

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