基于FFT的PN码同步系统仿真

丁凯

（海军92785部队，绥中 125208）

基于FFT的PN码同步系统仿真

丁凯

（海军92785部队，绥中 125208）

PN码序列同步是直接序列扩频通信系统中的一项关键技术，在高动态多普勒存在的条件下，传统的伪码捕获方法捕获时间较长，运算量较大。提出基于分段式数字匹配滤波器和FFT捕获相结合的捕获方法，仿真结果表明其在不增加硬件复杂度的情况下，能够大幅度地缩短捕获时间，降低系统复杂度。采用SIMULINK构建的模型原理清晰，具有良好的演示效果，为PN码同步仿真提供了一个较好的软件平台。

PN码同步；多普勒频移；部分匹配滤波；快速傅里叶变换；捕获

1 引言

直接序列扩频系统[1]在发射端采用伪随机码对信息码进行扩频；在接收端，只有当本地伪码和接收信号中的伪码相位上达到同步，才能实现对信息码的解扩。然而在高速移动环境下接收信号会附加上很大的多普勒频率偏移量，当频率偏移达到一定程度时，接收机不能捕获PN码序列，甚至造成不能正确解扩，所以在解调前必须对其进行补偿，以消除对伪码捕获的影响。

仿真采用基于FFT的多普勒频移[2]估计算法，实现相位—多普勒频率同时搜索，将二维搜索简化为一维搜索，在保证精度和速度的前提下完成多普勒估计。借助Simulink中的模块库,构造可视化交互仿真系统,在Simulink环境下，仿真扩频通信PN码同步系统，物理概念清晰，方法简单、实用。

2 直接序列扩频通信系统

2.1 直接序列扩频通信的工作方式

在发送端，信源信息经过信道编码后，进行扩频调制，载波调制后，送入信道中，加入高斯白噪声和窄带干扰。在接收端，首先抑制干扰，然后对伪码进行捕获，同时估计信道传输造成的多普勒频移，用同步后的本地伪码序列对干扰抑制后的信号进行解扩，解调模块使用估计出来的多普勒频移值对载波进行补偿，成功解调后进行信道译码恢复出原始信源信息。

PN码同步分为两个阶段，一是捕获，主要是捕获伪码，试图找到接受信号中的伪码起始相位，使收端伪码与发端伪码的相位差小于1/2码元；二是跟踪，进一步减小收端码元和发端码元的相位误差，并令收端码元跟踪发端码元的变化。

2.2 伪码捕获技术

串行捕获是在捕获伪码的过程中,每次滑动一个扩频码元(一个PN码周期)相位进行相关运算,直到得到设定的相关值。并行捕获法则是对每种相位均设置了相关器,每个相关器的本地伪码相差一个码片时间，同时做相关运算,对所有的运算支路和相关值进行比较。匹配滤波器捕获是利用匹配滤波的原理对整个扩频码元进行匹配以实现伪码的捕获，分为模拟滤波器和数字滤波器。由于数字滤波器具有编程灵活等特点，应用较多。理想情况下，判断接收的扩频信号相位与本地伪码是否同相，仅需一个chip（码片）的时间，其捕获伪码所需最长时间为一个扩频码周期的时间，实时性与可实现性相当好。

2.3 伪码跟踪技术

同步跟踪系统的主体是具有自动相位调节功能的锁相环路。要使相位锁定，必须能检测误差和纠正误差，再利用反映相位误差的信号去调节本地序列相位，达到跟踪的目的。延迟锁相环（DLL）跟踪法被使用时，伪码跟踪环为了使接收机扩频码序列同步，至少需要采用两个相关器，即超前和滞后相关器。仿真过程中对接受到的扩频信号，分别与超前1/2码片和滞后1/2码片的两路本地PN码进行迟、早相关，经低通滤波器后相减，输出的信号误差就是环路的误差信号。误差信号经环路滤波器后，形成控制信号控制本地时钟，使本地PN码发生器的相位与发送来的扩频序列相位一致。

2.4 多普勒对伪码捕获性能的影响

图1 基于FFT的多普勒频移估计算法

在扩频通信中，伪码的同步主要通过相关峰的幅度来判别。在高动态环境下，多普勒频偏会对相关峰的幅度产生巨大的影响，因而对通信质量造成动态直扩信号的同步，存在多普勒频移过大的严重影响，甚至造成不能正确解扩。为了完成解调，在PN码捕获时必须对多普勒频移进行补偿。

仿真采用的基于FFT的多普勒频偏估计算法，可实现相位-多普勒频率同时搜索，将二维搜索变为一维搜索，主要原理如图1所示。

图2 PN码同步模块图

3 建立系统仿真模型

3.1 模型建立

图3 pn_dopple模块内部结构图

仿真参数设置：采用255bit PN码，码速率为255kb/s，发送的信息数码率为1kb/s；调制载波设为510kHz，解调载波设为500kHz，即存在10kHz的多普勒频移，匹配滤波器长度为255bit。PN码同步模块如图2所示。

3.2 主要模块设计

pn_dopple内部框图如图3所示，MF_System模块为PN码捕获模块，仿真中选用数字匹配滤波器。

捕获完成后接收PN码和本地PN码没有完全对齐，还需要对PN码进行跟踪，PN_TRACK为超前滞后跟踪模块，负责提供超前滞后两组本地PN码。该模块存在于图3中Local PN内部，其内部结构如图4所示。

多普勒频域估计模块FFT_Compensate，本地参考载波和发送端载波的频率相差100KHz，二者进行BPSK解调后送入分段匹配滤波器MF_System，分段处理后进行FFT变换，得到频率估计值送入Maintain System进行保持，并实时更新。

图4 PN_TRACK内部结构图

4 仿真实现

由“input”示波器，即可观察到输入信号波形如图5，其经过缩放的输入信号波形如图6所示：

图5 输入信号波形

图6 经过缩放的输入信号波形图

由于分段匹配滤波器输出的路数太多，为方便显示，仅选择观察9路～11路输出，由“9-11”示波器，即可观察到PN码相关峰，如图7所示。

经过缩放的PN码相关峰波形图如图8所示。

图7 PN码相关峰

图8 经过缩放的PN码相关峰波形图

由图8可以看出，中间一路信号在0.005s附近出现了相关峰，而且相关峰具有很好的尖锐性。去掉系统本身的时延，仿真能够在两个码片周期内得到明显的相关峰，完成PN码的同步。

由“TRACK”示波器得到跟踪波形图，如图9所示，经过缩放的跟踪波形图如图10所示。由图10所示，仿真能够得到一个明显的脉冲，该脉冲可以用来调整本地PN码发生器，完成跟踪工作。

图9 跟踪波形图

图10 经过缩放的跟踪波形图

由“D_E”示波器可以观察到多普勒频移估计值，如图11所示，可以看出，估计值为100，由于本地参考VCO的频率电压比率为100，所以本例的估计值为100×100=10kHz,与事先设定的10kHz载波频率偏移值一致，故仿真能正确估计出多普勒频移值。

图11 多普勒频移估计值

5 结束语

在高动态多普勒频移条件下，传统伪码捕获方法已经不能准确地捕获扩频信号。在比较捕获算法优劣的基础上，提出基于部分匹配滤波(PMF)与快速傅里叶变换(FFT)相结合的伪码快速捕获方法，利用Simulink通信系统仿真工具箱，建立PN码同步系统仿真模型，分析系统的工作过程，验证了该方法的正确性与有效性。实际应用结果表明,该方法能够实现在高动态多普勒频移下伪码的快速捕获。

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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

丁凯（1983—），男，江苏省淮安市盱眙县人，工程师，主研方向：通信仿真。

2017-02-20