扩频通信系统载波与码同步算法仿真程序

资 源 简 介

该项目提供了一套完整的直接序列扩频（DSSS）通信系统仿真框架，重点实现了接收端最为核心的码同步与载波同步算法。系统模拟了信号从信源编码、直接序列扩频、BPSK调制进入加性高斯白噪声（AWGN）信道，再到接收端处理的全过程。在同步模块中，码同步部分采用了粗同步与精同步相结合的策略，即先通过滑动相关捕捉算法实现对伪随机（PN）码相位的快速搜索与初捕，随后利用延迟锁定环（DLL）进行码相位的精密定位与实时跟踪。载波同步部分则集成了Costas环或改进型锁相环（PLL）技术，有效修正了射频链路产生的频率偏差与相

详 情 说 明

直接序列扩频（DSSS）通信系统载波同步与码同步仿真项目

项目介绍

本项目是一个基于MATLAB开发的直接序列扩频（DSSS）通信演示系统。其核心目标是模拟直扩信号在复杂信道环境下的传输过程，并重点展示接收端如何通过精密的同步算法提取有用信号。仿真涵盖了从信源生成、PN码扩频、载波调制到信道干扰模拟，以及接收端的码捕获、码跟踪和载波同步全过程，是一个评估同步环路性能（如收敛速度、跟踪精度和误码率）的完整实验平台。

功能特性

• 完整的系统仿真链：实现了包含比特流生成、m序列扩频、BPSK调制、频率/相位偏差注入、AWGN信道模拟及接收机全流程处理。
• 双层码同步机制：结合了滑动相关捕获算法（粗同步）与延迟锁定环DLL（精同步），确保在码片级别实现精确对齐。
• Costas锁相环载波同步：利用Costas环路处理射频链路引入的频率漂移和相位偏移。
• 高度模块化设计：参数设置、信号发生、同步逻辑与性能评价各部分逻辑清晰，便于修改与扩展。
• 多维度性能评估：提供星座图、同步收敛曲线、相关峰值图以及误码率（BER）对比曲线，直观反映系统性能。

使用方法

1. 确保计算机安装了MATLAB环境以及通信系统工具箱（Communication Toolbox）。
2. 运行主程序函数，系统将自动开始执行参数配置与信号传输仿真。
3. 通过生成的六路子图观察同步过程，包括：

* 码捕获时的相关峰位置。 * 随着比特增加，码相位偏移的调整轨迹。 * 载波相位偏置的修正收敛曲线。 * 载波频率估计值的实时变化。 * 同步后的信号星座图分布。 * 仿真误码率与理论值的比对。

系统要求

• 软件环境：MATLAB R2016b 及以上版本。
• 硬件要求：具备标准运行内存的计算机，建议至少 4GB RAM。

核心功能与逻辑实现说明

1. 信号生成与调制逻辑

• 扩频码产生：使用线性反馈移位寄存器（LFSR）生成 7 级 m 序列。多项式定义为 x^7 + x^3 + 1，产生长度为 127 的伪随机序列。
• 发射端处理：随机信息比特经 BPSK 映射后，通过 PN 码进行扩频处理。扩频后的码片序列经过上采样至采样率（10MHz），最后通过载波调制发送。

2. 信道模型实现

• 损伤注入：在接收信号中叠加了 5000Hz 的初始频率偏差和 pi/4 的初始相位偏差。
• 噪声叠加：通过 AWGN 函数模拟加性高斯白噪声环境，支持根据设定的信噪比（SNR）动态调整信号质量。

3. 码捕获算法（粗同步）

• 滑动相关器：在接收端取一个比特周期的信号长度，与本地参考 PN 码进行全范围滑动互相关运算。
• 峰值检索：通过 abs(sum) 寻找相关运算的最大值点，该点对应的偏移量即为码序列的初始相位点。

4. 联合同步跟踪逻辑（精同步）

• 延迟锁定环 (DLL)：

* 采用超前（Early）与滞后（Late）支路结构，通过 0.5 码片的偏移量进行相关。 * 误差判别公式基于非相干检测：abs(Early) - abs(Late)。 * 根据误差动态更新 pn_pos，实现码相位的实时精密调节。

• Costas 载波环：

* 鉴相器利用解扩后的复信号 I/Q 分量进行提取，误差公式为：real(val) * imag(val)。 * 采用二阶环路滤波器思想，分别利用 alpha 参数更新相位估计、beta 参数更新频率估计。 * 每一比特处理周期内，系统都会根据估计值对下一次采样信号进行补偿。

5. 性能评价模块

• 数据解调：基于 Costas 环补偿后的相位和 DLL 对齐后的采样点，进行能量累加解扩，最终进行阈值判定复原数据。
• 误码率分析：在 0 到 12dB 的信噪比区间内进行循环测试，计算仿真误码率，并与 BPSK 的理论误码率曲线进行对比，验证扩频增益对抗噪声的效果。

关键函数与算法分析

• m序列算法：通过 mod(reg(7) + reg(3), 2) 实现反馈，保证了序列的优良自相关特性。
• 非相干延迟锁定环：代码中通过分别计算超前、滞后、中心三个支路的相关值来维持跟踪，这种设计不仅能补偿初始偏移，还能对抗动态过程中的钟差。
• 双回路滤波器：Costas 环路逻辑中，freq_track（频率跟踪）是通过对相位误差的积分实现的，体现了典型的锁相环频率捕获特性。
• 星座图映射：归一化后的星座点展示了在信噪比 10dB 下，经过同步后的 BPSK 信号点集中在 I 轴两端的收敛状态。