BPSK直接序列扩频接收机设计与仿真

侯银涛 罗永健 王志国

（西安通信学院，陕西西安710106）

1.引言

由于扩频通信系统具有抗干扰、低截获率、可实现码分多址以及抗多径效应等特点，被广泛应用于军事通信中，如美国的空军卫星通信系统、跟踪和数据中继卫星系统(TDRSS)与联合战术信息分布系统(JT IDS)中都采用了扩频的传输体制。我国在无线战术互联网、弹载和星载接收机方面也开展了扩频体制的研究。近几年来，随着通信技术的发展和民用扩频通信频段的开放，扩频通信技术在无线局域网(WLAN)、个人通信网(PCN)等商业实用中获广泛应用[1]。

2.基本理论

在OOK、FSK、PSK三种数字载波调制中，PSK的性能最佳。因此现代DSSS扩频通信中载波调制一般都采用BPSK。

BPSK调制信号表示为：

式中w0——载频；

A——振幅；

φ0(t)——初相；

φm(t)——二进制序列的数字信息的相位。

为了运算方便，设定A=1，φ0(t)=0。若规定二进制序列中的“1”对应φm(t)=0，而二进制序列中的“-1”对应于φm(t)=π时，则有：二进制序列为“1”时f(t)=cos(w0t)；二进制序列为“-1”时，f(t)=－cos(w0t)。对其进行载波抑制后的信号为：

式中：二进制序列为“1”时，m(t)=1；二进制序列为“-1”时，m(t)=－1；

发射系统的输出信号s(u，t)的表达式为：

式中d(u，t)——编码后的数字信号；

c(u，t)——扩频码波形；

设定d(u，t)和c(u，t)是相互独立的，且d(u，t)的码元宽度是c(u，t)的整数倍。考虑的干扰噪声的影响，进入接收机天线的信号加噪声为：

式中si[u，t－τ(u)]——同一扩频系统的多址干扰及其它干扰；

n(u，t)——信道中的所有加性噪声及工业火花等；

s1[u，t－τ(u)]——有用信号。

射频滤波器后的接收信号取实部，用r(u，t)表示为：

式中n'(u，t)——通过射频滤波器的带限加性噪声；

si'[u，t－τ(u)]——落入射频滤波器通带内的干扰噪声。信号进入接收机后进行解扩和解调，从而恢复原来的信息。解扩所用的基本关系是：

由于c(u，t)为实数，因此，c(u，t)=c＊(u，t)。设定cr＊[u，tτ˙(u)]是与发射端同步的本地扩频码，τ˙(u)为延迟锁定环路提供的控制跟踪量，作为对信号随机延时τ(u)的同步跟踪[2]。本地射频压控振荡器输出的信号为：

设定从接收机输入端到基带输出，整个过程都是线性的。在不考虑噪声的情况下，分析有用信号，式(5)可简化为：

对于式（10），前面设定相关器为理想的，且cr＊[u，t－(u)]和cr[u，t－τ(u)]是共轭的，根据式(6)，且当：扩频码码元同步、频率锁定、相位锁定成立时，则基带滤波输出的有用信号为：

由式(11)可知：只要基带滤波器能无失真地传输数字信息d[u，t－τ(u)]，经基带数字检测器处理后，便能恢复出发射端信源传来的信息{an}。

从上面的信号处理过程可以看出，扩展频谱接收机提取有用信号的功能，是充分发挥了伪随机码尖锐的自相关性而完成的。对于各种干扰信号，如si'[u，t－τ(u)]及n'(u，t)，它们与本地伪码不相关，在相关处理过程中干扰信号能量被扩展到整个扩频带宽内，通过基带滤波器的输出就会很小。

3.设计方案

本文中采用信息调制为BPSK调制方式，扩频码采用Gold码，载波中心频率为70MHz。BPSK直接序列扩频接收机的系统仿真是在SIMULINK下完成的，BPSK直接序列扩频系统结构框图如下：

BPSK直接序列扩频系统分为发射信号，信道和接收机三大模块。

3.1 信号源

Signal为接收机的输入信号源。sin为中频载波，其中心频率为为70MHz。扩频码采用Gold码，码长度为1023Chip；信息速率为1kbps，处理增益为40dB。

3.2 信道

此课题中信道选用的是加性高斯白噪声信道，信噪比为43dB。

3.3 接收机

BPSK直接序列扩频接收机仿真框图如下：

首先，信号进入接收机以后，我们先是对它解扩，解扩部分即用Gold码对接收数据进行BPSK调制，从而达到解扩得功能。下一步将解扩后的数据和载波相乘，之后对它进行周期积分，然后通过一个开关来消除积分后产生的突变点并采样，最后对数据作判决，大于0时为1，小于0时为0，这时我们就得到了发射的Bernoulli码。

4.仿真结果

首先我们来看接收机的输入信号，图3中的上图是在BPSK调制以后输出波形，图3中下图是扩频后未调制的波形，由图3可以看出，当扩频码为1时，输出波形为初始相位是零的正弦波形，当扩频码为1时，输出波形为初始相位是π的正弦波。为了图形更加直观，这里载波频率取得是0.2MHz。

经过信道以后，在接收端信号先解扩，解扩后的波形如图4中的第一个波形所示，然后和载波相乘，得到了第二个波形，这时我们已经可以看出原始信号的基本形状，即电压大于0的为1，小于0的为0。这时信号再通过按周期进行积分的积分器，这里的积分器是通过一个脉冲信号来实现的，使这个脉冲信号的周期和信号周期一致，并让积分器在上升沿触发并且清零，这样就得到了第三个波形。

信号通过解扩和解调以后，对信号进行抽样然后判决，信号大于0的为1，小于0的为0。在通过开关进行抽样以后可以看出波形已经和原始Bernoulli信号一样了，但幅度却不一样，这时对信号判决从而得到幅度为1的波形，到这里，原始Bernoulli信号就还原出来了。

5.结束语

本文介绍了一种BPSK直接序列扩频接收的设计方案，结合BPSK调制方法，建立了接收机的Matlab/Simulink仿真模型。通过Simulink仿真实现了BPSK直接序列扩频接收机功能，最后得到了原始信号。仿真结果验证了BPSK直接序列扩频接收的设计方案的可行性。文中设计方案，对于BPSK直接序列扩频接收机的硬件实现，具有一定工程实践价值。

[1] 王爱华黄其华.全数字扩频收发信机技术[J].北京理工大学学报，2003，23(6)：776-777.

[2] 陈慧徐定杰.一种数字化DS/BPSK接收机的设计方案[J].弹箭与制导学报，2003，23(4)：93-95.

[3] 孟利民朱健军.全数字BPSK调制解调系统的仿真[J].浙江工业大学学报，2003，31(2)：43-45.