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DS-BPSK波形设计系统综述BPSK发射机将信源信号经过信道编码、加扰、基带映射、扩频、BPSK调制、数字上变频后发射，经过信道后，在接收端经过数字下变频、匹配滤波、同步、解扩、BPSK解调、解扰、卷积译码后输出，并同源信号进行比较，给出误码。系统组成的结构框图如下：图1 系统框图BPSK发射机功能描述2.1 卷积编码主要功能是对输入数据进行卷积编码。输入基带数据传输速率为8.2kbps。此设计中卷积编码器使用的是约束长度K=6，编码率为1/3的卷积码，生成多项式为G1:011011，G2：110100，G3:101111，卷积编码后传输速率为24.6kbps。2.2 加扰加扰模块是将信源信号的数据随机化，以实现能量均衡。对输入数据进行加扰。在数字通信中，为便于信号的传送与存储，将其转换为具有相同意义和相同比特率的伪随机数字信号的操作。加扰时使用的伪随机二进制序列生成多项式为：1+X3+X5。2.3BPSK基带映射BPSK调制，主要功能是讲比特数据流转换为符号数据流，对输入数据进行BPSK映射。BPSK的星座映射图如下，0映射成-1，+1映射成+1。图2 bpsk星座图2.4 扩频扩频过程实质是信息流与伪随机码序列的模二相加或相乘的过程，伪随机码速率比信息速率大得多，一般/的比值为整数，且/1，所以扩频后的速率仍为伪随机码速率。本设计中发射信号是随机的“0”，“1”二进制序列，进行基带BPSK映射之后进行直接序列扩频，使用7阶m序列code，扩频码位数为127位，码片速率为3124.2kHz，m序列采用图3的移位寄存器结构产生。图3产生m序列的移位寄存器结构2.5 组帧组帧模块的功能是按照规定的帧格式完成组帧操作，将扩频后的数据添加帧头后组成基带数据帧，如下图所示：图4 帧结构示意图本设计中帧头采用5阶31位的m序列，并对该序列同样进行基带映射，添加到数据前侧。2.6 数字上变频数字上变频模块完成成型滤波、上采样、数字上变频。载波为70M的余弦信号。图5上变频实现框图在本方案中，信号由fs=3124.2kHz采样速率提高到fs1=250MHz，则需要采样速率提高80倍。数字滤波器组的内插、抽取因子为各个滤波器的内插、抽取因子之积，即D= D1×D2。本设计中为了防止一次性插值滤波器组的阶数过高，分两次进行插值，分别选取D1=10、D2=8，再进行滤波，具体实现过程如下图所示。图6 上采样框图根据奈奎斯特第一准则，在实际通信系统中一般均使接收波形为升余弦滚降信号。这一过程由发送端的基带成形滤波器和接收端的匹配滤波器两个环节共同实现。本设计第一次插值后采用61阶、滚降系数0.5的升余弦滤波器，成型滤波后的波形如下图7所示。第二次插值后使用FIR低通滤波器来滤除映像。图7 截取部分成型滤波后信号图上采样后的信号与载波进行带通调制，发射到信道中。截取部分调制波形如下：图8 截取部分调制信号图BPSK接收机功能描述3.1 数字下变频下变频模块完成数字下变频、下采样、预滤波、匹配滤波。实现框图如下：图9 下变频实现框图下采样、匹配滤波实现框图如下：图10下采样实现框图匹配滤波器实质上是一个具有与发射端的基带成形滤波器相同的滚降系数的平方根升余弦滤波器。接收端的“匹配滤波”是针对发射端的成形滤波而言，与成形滤波相匹配实现了数字通信系统的最佳接收。它与基带成形滤波器共同构成了一个奈奎斯特滤波器。3.2 同步同步模块完成突发捕获和最佳采样点选择，利用训练序列实现帧同步、符号同步以及相位偏移校正。3.2.1 帧同步帧同步的实现框图如下：图11 帧同步实现框图帧同步采样本地样本相关的方法，将输入信号与本地帧头共轭相关，输出相关值，对第一个窗内的相关值求和，并把求和得到数值的100倍作为阈值，随着窗口的后移窗内总和不断变化，当该变化值大于阈值时，将最大峰值定位到该窗内并求窗内最大值，将该最大相关值作为峰值输出，即为数据的到达位置。帧同步仿真波形如下，从图中可以看出信号在第1600个采样点处捕获。图12 帧同步捕获位置3.2.2 符号同步帧同步的信号会有几个采样点的偏差，为了更准确的采样判决需要确定最佳的采样点。接收信号每个符号有10个采样点，本设计中采用最大平均功率法来确定最佳采样点。最大平均功率算法采用的是开环结构，同步速度快，适合突发信号的解调。实现框图如下：图13 符号同步实现框图该模块的功能是选取最佳采样点，具体实现过程是将每个符号的10个采样点分为10路并行数据，每路数据的采样速率均与符号速率相同。对每一个采样点的数据进行共轭相关，并将N个符号的每一个采样点对应的功率进行累积，得到累积功率，最后对比10个功率值选择具有最大功率的采样点，并对帧同步后的信号进行重采样。最大功率仿真图如下：图14 符号同步从图中可以看出第七个采样点的平均功率最