基于FFT的PN碼同步系統仿真

丁凱

（海軍92785部隊，綏中 125208）

基于FFT的PN碼同步系統仿真

丁凱

（海軍92785部隊，綏中 125208）

PN碼序列同步是直接序列擴頻通信系統中的一項關鍵技術，在高動態多普勒存在的條件下，傳統的偽碼捕獲方法捕獲時間較長，運算量較大。提出基于分段式數字匹配濾波器和FFT捕獲相結合的捕獲方法，仿真結果表明其在不增加硬件復雜度的情況下，能夠大幅度地縮短捕獲時間，降低系統復雜度。采用SIMULINK構建的模型原理清晰，具有良好的演示效果，為PN碼同步仿真提供了一個較好的軟件平臺。

PN碼同步；多普勒頻移；部分匹配濾波；快速傅里葉變換；捕獲

1 引言

直接序列擴頻系統[1]在發射端采用偽隨機碼對信息碼進行擴頻；在接收端，只有當本地偽碼和接收信號中的偽碼相位上達到同步，才能實現對信息碼的解擴。然而在高速移動環境下接收信號會附加上很大的多普勒頻率偏移量，當頻率偏移達到一定程度時，接收機不能捕獲PN碼序列，甚至造成不能正確解擴，所以在解調前必須對其進行補償，以消除對偽碼捕獲的影響。

仿真采用基于FFT的多普勒頻移[2]估計算法，實現相位—多普勒頻率同時搜索，將二維搜索簡化為一維搜索，在保證精度和速度的前提下完成多普勒估計。借助Simulink中的模塊庫,構造可視化交互仿真系統,在Simulink環境下，仿真擴頻通信PN碼同步系統，物理概念清晰，方法簡單、實用。

2 直接序列擴頻通信系統

2.1 直接序列擴頻通信的工作方式

在發送端，信源信息經過信道編碼后，進行擴頻調制，載波調制后，送入信道中，加入高斯白噪聲和窄帶干擾。在接收端，首先抑制干擾，然后對偽碼進行捕獲，同時估計信道傳輸造成的多普勒頻移，用同步后的本地偽碼序列對干擾抑制后的信號進行解擴，解調模塊使用估計出來的多普勒頻移值對載波進行補償，成功解調后進行信道譯碼恢復出原始信源信息。

PN碼同步分為兩個階段，一是捕獲，主要是捕獲偽碼，試圖找到接受信號中的偽碼起始相位，使收端偽碼與發端偽碼的相位差小于1/2碼元；二是跟蹤，進一步減小收端碼元和發端碼元的相位誤差，并令收端碼元跟蹤發端碼元的變化。

2.2 偽碼捕獲技術

串行捕獲是在捕獲偽碼的過程中,每次滑動一個擴頻碼元(一個PN碼周期)相位進行相關運算,直到得到設定的相關值。并行捕獲法則是對每種相位均設置了相關器,每個相關器的本地偽碼相差一個碼片時間，同時做相關運算,對所有的運算支路和相關值進行比較。匹配濾波器捕獲是利用匹配濾波的原理對整個擴頻碼元進行匹配以實現偽碼的捕獲，分為模擬濾波器和數字濾波器。由于數字濾波器具有編程靈活等特點，應用較多。理想情況下，判斷接收的擴頻信號相位與本地偽碼是否同相，僅需一個chip（碼片）的時間，其捕獲偽碼所需最長時間為一個擴頻碼周期的時間，實時性與可實現性相當好。

2.3 偽碼跟蹤技術

同步跟蹤系統的主體是具有自動相位調節功能的鎖相環路。要使相位鎖定，必須能檢測誤差和糾正誤差，再利用反映相位誤差的信號去調節本地序列相位，達到跟蹤的目的。延遲鎖相環（DLL）跟蹤法被使用時，偽碼跟蹤環為了使接收機擴頻碼序列同步，至少需要采用兩個相關器，即超前和滯后相關器。仿真過程中對接受到的擴頻信號，分別與超前1/2碼片和滯后1/2碼片的兩路本地PN碼進行遲、早相關，經低通濾波器后相減，輸出的信號誤差就是環路的誤差信號。誤差信號經環路濾波器后，形成控制信號控制本地時鐘，使本地PN碼發生器的相位與發送來的擴頻序列相位一致。

2.4 多普勒對偽碼捕獲性能的影響

圖1 基于FFT的多普勒頻移估計算法

在擴頻通信中，偽碼的同步主要通過相關峰的幅度來判別。在高動態環境下，多普勒頻偏會對相關峰的幅度產生巨大的影響，因而對通信質量造成動態直擴信號的同步，存在多普勒頻移過大的嚴重影響，甚至造成不能正確解擴。為了完成解調，在PN碼捕獲時必須對多普勒頻移進行補償。

仿真采用的基于FFT的多普勒頻偏估計算法，可實現相位-多普勒頻率同時搜索，將二維搜索變為一維搜索，主要原理如圖1所示。

圖2 PN碼同步模塊圖

3 建立系統仿真模型

3.1 模型建立

圖3 pn_dopple模塊內部結構圖

仿真參數設置：采用255bit PN碼，碼速率為255kb/s，發送的信息數碼率為1kb/s；調制載波設為510kHz，解調載波設為500kHz，即存在10kHz的多普勒頻移，匹配濾波器長度為255bit。PN碼同步模塊如圖2所示。

3.2 主要模塊設計

pn_dopple內部框圖如圖3所示，MF_System模塊為PN碼捕獲模塊，仿真中選用數字匹配濾波器。

捕獲完成后接收PN碼和本地PN碼沒有完全對齊，還需要對PN碼進行跟蹤，PN_TRACK為超前滯后跟蹤模塊，負責提供超前滯后兩組本地PN碼。該模塊存在于圖3中Local PN內部，其內部結構如圖4所示。

多普勒頻域估計模塊FFT_Compensate，本地參考載波和發送端載波的頻率相差100KHz，二者進行BPSK解調后送入分段匹配濾波器MF_System，分段處理后進行FFT變換，得到頻率估計值送入Maintain System進行保持，并實時更新。

圖4 PN_TRACK內部結構圖

4 仿真實現

由“input”示波器，即可觀察到輸入信號波形如圖5，其經過縮放的輸入信號波形如圖6所示：

圖5 輸入信號波形

圖6 經過縮放的輸入信號波形圖

由于分段匹配濾波器輸出的路數太多，為方便顯示，僅選擇觀察9路～11路輸出，由“9-11”示波器，即可觀察到PN碼相關峰，如圖7所示。

經過縮放的PN碼相關峰波形圖如圖8所示。

圖7 PN碼相關峰

圖8 經過縮放的PN碼相關峰波形圖

由圖8可以看出，中間一路信號在0.005s附近出現了相關峰，而且相關峰具有很好的尖銳性。去掉系統本身的時延，仿真能夠在兩個碼片周期內得到明顯的相關峰，完成PN碼的同步。

由“TRACK”示波器得到跟蹤波形圖，如圖9所示，經過縮放的跟蹤波形圖如圖10所示。由圖10所示，仿真能夠得到一個明顯的脈沖，該脈沖可以用來調整本地PN碼發生器，完成跟蹤工作。

圖9 跟蹤波形圖

圖10 經過縮放的跟蹤波形圖

由“D_E”示波器可以觀察到多普勒頻移估計值，如圖11所示，可以看出，估計值為100，由于本地參考VCO的頻率電壓比率為100，所以本例的估計值為100×100=10kHz,與事先設定的10kHz載波頻率偏移值一致，故仿真能正確估計出多普勒頻移值。

圖11 多普勒頻移估計值

5 結束語

在高動態多普勒頻移條件下，傳統偽碼捕獲方法已經不能準確地捕獲擴頻信號。在比較捕獲算法優劣的基礎上，提出基于部分匹配濾波(PMF)與快速傅里葉變換(FFT)相結合的偽碼快速捕獲方法，利用Simulink通信系統仿真工具箱，建立PN碼同步系統仿真模型，分析系統的工作過程，驗證了該方法的正確性與有效性。實際應用結果表明,該方法能夠實現在高動態多普勒頻移下偽碼的快速捕獲。

[1]趙春暉,苗玉梅.直序擴頻系統的PN碼同步方法研究[J].應用科技，2011（7）：9-11.Zhao Chunhui,Miao Yumei.A Method of PN Codes Synchronization in DSSS System[J].Applied Science and Technology，2011（7）：9-11.

[2]班華福，王世練.大多普勒下基于FFT偽碼捕獲技術研究[J].通信技術，2011（8）：36-38.Ban Huafu，Wang Shilian.PN Code Acquisition Based on FFT with Large Doppler[J].Communications Technology，2011（8）：36-38.

[3]G Giunta，F Benedetto.Spread-spectrum Code Acquisition in the Presence of Cell Correlation[J].IEEE Transactions on Communications，2007，55(2)：257-261

[4]許曉勇，陳華明.基于匹配濾波方法的直接序列擴頻系統偽碼捕獲性能分析[J].測繪科學，2008（10）：104-106.Xu Xiaoyong，Chen Huaming.Performance Analysis of a Matched-filter PN Code Acquisition for Direct Sequence Spread Spectrum Systems[J].Science of Surveying and Mapping，2008（10）：104-106.

[5]Frai D M，Reichman A.Direct Sequence Spread Spectrum Fast Acquisition Architectures in the Presence of Time and Frequency Uncertainty[J].Electrical and Elecronics Engineers，2002：192

[6]秦率剛，王星.擴頻系統中一種FFT算法的快速捕獲方法[J].現代防御技術，2012（2）：150-154.Qin Shuaigang,Wang Xing.Method of Quick Capture in Spread Spectrum System Based on FFT Algorithm[J].Modern Defence Technology,2012（2）：150-154.

[7]趙琦,薛靜.高動態多普勒條件下偽碼快速捕獲技術[J].數據采集與處理,2008（9）：101-104.Zhao Qi,Xue Jing.Fast PN Code Acquisition Technology Research in High Dynamic Doppler Shift Situation[J].Journal of Data Acquisition&Processing,2008（9）：101-104.

[8]Proakis J G.數字通信[M].北京:電子工業出版社，2003.Proakis J G.Digital Communication[M].Bei Jing:Electronics Industry Press，2003.

Simulation of PN Code Synchronization System Based on FFT

Ding Kai
（No.92785 Troops of Navy，Suizhong 125208,China）

PN code synchronization is one of the key techniques in direct sequence spread spectrum(DSSS)communication system，the traditional PN code acquisition method would require a fairly long time and large quantity computation in highly dynamic Doppler shift situation.A acquisition method based on the combination of Segments Digital Matched Filter(SDMF)and Fast Fourior Transform(FFT)is suggested.The simulation results shows that it could radically reduce the acquisition time and system complexity without additional hardware complexity.The principle of model built by SIMULINK is clear,and the displaying effect is good,which provides a great software platform for PN code synchronization simulation.

PN synchronization；Doppler shift； Partial matched filtering；Fast Fourier transform；Acquisition

10.3969/j.issn.1002-2279.2017.04.010

TN941

A

1002-2279-（2017）04-0035-04

丁凱（1983—），男，江蘇省淮安市盱眙縣人，工程師，主研方向：通信仿真。

2017-02-20