【《基于COSTAS环载波同步理论的OQPSK通信系统MATLAB R2015b仿真分析》3700字】

基于COSTAS环载波同步理论的OQPSK通信系统MATLABR2015b仿真分析目录TOC\o"1-3"\h\u22709基于COSTAS环载波同步理论的OQPSK通信系统MATLABR2015b仿真分析 1132101通信系统的实现 1236741.1发送端 265601.1.1产生数字基带信号 2198541.1.2串/并转换 3306091.1.3内插和延时 3205621.1.4产生载波信号 323361.1.5混频 4325701.2信道 4159521.3接收端 4215222仿真结果及分析 6133592.1通信系统仿真结果及分析 682822.2不同输入信噪比的COSTAS环载波同步效果分析 1392822.3不同初始频偏的COSTAS环载波同步效果分析 151通信系统的实现本文基于COSTAS环载波同步理论，用MATLABR2015b仿真OQPSK通信系统。如图3-1OQPSK通信系统框图所示，本文先在系统发送端进行OQPSK信号的调制，然后在信道中加入加性高斯白噪声，最后在接收端用COSTAS环进行载波同步。表3-1为通信系统在代码中的变量设置。图3-1OQPSK通信系统框图表3-1系统参数设置表参数变量含义参数值N_num仿真码元个数10000N_sample单个码元采样点个数32fs采样频率32MHzRb码元速率1MHzTb输入数据码元周期11.1发送端本设计通信系统的先产生数字基带信号，然后用相乘电路的方法产生OQPSK调制信号。图3-2为OQPSK的调制框图。图3-2OQPSK的调制框图1.1.1产生数字基带信号（1）使用randn()函数随机生成维度为1*N_num的数列m_rand。（2）使用sign()函数将m_rand中大于0、小于0的数值分别取值为1、-1，输出为序列m_sign。（3）使用sigexpand()函数将m_sign中的每一个数插入（N_sample-1）个零值，输出为序列m_addZERO。sigexpand()函数的实现过程为，先生成N_sample*N_num的零矩阵，然后把该零矩阵的第一行换成序列m_sign,再通过reshape()函数将该矩阵的维数从N_sample*N_num变为1*N_sample*N_num。（4）将序列m_addZERO与生成的宽度为码元宽度Tb的矩形窗卷积后，取Tb长度，最终输出为数字基带信号basedSignal。1.1.2串/并转换如图3-2所示，串/并转换电路把序列m_sign——串行码元变成并行的两路码元a和b。代码的实现过程为：用for循环语句把m_sign序列的奇数个、偶数个码元分别提取出来，输出序列分别为mI、mQ。1.1.3内插和延时使用sigexpand()函数分别将mI、mQ中的每一个数插入（2*N_sample-1）个零值，输出分别为mI_addZERO、mQ_addZERO。将信号mI_addZERO与宽度为两倍码元宽度的矩形窗卷积后，取2Tb的长度，最终得到上支路基带信号Ibased，即图3-2的c路输出。将信号mQ_addZERO与宽度为两倍码元宽度的矩形窗卷积后，在其生成的mQ_conv序列前面插入N_sample个-1，然后截取该信号前2Tb的长度，最终得到下支路基带信号Qbased，即图3-2中完成半个码元周期（原串行数据单个码元周期）的延时，得到e路输出。完成内插和延时的Ibased和Qbased基带信号的单个码元周期为原串行数据m_sign单个码元周期的2倍。1.1.4产生载波信号由公式（3-1）和（3-2）构造同相载波信号Icarrier和正交载波信号Qcarrier，公式中的参数见表3-2所示。（3-1）（3-2）表3-2载波参数设置参数变量含义参数值fc载波频率2MHzphi载波初始相位60度1.1.5混频如图3-2所示，将经过上述处理过的c路信号Ibased和e路信号Qbased分别与两路正交载波相乘后得到f路和g路的混频信号Ioqpsk和Qoqpsk，再将这两路信号相加，输出为oqpskSignal，即OQPSK调制信号。1.2信道本文根据所加噪声信噪比的不同模拟了3种信道。代码中使用awgn()函数给调制信号加上信噪比分别为5dB、10dB和20dB的不同加性高斯白噪声，输出为更新后的oqpskSignal。1.3接收端本设计通信系统的接收端主要为对接收信号进行COSTAS环载波同步处理。图3-3为COSTAS环处理的流程图，表3-3为代码中所用参数。代码中COSTAS环的处理过程除了初始化相关参数和生成低通滤波器外，其余部分都在以一个码元周期为周期的循环里进行。步骤如下：（1）设置COSTAS环的相关参数。（2）使用fir1()函数生成低通滤波器lpf_b。（3）根据每次循环更新的频率fc2和初始相位theta生成同相载波ncoI、正交载波ncoQ。（3）把接收信号分成两路，并分别与ncoI和ncoQ相乘，输出为phdI、phdQ。（4）使用filter()函数实现将phdI、phdQ信号通过低通滤波器lpf_b，输出分别为outI和outQ。（5）根据公式（2-13）计算COSTAS环鉴相器的输出eout。（6）根据公式（2-16）计算COSTAS环路滤波器的输出lfout。（7）根据公式（2-17）对NCO的输出频率fc2和输出初始相位theta进行调整。等到环路稳定后，NCO输出的载波为所需的与接收信号同频同相的载波，环路I路经过符号判决后的输出sign(outI)为解调后的上支路基带信号。图3-3COSTAS环处理流程图表3-3COSTAS环参数设置参数变量含义参数值fc2NCO输出载波的初始频率2.002MHzthetaNCO输出载波的初始相位70度C1环路滤波器的比例常数0.002C2环路滤波器的积分常数2^(-9)K_fNCO增益100002仿真结果及分析本文的仿真分为三个部分。第一部分为通信系统仿真，第二、三部分为不同条件下COSTAS环的仿真。第一部分为COSTAS环输入信噪比为20dB、接收信号与NCO输出载波的初始相位差为10度、初始频率差为2KHz时的通信系统仿真，并观察和分析系统能否正常工作；第二部分为其它条件和第一部分相同、COSTAS环输入信噪比不同的条件下，观察并分析鉴相器的输出、频率和相位跟踪曲线，确定COSTAS环能稳定工作的最低信噪比；第三部分为其它条件和第一部分相同、初始相位差为零、初始频率差不同的条件下，观察并分析频率和相位跟踪曲线等，确定COSTAS环能稳定工作的最大频偏。2.1通信系统仿真结果及分析图4-1为二进制随机数进行极性变换并插零值后的信号、基带信号和串并转换后的上、下基带信号时域图和功率谱图。由图4-1的左侧时域图可知，由于本系统设置的基带信号码元周期Tb为1，所以时域图中10内基带信号共有10个码元，其序列为[-1-111-1111-11]；上、下支路码元的周期为2Tb，且下支路码元延迟了一个周期Tb；上支路对应的码元序列为[-11-11-1]，为基带信号码元序列的奇数个集合；下支路的码元序列为[-11111]，为基带信号码元序列的偶数个集合。由图4-1的右侧功率谱图可知，串并转换后上、下支路功率谱主瓣宽度为原基带信号功率谱主瓣宽度的一半。图4-1基带信号的形成图4-2为载波信号、上、下支路频带信号和已调OQPSK信号的时域图和功率谱图。由图4-2可知，上、下支路基带信号分别与同相、正交载波相乘后形成了频带信号，且功率谱被搬移到了载波对应的频率2MHz上。图4-2上、下支路频带信号和载波信号及其功率谱图4-3和图4-4分别为COSTAS环I、Q两路的各点输出。由图中可知，I、Q路输出在仿真的前部分处于振荡状态，后部分趋于稳定。图4-3COSTAS环I路各点输出图4-4COSTAS环Q路各点输出图4-5和图4-6分别为I、Q路符号判决后的相乘器各点输出。图4-5I路符号判决后的相乘器各点输出图4-6Q路符号判决后的相乘器各点输出图4-7为鉴相器、环路滤波器和NCO的输出。由图4-7可知，COSTAS环刚开始工作时，由于环路正在调整相差，与相差有关的鉴相器、环路滤波器输出有一定的振荡。由于环路滤波器滤除了鉴相器输出中的交流分量，其输出的波形比鉴相器输出的波形更加平滑。当NCO调整环路的频率，使相差为零时，鉴相器、环路滤波器的输出电压都为零。图4-7鉴相器、环路滤波器和NCO各点输出图4-8为COSTAS环的频率跟踪曲线，图4-9为COSTAS环的相位跟踪曲线。经过一定的波动后，频率跟踪曲线、相位跟踪曲线逐渐平稳，频率差、相位差曲线趋于零。当相差不随时间的变化无限增大，保持在一个小范围内，则环路稳定，达到同步状态REF_Ref71723020\r\h[13]。这说明COSTAS环在多次迭代后可处于稳定状态，可实现良好的频率跟踪、相位跟踪性能。图4-8环路频率跟踪曲线和频率差曲线图4-9环路相位跟踪曲线和相位差曲线如图4-10所示，一开始NCO输出的同相载波与接收信号的载波有明显偏差，经过一定的仿真点数后，两个波形重叠。说明环路稳定后输出的载波与接收信号同频同相，所需相干载波提取成功，载波同步完成。如图4-11所示，环路稳定后得到的上支路解调信号与调制前的上支路基带信号一致，即本通信系统实现了信号的解调。图4-10载波图图4-11解调输出图2.2不同输入信噪比的COSTAS环载波同步效果分析其它条件和第一部分仿真相同，输入信噪比分别为5dB、10dB、20dB的情况下，环路的工作状态图分别如图4-12、图4-13和图4-14所示。由图4-12可知，输入信噪比为5dB时，鉴相器输出信号被噪声分量淹没；频率、相位跟踪曲线一直在变化，没有稳定下来的趋势。说明COSTAS环失锁了，不能实现载波同步。由图4-13可知，输入信噪比为10dB时，鉴相器输出信号有一定的噪声分量；频率、相位跟踪曲线经过一定的仿真比特数后，有稳定下来的趋势，并分别与接收信号的频率、相位相等。说明环路可以锁定接收信号的频率和相位，并达到同步状态。由图4-14可知，输入信噪比为20dB时，鉴相器输出信号的噪声分量较小；频率、相位跟踪曲线经过一定的仿真比特数后，趋于稳定，并分别与接收信号的频率、相位相等。说明环路载波同步性能良好。该部分仿真可得出结论：COSTAS环的稳定性能随着信噪比的增加而变好，其能稳定工作的最低信噪比在5dB和10dB之间REF_Ref69916968\r\h[14]。图4-12信噪比为5dB时环路的工作状态图图4-13信噪比为10dB时环路的工作状态图图4-14信噪比为20dB时环路的工作状态图2.3不同初始频偏的COSTAS环载波同步效果分析其它条件和2.1相同，初始相差为零、初始频差分别为2KHz、1.5KHz、4KHz的情况下，环路的工作状态图分别如图4-15、图4-16和图4-17所示。由图4-15可知，当接收信号与NCO输出载波初始频偏为2KHz时，经过一定的仿真比特数后，环路的跟踪频率和跟踪相位都可追上接收信号的频率和相位，并保持一致。说明COSTAS环的频率、相位锁定功能正常，载波同步实现良好。由图4-16可知，增大固定频差到1.5KHz时，经过一定的仿真比特数