基于simulink的擴頻系統(tǒng)時頻域同步研究獲獎科研報告

基于simulink的擴頻系統(tǒng)時頻域同步研究獲獎科研報告

【摘要】本文針對擴頻系統(tǒng)的同步問題，分別給出了時、頻域同步兩種最基本的同步算法，并通過matlab平臺搭建simulink鏈路進行了仿真驗證，仿真結(jié)果表明，基于單停頓滑動相關(guān)捕獲的時間同步算法可以獲得較好的性能，基于相鄰兩個序列周期的相位差來得到頻率偏移的頻域同步方法在AWGN信道下有較高的估計精度，而在高多普勒頻移的瑞利信道下比較難獲得較高的估計精度。

【關(guān)鍵詞】時間同步載波同步PN序列相關(guān)性

時間、頻率同步是擴頻接收機信號檢測的基礎(chǔ)，擴頻數(shù)字通信系統(tǒng)的收、發(fā)端必須實現(xiàn)碼碼元、射頻載波同步和符號同步。符號和碼元時鐘有固定的關(guān)系，碼元同步完成了，符號同步也就完成了。

引起頻率和相位不確定的因素主要有：收、發(fā)信機之間的距離引起傳播延遲產(chǎn)生的相位差;收、發(fā)信機時鐘頻率的相對不穩(wěn)定性引起的頻差;收、發(fā)信機相對運動引起的多普勒頻移;多經(jīng)傳播造成的不同頻率分量的多普勒頻移的不同。同步系統(tǒng)的作用就是要實現(xiàn)本地產(chǎn)生的碼與接收到的信號中的碼的同步，同時實現(xiàn)載波頻率的同步[1～3]。

（一）時間同步

時間同步過程一般包括捕獲和跟蹤兩個階段。第一階段為捕獲階段，接收機在一開始并不知道是否發(fā)送了信號，因此需要有一個捕獲過程，即在一定的時間和頻率范圍內(nèi)搜索和捕獲有用信號，目的是把接收信號和本地信號的相位差納入同步保持范圍內(nèi)，即在一個擴頻碼時片內(nèi)。第二階段為跟蹤階段，一旦完成捕獲，則進入跟蹤過程，即繼續(xù)保持同步，不因外界影響而失去同步。

單停頓滑動相關(guān)法進行捕獲的原理如圖1所示。當收到的擴頻序列與本地擴頻碼序列的鐘頻不一致時，使兩個序列在相位上相互滑動并進行相關(guān)計算，并與預(yù)設(shè)的門限值進行比較，當相關(guān)值大于該門限值時，代表兩個序列的相位滑動到一致，這時就完成了捕獲過程，可以停止滑動，進入跟蹤過程，達到系統(tǒng)同步。這里利用了擴頻序列的相關(guān)特性，當兩個相同的碼序列相位一致時，其相關(guān)值有最大的輸出。

常用的擴頻碼為PN碼，PN碼的自相關(guān)特性指的是對一個序列與它的延時序列之間相似程度的度量，自相關(guān)函數(shù)能表達信號與自身在時域上相移之后的類似度，隨機噪聲的自相關(guān)函數(shù)的表達式如下：

上述公式表示信號的時間函數(shù)f（t）與自身延遲一個時間段后乘積的積分，如果τ=0則表示兩者完全重疊，自相關(guān)函數(shù)的結(jié)果為某一常數(shù);如果τ≠0則表示兩者在時間域上有延遲不完全重疊，這時相乘積分之后為0。

為了驗證單停頓滑動相關(guān)捕獲原理的可行性，基于matlab平臺搭建了擴頻時域同步simulink鏈路，從捕獲率角度來考察系統(tǒng)的時間同步性能。仿真中信道設(shè)置為三條徑的瑞利信道，每條徑有不同的延時，分別為[a，b，c]個擴頻序列符號長度，擴頻序列采用長度為50的PN序列。在接收端，用接收信號與循環(huán)移位后的本地PN序列進行相關(guān)運算，每次移一位，得到并記錄一個相關(guān)值，得到長度為50的相關(guān)值向量R。然后找到相關(guān)值向量R中最大的3個值，如果3個最大值的序號正好與[a，b，c]相同，則說明捕獲成功，否則捕獲失敗。信噪比與捕獲率的關(guān)系曲線如圖2所示。

由仿真曲線可以看出，隨著信噪比的增大，捕獲率會提高，在當前三徑瑞利信道條件下，當信噪比大于8dB時，利用單停頓滑動相關(guān)捕獲算法，理論上可以實現(xiàn)將近100%的捕獲率。

二.頻率同步

一般來說，頻率同步問題在射頻或中頻上由專有的頻率同步電路來完成，如模擬鎖相環(huán)電路、中頻處的數(shù)字鎖相環(huán)以及用于特定調(diào)制方式的載波恢復(fù)電路等。從理論上來說，也可以在基帶進行載波估計和補償。因為擴頻系統(tǒng)通常有單獨的導(dǎo)頻信道，該導(dǎo)頻信道是周期循環(huán)的序列，在接收端可以通過求相鄰的兩個序列周期的相位差來得到頻率偏移。

具體的，先利用本地導(dǎo)頻對前一個序列周期作相關(guān)得到的相位為，再對當前周期相關(guān)運算得到的相位是，二者的相位差為，再根據(jù)一個周期長度即可計算出頻率偏移為：。

最后將頻率偏移補償補償回去，即可完成載波同步。補償公式可以表示為：

其中，表示接收端接收到的信號，表示為經(jīng)過頻偏補償后的信號。

采用以上方法進行頻率偏移量估計的仿真結(jié)果如圖3所示。橫坐標為信噪比，縱坐標為頻率偏差百分比，可表示為：

結(jié)論

本文給出了擴頻通信系統(tǒng)兩種最基本的時頻域同步算法，并通過simulink進行了仿真驗證，仿真結(jié)果表明，單