扩频通信系统中载波恢复的仿真研究

摘要：扩频通信系统中的载波同步是指收发两端的载波都应步调一致地进行工作，不仅要求同频，而且对相位也有严格的要求。本文对扩频通信系统中的载波恢复进行了仿真研究，得到了系统主要输出点波形，同时对系统在高斯白噪声情况下的误码性能进行了分析。
关键词：扩频通信；二进制移相键控；Costas环

0 引言
    扩频通信由于具有抗干扰能力强、隐蔽性好、容易实现多址传输等优点在移动通信、无线数据通信等领域得到了应用。扩频通信系统中同步具有相当重要的地位，如果通信系统出现同步误差或失去同步，会导致系统性能降低甚至通信失效。
    载波恢复的目的是为了在接收端实现相干解调，即要求接收机产生一个同发射机完全相同的载波信号与发射机送来的信号相乘，以便将调制信号还原。由于相干解调比非相干解调的输出噪声功率小一倍，相干解调可获得3dB增益，因此许多系统都采用了同步载波恢复技术。相干解调既适用于模拟通信，也适用于数字通信，虽然它们获得同步载波的具体方案有所不同，但都需要采用锁相环路(PLL)这一点是一致的。

1 系统设计原理
1．1 设计思想与系统参数
    设计采用的扩频序列为周期127的m序列，码片速率为1000Hz，要传送的数字信息速率200Hz，它和m序列模2加后变成复合码去调制载波。扩频系统采用平衡调制器，载波为2000Hz的正弦波，调制方式采用二进制移相键控，通过同相正交环实现载波恢复。系统总体框图如图1所示。

1．2 扩频信号的产生
    设信息码为d(t)，扩频码m序列为m(t)，把两信号异或就可得到扩展频谱的信号码，设为c(t)，则
    c(t)=d(t)*m(t)     (1)
    将待传送的信息同扩频码序列进行准确的模2加，此运算用异或门实现。信息速率200Hz，m序列码速率1000Hz，扩频后信号输出速率为1000Hz。
1．3 信号调制
    由于PSK调制方式误码率最小，因此本系统采用BPSK调制方式。扩频后信号为c(t)，载波频率为ω0，调相波可表示为：
    s(t)=Acos[ω0t+φc(t)]     (2)
    式中φ相位调制指数。若规定在扩频码序列中当c(t)=0时，φc(t)=0；当c(t)=1时，φc(t)=π，这种调制称为二相相移键控。这样BPSK信号可用下列平衡调制信号表示，
    s(t)=Ac(t)cosω0t     (3)
    式中c(t)是以“+1”，“-1”表示的扩频后码序列。
    调制信号的输出为s(t)=Ac(t)cosω0t，其中c(t)=d(t)*m(t)，为扩频后且变为双极性的信号，所以发送信号的完整表达式为：
    s(t)=Ac(t)*m(t)cosω0t (4)
1．4 接收滤波器设计
    为了限制信道噪声，信号在进入接收机之前首先要经过接收滤波器。接收滤波器应设计为以载波f1为中心频率，带宽为2fc的带通滤波器。对于本系统来讲，f1=2000Hz，fc=200Hz。
1．5 载波恢复电路
    采用同相正交环(Costas环)法实现载波恢复。
    Costas环提取载波用的VCO工作频率为fc。实现方案如图2所示。

2 系统仿真结果
2．1 系统模型参数
    采用System View软件对直扩系统进行搭建和分析，建立系统模型如图3所示。

    此系统主要模块参数：系统采样频率100e+3Hz，采样点数8192。
    发送部分：Token 0为信息码发生器Rate=200Hz，Token 5为m序列发生器，它的时钟信号是1000 Hz的脉冲信号，所以产生的m序列速率为1000Hz，Token 4为异或门，信息码和m序列通过它来产生扩频信号，它的输出信号为双极性的二进制信号Threshold=500．e-3、True=1、False=-l，Token 10为正弦波发生器。
    接收部分：Token 27为Costas环路，实现载波信号的恢复。主要参数VCO Freq=2e+3Hz、VCO Phase=0V、Mod Gain=20 Hz／V、Loop Fltr=1+1／s+1／s^2，Token15为本地m序列发生器，它发送端的m序列参数相同。Token 24为低通滤波器，Fc=200 Hz。
2．2 仿真结果分析
    输入载波信号的频率为2000Hz，Costas环从BPSK信号中将载波恢复出来，相位与频率与输入载波相同。

    图6所示是接收端低通滤波器输出信号眼图，可以看出码间串扰较小，此时干扰主要是系统本身带来的干扰。

2．3 抗干扰性分析
    衡量通信系统的性能指标是比特误码率(BER)，在系统输入端加入高斯白噪声，对系统进行误码率测试，得到系统输入信噪比与误码率之间的关系。让信道中的噪声幅度每循环一次降低1dB，再与原始基带信号相加。对接收的附加有干扰噪声的基带信号经过同步脉冲提取、抽样等一系列处理后还原成数据信号，并与原始数据信号比较，求出循环一次所得到的BER。这样不断地循环运算，并在循环中改变噪声增益来改变信噪比，最后得到不同信噪比的误码率曲线，即SNR-BER曲线，如图7所示。

    可以看出，整个扩频通信系统的抗干扰能力较强，随着信噪比的提高，系统的误码率逐渐降低，抗干扰能力不断提高。

3 结束语
    本文利用Systemview软件对扩频通信系统中的载波恢复进行了仿真研究，成功实现了载波提取，根据仿真结果对系统性能进行了分析。