毕业设计说明书---扩频通信中PN码捕获的SIMULINK仿真实现

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1、毕业设计说明书(论文)作 者： 李伟 学 号： 0806220125 学 院 ： 信息工程学院 专 业： 通信工程 题 目： 扩频通信中PN码捕获的SIMULINK 仿真实现 指导者： 李楠 副教授 (姓 名) (专业技术职务)评阅者： (姓 名) (专业技术职务) 2008年 6 月 吉 林毕业论设计说明书（论文）中文摘要毕业设计说明书（论文）中文摘要扩频通信系统与普通通信系统相比，具有很强的抗干扰、抗多径性能，并且具有信息隐蔽、高精度测量、多址保密通信等特点。扩频码的同步和捕获问题是扩频通信系统进行正确传输的关键问题，即只有在接收部分与发送部分的扩频码相位保持完全相同时，扩频码调制的信息才

2、能被正确解扩。保持发送、接收部分扩频码的同步是扩频通信系统中的一项重点和难点技术。文分析扩频通信系统的性能特点，研究扩频码的产生与相关性，对扩频通信系统中扩频码的捕获时间问题进行深入研究。研究捕获方法思想并在SIMULINK平台上予以实现。拟采用滑动相关法实现捕获阶段的扩频码的捕获。通过仿真结果表明，相比较其它方法，该方法在扩频码捕获上具有硬件简单，易于实现等优点。关键词：扩频通信；扩频码；滑动相关- III -毕业论文外文摘要毕业设计说明书（论文）外文摘要 Title SIMULINK Implementation of PN Code Acquisition in Spread-Spect

3、rum Communications AbstractCompared with other regular communication systems, Spread Spectrum(SS) technology has the advantages of low probability to intercepting, a high immunity to interference, hiding the useful information and multiple-access communication ability. Acquisition and synchronizatio

4、n of expand frequently code is communication-specific critical problem of accurate transmission. Only if the codes of receiver parts are identical with the transmitter part, information modulated by codes could be de-spread or demodulated right. Keep the send part and receiver parts Synchronism is a

5、n important and challenging technique in SS communication, This paper analyzes the performance characteristics of spread spectrum communication system. To research the spreading code generation and correlation. In-depth study on the acquisition time of spreading codes in spread spectrum communicatio

6、n system and acquisition method of ideological to Simulation in SIMULINK platform. Use the Sliding correlation method to achieve the acquisition of the acquisition phase of the spreading code.Through the simulation results show that compared to other methods, this method in spread spectrum code acqu

7、isition has the feature that hardware is simple, easy to implement and so on.Keywords: Spread Spectrum communication； Spread spectrum codes； slipping-acquisition- method目 录目 录摘要IABSTRACTII目录III第1章 绪论11.1 课题研究意义11.2 扩频码捕获的研究现状11.3 扩频码捕获方法简介31.4 本文所做的主要工作4第2章 MATLAB/SIMULINK简介52.1 MATLAB 仿真软件介绍52.1.1

8、MATLAB简介52.1.2 MATLAB语言特点62.2 SIMULINK简介72.2.1 SIMULINK模块库介绍72.2.2 SIMULINK模型的建立过程92.2.3 SIMULINK仿真过程10第3章 扩频通信系统及PN码捕获系统模型建立113.1 引言113.2 扩频通信系统及PN码同步的理论基础113.2.1 伪随机码与同步的关系123.2.2 扩频与解扩过程143.3 扩频通信系统仿真的整体架构163.4 扩频通信系统仿真总模型架构的各部分介绍173.4.1 信源部分173.4.2 调制部分173.4.3 信号极型转换183.4.3 伪随机信号产生模块193.4.5 信道部分

9、203.4.6 扩频模块213.4.7 解调部分223.4.8结果分析部分223.5 滑动相关捕获子系统构建233.5.1捕获原理233.5.2 滑动相关子系统模型243.5.3 本地可控PN码产生子系统253.5.4 积分判决模块263.5.5 相位搜索控制模块28第4章 扩频通信中PN码捕获仿真结果及分析314.1 引言314.2 捕获阶段通用参数分析314.3 影响误码率的相关因素分析334.4 匹配问题分析35结论37参考文献38附录A 扩频通信系统总模型39附录B 滑动相关捕获子系统模型40致谢41第1章 绪 论第1章 绪 论1.1 课题研究意义在数字通信信号传输过程当中，扩频系统的

10、接收端对信号的正确接收是通信系统性能的重要标准，传输的数据信号能否快速的接收是一个关键的问题。因为扩频信号具有随机性能，所以只有在接收到的扩频信号相位和本地参考扩频信号的相位相同时，接收端才能将扩频信号所传递的信息数据准确的解扩出来。扩频接收系统中的捕获阶段时间长短决定着完成捕获所需要的时间，因此在扩频通信系统当中，一个快速和高效的捕获方案是非常重要的，这是目前同步系统中研究的热点和难点问题。1.2 扩频码捕获的研究现状扩频码的捕获阶段是一个统计变量不断进行变化并有效接收的动态过程，统计的变量经历了接收过程中的各种情况，因此捕获阶段也常常被称为扩频码的搜索阶段或者拦截阶段。当前，扩频码的捕获问

11、题是扩频系统中重要和关键的研究课题之一，扩频码序列的捕获算法种类非常多，各种算法都各有其优势和不足之处，很多学者都对这一问题进行了详细深入的研究。目前，扩频码的捕获方法主要有以下三个方面1：第一方面是从捕获的方式上进行划分，扩频码的捕获方式可以细分为串行方式、并行方式以及串/并行结合的捕获方式。1956年，G.F.Sage就对串行捕获的方式进行了深入的探讨，并最早提出扩频码的串行捕获方法，其特点是结构比较简单、可靠性高、容易实现，并且能够很容易的数学建模，能够在构建模型的基础上对其进行深入的理论分析和仿真，在工程应用上也容易实现。1960年，W.R.Brow对扩频码串行捕获方式中的平均捕获需要

12、时间和扩频码的概率分布近似方法进行深入研究，研究发现串行捕获方式在每次进行滑动搜索时只能搜索出一个码相位，如果积分器输出值未达到预先设定的门限值，那么就对本地码的相位进行改变，改变的幅度为半个码元相位，逐一的对整个相位区间进行滑动搜索，一直达到设定的门限值才停止搜索2。现在利用串行捕获方法的应用也很多，目前国内外对于串行搜索方式的性能及理论分析也都比较详细，很多科学家都提出自己对串行捕获方式的研究成果。比如J.K.Honers就提出了扩频码捕获的单次停留算法在统计学上进行应用的方法；D.M.Diceruodui对扩频码的多次停留时间串行捕获方式进行了详细的探讨；C.M. Victor同R.W.

13、D onaldson曾探讨过针对使用包络相关器的扩频码同步的捕获及保持时间的估算方法。这种搜索的方式虽然容易理解，但也存在不足之处，如果扩频码的码长（周期）非常长，滑动捕获的范围会非常大，范围扩大之后相应地搜索时间将会不断延长3。并行的捕获方式是通过同时使用多个相关器及多个积分器组合后对接收到的扩频信号进行频谱的解扩处理，这种并行的方法只需要占用一个积分器的积分时间就可以将接收到的扩频序列快速的实现捕获，因而并行捕获方式的捕获时间非常短，捕获速度较串行滑动捕获方式快的多，这是并行捕获方式的优势，但是并行捕获方式需要非常大的硬件设备量，设备量如果过多，那么具体实现起来就会存在相当大的难度，所以并

14、行捕获的方式一般情况下不常使用。经常使用的捕获方式是串/并结合的捕获方式，串/并结合的捕获方式能够对串行、并行捕获方式中存在的优缺点进行有效互补，该方案可以在捕获的平均时间及硬件电路的多少中间找到一个合理的方式，是目前经常使用的一种捕获方式4。第二方面为检测器件的研究，影响系统捕获性能的主要原因之一为产生判决信号的判决相关器件，一直以来人们经常使用的判决相关器件的类型为“积分/清零”型，它能够使待判决数据信息的“有效信噪比”降低。利用光电相关器件来进行扩频码捕获是一种硬件和软件相结合的方案有效的利用光电相关器进行傅立叶变换时间短的优势，把数据信息进行的相关解扩运算转变成为傅氏变换后进行相乘，再

15、进行傅氏逆变换，通过这种变换可以有效的缩短平均捕获时间，同时在频域上也很容易的消除多普勒频移及接收机的频移。A. Pely dores于1982年提出了使用匹配滤波器进行捕获的方式，滤波器的输出判决信号可以按照码片速率或者是码片速率的整数倍进行，使用该方法对扩频码定时相位的搜索和判决的速度比使用滑动相关器的串行搜索方法要快，因此采用匹配滤波器来作为产生判决信号的设备，是一种快速高效的扩频码捕获方法，比如使用声表面波器件作为匹配滤波器来实现扩频码捕获使用匹配滤波器的优势为捕获时间短、精度高、捕获速度较快，但是其缺点是器件的长度要受到技术水平、工艺水平的约束，捕获扩频码的位数比少，如果对长扩频码匹

16、配，就会存在相当大的困难。通常，进入数字匹配滤波器的信号已经是基带信号，对于信号的同步捕获，其极性比幅度更重要，因此通常对输入的信号进行1bit的量化，也就是只需考虑输入信号的极性，这样一个N位的量化后的数字滤波器性能与一个2N位的bit量化数字匹配滤波器性能大约相当。此外，一些针对匹配滤波器的性能分析，都是应用匹配滤波器到频率选择性信道上的捕获性能分析5。另外，现在有一些使用现代信号处理技术的软件捕获的方案，不需使用检测器件而只需使用软件的仿真即可以实现分析，例如利用自适应滤波器码捕获的LMS算法，该算法通过对接收到信号的自适应滤波，利用滤波后的信号和本地扩频码的误差信号提取定时的信息，来判

17、断接收信号和本地扩频码间的时延偏移量。第三方面从检测判决方式上进行划分，扩频码的捕获有固定积分时间检测，多次驻留检测以及序贯检测的方式。从门限设置方式上划分，则有自适应门限及固定门限判决方式6。固定积分时间检测通常又称为单驻留检测，带通滤波器的信号是解扩射频调制器发射的数据信号和扩频信号。在本地参考扩频码序列和接受的扩频信号相位同步时，带通滤波器和本地参考扩频码相乘后的输出是信号S(t)和N(t)之和。输出扩频信号经平方、低通滤波然后送入积分时间为T1的积分器，如果积分器的输出值超过设定的门限值Vt 时，即做出信号存在的判决，否则，做出信号不存在的判决。固定积分时间检测器因在工程上的易实现，在

18、技术上的成熟而备受人们的青睐。 1.3 扩频码捕获方法简介对于直接扩频系统（DSSS)中的扩频码捕获方法问题，目前国内外提出了很多种，其中较为成熟的有以下几种方法：第一种方法为顺序估计快速捕获(RASE)法，该方法对于扩频码序列，在任意时刻移位寄存器所处的状态在它产生的扩频序列中都可以找到。若接收的信号能精确判断出接收时移位寄存器的状态，并对应得产生扩频码序列，则这一扩频码序列就会和接收到的序列进行匹配。第二种方法为频域基于 FFT 的捕获算，为减少捕获时间即引入 FFT谱分析捕获算法，当本地参考扩频码和接收的扩频码相位一致时，本地参考扩频码和接收的数据信号相乘，只剩下载波，对载波再做 FFT

19、 频谱分析后即能得到多普勒频移值，可以将原来的频率搜索、相位搜索过程变为一个搜索过程，与传统匹配滤波器捕获算法相比，基于 FFT 的捕获算法大多应用在高动态、高精度的捕获中。第三种方法为匹配滤波捕获法，利用匹配滤波器来进行捕获的最大特点是捕获时间短在不考虑噪声和其它信号干扰的情况下，利用匹配滤波器法得接收数据信号只需经过一个或者是几个周期就可实现捕获，捕获速度较快。第四种方法为滑动相关捕获法，其原理为因本地参考码产生器和发送码的产生器在相位上存在一定差，在捕获的过程中相位需要相同，所以这样两个码序列为了相位相同需要进行滑动比较，就好像相对滑动一样，因此当两个码序列相位相同时滑动终止，滑动相关捕

20、获法的优点是简单容易。但如果接收码和本地参考码的信号失配量较大，那么搜索捕获的时间会非常长7。第五种方法为数字差动捕获法，数字差动匹配滤波器捕获法与传统的数字匹配滤波器相比较，该捕获法能有效的降低乘法器及累加器的个数，如果把它的应用和软件平台进行有效结合，那么取得的捕获效果会非常好，既能实现扩频码的快速捕获，又能够有效的节约资源。1.4 本文所做的主要工作在扩频通信系统中，扩频码的捕获性能是影响扩频接收机性能的主要因素之一，本论文主要围绕直接序列扩频码的捕获方法展开研究，主要研究以下几个方面：1.分析直接扩频通信系统的性能特点，研究扩频码的产生与相关性，对直接扩频通信系统中扩频码的捕获时间问题

21、进行深入研究；2.采用研究滑动捕获方法，深入研究其捕获思想；3.在SIMULINK平台上予以实现；4.分析仿真结果并总结结论。- 41 -第2章 MATLAB/SIMULINK简介第2章 MATLAB/SIMULINK简介2.1 MATLAB 仿真软件介绍2.1.1 MATLAB简介MATLAB是矩阵实验室（MatrixLaboratory）的简称。除具备卓越的数值计算能力外，它还提供了专业水平的符号计算，文字处理，可视化建模仿真和实时控制等功能。 MATLAB和Mathematical、Maple并称为三大数学软件。它在数学类科技应用软件中在数值计算方面首屈一指。MATLAB可以进行矩阵运算

22、、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连接其他编程语言的程序等，主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域。 MATLAB 的应用范围非常广，包括信号和图像处理、通讯、控制系统设计、测试和测量、财务建模和分析以及计算生物学等众多应用领域。附加的工具箱（单独提供的专用 MATLAB 函数集）扩展了 MATLAB 环境，可以解决这些应用领域内特定类型的问题。 The Math Works 公司在1984 年推出了第一个 MATLAB 的商业版本。 当时的 MATLAB 版本已经用 C 语言作了完全的改写，其后又增添了丰富多彩的图形图像处理、多媒体

23、功能、符号运算和它与其他流行软件的接口功能，使得 MATLAB 的功能越来越强大。1992 年推出了具有划时代意义的 MATLAB 4.0 版本，并于 1993 年推出了其微机版，可以配合 Microsoft Windows 一起使用， 使之应用范围越来越广。 1994 年推出的 4.2 版本扩充了 4.0 版本的功能，尤其在图形界面设计方面更提供了新的方法，1997年推出的 MATLAB 5.0 版允许了更多的数据结构，如单元数据、数据结构体、多维矩阵、对象与类等，使其成为一种更方便编程的语言。1999 年初推出的 MATLAB 5.3 版在很多方面又进一步改进了 MATLAB 语言的功能。

24、 2000 年 10 月底推出了其全新的 MATLAB 6.0 正式版(Release 12)，在核心数值算法、界面设计、外部接口、应用桌面等诸多方面有了极大的改进。时至今日，经过Math Works公司的不断完善，MATLAB已经发展成为适合多学科、多种工作平台的功能强劲的大型软件。在国外，MATLAB已经经受了多年考验。在欧美等高校，MATLAB已经成为线性代数、自动控制理论、数理统计、数字信号处理、时间序列分析、动态系统仿真等高级课程的基本教学工具；成为攻读学位的大学生、硕士生、博士生必须掌握的基本技能。在设计研究单位和工业部门，MATLAB也被广泛用于科学研究和解决各种具体问题当中。2

25、.1.2 MATLAB语言特点MATLAB被称为第四代计算机语言，利用其丰富的函数资源，使编程人员从繁琐的程序代码中解放出来。MATLAB的最突出的特点就是简洁。MATLAB用更直观的、符合人们思维习惯的代码，代替了C和FORTRAN语言的冗长代码。MATLAB给用户带来的是最直观、最简洁的程序开发环境。以下简单介绍一下MATLAB的主要特点：1.语言简洁紧凑，使用方便灵活，库函数极其丰富。MATLAB程序书写形式自由，利用其丰富的库函数避开繁杂的子程序编程任务，压缩了一切不必要的编程工作。由于库函数都由本领域的专家编写，用户不必担心函数的可靠性。2.运算符丰富。由于MATLAB是用C语言编写

26、的，MATLAB提供了和C语言几乎一样多的运算符，灵活使用MATLAB的运算符将使程序变得极为简短。3.MATLAB既具有结构化的控制语句（如for循环、while循环、break语句和if语句），又有面向对象编程的特性。4.语法限制不严格，程序设计自由度大。例如，在MATLAB里，用户无需对矩阵预定义就可使用。5.程序的可移植性很好，基本上不做修改就可以在各种型号的计算机和操作系统上运行。6.MATLAB的图形功能强大。在FORTRAN和C语言里，绘图都很不容易，但在MATLAB里，数据的可视化非常简单。MATLAB还具有较强的编辑图形界面的能力。7.MATLAB的缺点是，它和其他高级程序相

27、比，程序的执行速度较慢。这是由于MATLAB的程序不用编译等预处理，也不生成可执行文件，程序为解释执行，所以速度较慢。8.功能强劲的工具箱是MATLAB的另一重大特色。MATLAB包含两个部分：核心部分和各种可选的工具箱。核心部分中有数百个核心内部函数。其工具箱又可分为两类：功能性工具箱和学科性工具箱。功能性工具箱主要用来扩充其符号计算功能、图示建模仿真功能、文字处理功能以及与硬件实时交互功能。功能性工具箱能用于多种学科。而学科性工具箱是专业性比较强的，如control、toolbox、signal processing toolbox、communication toolbox等。这些工具箱

28、都是由该领域内的学术水平很高的专家编写的，所以用户无需编写自己学科范围内的基础程序，而直接进行高、精、尖的研究。9.源程序的开放性。开放性也许是MATLAB最受人们欢迎的特点。除内部函数以外，所有MATLAB的核心文件和工具箱文件都是可读可改的源文件，用户可通过对源文件的修改以及加入自己的文件构成新的工具箱。2.2 SIMULINK简介SIMULINK是MATLAB软件下的一个附加组件，是一个用来对动态系统进行建模、仿真和分析的MATLAB软件包。支持连续、离散以及两者混合的线性和非线性系统，同时它也支持具有不同部分拥有不同采样率的多种采样速率的仿真系统。提供了丰富的仿真模块。其主要功能是实现

29、动态系统建模、方针与分析，可以预先对系统进行仿真分析，按仿真的最佳效果来调试及整定控制系统的参数。SIMULINK仿真与分析的主要步骤按先后顺序为：从模块库中选择所需要的基本功能模块，建立结构图模型，设置仿真参数，进行动态仿真并观看输出结果，针对输出结果进行分析和比较。SIMULINK模块库提供了丰富的描述系统特性的典型环节，有信号源模块库(Source) ，接收模块库（Sinks），连续系统模块库（Continuous），离散系统模块库（Discrete），非连续系统模块库（Signal Routing），信号属性模块库（Signal Attributes），数学运算模块库（Math Ope

30、rations），逻辑和位操作库（Logic and Bit Operations）等等，此外还有一些特定学科仿真的工具箱。SIMULINK为用户提供了一个图形化的用户界面（GUI）。对于用方框图表示的系统，通过图形界面，利用鼠标单击和拖拉方式，建立系统模型就像用铅笔在纸上绘制系统的方框图一样简单，它与用微分方程和差分方程建模的传统仿真软件包相比，具有更直观、更方便、更灵活的优点。不但实现了可视化的动态仿真，也实现了与MATLAB、C或者FORTRAN语言，甚至和硬件之间的数据传递，大大扩展了它的功能。2.2.1 SIMULINK模块库介绍SIMILINK模块库按功能分为以下8类子库：1.连续

31、模块（Continuous）continuous.mdlIntegrator：输入信号积分Derivative：输入信号微分State-Space：线性状态空间系统模型Transfer-Fcn：线性传递函数模型Zero-Pole：以零极点表示的传递函数模型Memory：存储上一时刻的状态值Transport Delay：输入信号延时一个固定时间再输出Variable Transport Delay：输入信号延时一个可变时间再输出2.离散模块（Discrete） discrete.mdlDiscrete-time Integrator：离散时间积分器Discrete Filter：IIR与FIR

32、滤波器Discrete State-Space：离散状态空间系统模型Discrete Transfer-Fcn：离散传递函数模型Discrete Zero-Pole：以零极点表示的离散传递函数模型First-Order Hold：一阶采样和保持器Zero-Order Hold：零阶采样和保持器Unit Delay：一个采样周期的延时3.函数和平台模块(Function&Tables) function.mdlFcn：用自定义的函数（表达式）进行运算MATLAB Fcn：利用matlab的现有函数进行运算S-Function：调用自编的S函数的程序进行运算Look-Up Table：建立输入信号

33、的查询表（线性峰值匹配）Look-Up Table(2-D)：建立两个输入信号的查询表（线性峰值匹配） 4.数学模块（ Math ） math.mdlSum：加减运算Product：乘运算Dot Product：点乘运算Gain：比例运算Math Function：包括指数函数、对数函数、求平方、开根号等常用数学函数Trigonometric Function：三角函数，包括正弦、余弦、正切等MinMax：最值运算Abs：取绝对值Sign：符号函数 Logical Operator：逻辑运算Relational Operator：关系运算Complex to Magnitude-Angle：由

34、复数输入转为幅值和相角输出Magnitude-Angle to Complex：由幅值和相角输入合成复数输出Complex to Real-Imag：由复数输入转为实部和虚部输出Real-Imag to Complex：由实部和虚部输入合成复数输出5.非线性模块（ Nonlinear ） nonlinear.mdlSaturation：饱和输出，让输出超过某一值时能够饱和。Relay：滞环比较器，限制输出值在某一范围内变化。Switch：开关选择，当第二个输入端大于临界值时，输出由第一个输入端而来，否则输出由第三个输入端而来。Manual Switch：手动选择开关6.信号和系统模块（ Sig

35、nal&Systems ） sigsys.mdlIn1：输入端。Out1：输出端。Mux：将多个单一输入转化为一个复合输出。Demux：将一个复合输入转化为多个单一输出。Ground：连接到没有连接到的输入端。Terminator：连接到没有连接到的输出端。SubSystem：建立新的封装（Mask）功能模块7.接收器模块（ Sinks ） sinks.mdlScope：示波器。XY Graph：显示二维图形。To Workspace：将输出写入MATLAB的工作空间。To File(.mat)：将输出写入数据文件。8.输入源模块（ Sources ） sources.mdlConstant：

36、常数信号。Clock：时钟信号。From Workspace：来自MATLAB的工作空间。From File(.mat)：来自数据文件。Pulse Generator：脉冲发生器。Repeating Sequence：重复信号。Signal Generator：信号发生器，可以产生正弦、方波、锯齿波及随意波。Sine Wave：正弦波信号。Step：阶跃波信号。2.2.2 SIMULINK模型的建立过程1.建立模型窗口；2.将功能模块由模块库窗口复制到模型窗口；3.对模块进行连接，从而构成需要的系统模型。2.2.3 SIMULINK仿真过程1初始化阶段：（1） 对模型的参数进行估计，得到它们实

37、际计算的值；（2） 展开模型的各个层次；（3） 按照更新的次序对模型进行排序；（4） 确定那些显式化的信号属性，并检查每个模块是否能够接受连接它们输入端的信号；（5） 确定所有非显式的信号采样时间模块的采样时间；（6） 分配和初始化存储空间，以便存储每个模块的状态和当前值的输出。2模型执行阶段：模型仿真是通过数值积分来进行完成的，计算数值积分可以采用以下两步来进行：（1） 按照秩序计算每个模块的积分；（2） 根据当前输入和状态来决定状态的微分，得到微分矢量，然后把它返回给解法器，以计算下一个采样点的状态矢量。在每一个时间步中，SIMULINK依次解决下列问题：l 按照秩序更新模块的输出；l 按

38、照秩序更新模块的状态；l 检查模块连续状态的不连续点；l 计算下一个仿真时间的步长。第3章 扩频通信系统及PN码捕获系统模型建立第3章 扩频通信系统及PN码捕获系统模型建立3.1 引言扩频通信系统中最重要的就是伪随机码的同步，PN 码同步包括捕获和跟踪两个步骤8，是扩频通信的关键。本文主要针对捕获过程进行仿真研究。滑动相关捕获法（相位搜索法）的硬件实现最简单，在短 PN 码捕获时有很大的优势，是最简单、最实用的方法。这里借助MATLAB/SIMULINK 仿真平台构建了滑动相关法 PN 码捕获的交互可视化仿真系统，可观察仿真结果并作出分析。3.2 扩频通信系统及PN码同步的理论基础扩频通信系统

39、的原理框图如图3-1，是通过将基带信号(即信息序列)的频谱扩展到很宽的频带然后再进行传输的一种通信系统。这种通信系统需要占用的带宽比基带信号的带宽宽得多。接收高放混频解扩解调本振PN码同步信 源扩频调制PN码振荡器发射图 3-1 扩频通信系统的原理框图初看起来扩频系统似乎违反通信系统的压缩频带的设计准则，但是，信息论充分证明，使用宽带通信系统是正确的，也是解决目前无线通信中多址、抗干扰、高密级通信的较好途径。上个世纪40年代，在信息论的研究中香农得出计算信道容量的重要公式，被称为香农公式，它可以表示为： （3-1）式（3-1）中：C为系统的信道容量（bit/s）；B为系统信道带宽（Hz）；S为

40、信号的平均功率；N为噪声功率；由式中可以看出：为了提高信息的传输速率C，可以从两种途径实现，既加大带宽B或提高信噪比S/N。换句话说，当信号的传输速率C一定时，信号带宽B和信噪比S/N是可以互换的，即增加信号带宽可以降低对信噪比的要求，当带宽增加到一定程度，允许信噪比进一步降低，有用信号功率接近噪声功率甚至淹没在噪声之下也是可能的。扩频通信就是用宽带传输技术来换取信噪比上的好处，这就是扩频通信的基本思想和理论依据。香农公式表明了一个信道无误差地传输信息的能力同存在于信道中的信噪比以及用于传输信息的信道带宽之间的关系，即在高斯信道中当传输系统的信号噪声功率比下降时，可用增加系统传输带宽的办法来保

41、持信道容量C不变。对于任意给定的信号噪声功率比，可以用增大传输带宽来获得较低的信息差错率。这就是扩频通信的理论基础。扩频通信系统由于在发送端扩展了信号频谱，在接收端解扩还原了信息，这样的系统带来的好处是大大提高了抗干扰容限。理论分析表明，各种扩频系统的抗干扰性能与信息频谱扩展后的扩频信号带宽比例有关。一般把扩频信号带宽B与信息带宽F之比称为处理增益Gp，即： (3-2)B为系统信道带宽（Hz）；Gp扩频处理增益；F信息带宽；由式（3-2）可以看出，B与F差别越大，Gp越大，也就是说，扩频的增益越大。它表明了扩频系统信噪比改善的程度。除此之外，扩频系统的其他一些性能也大都与Gp有关。因此，处理增

42、益是扩频系统的一个重要性能指标。扩频处理增益提高后，抗干扰容限大大提高，甚至信号在一定的噪声湮没下也能正常通信。通常的扩频设备总是将用户信息(待传输信息)的带宽扩展到数十倍、上百倍甚至千倍，以尽可能地提高处理增益。3.2.1 伪随机码与同步的关系扩频序列编码是扩频通信系统的核心内容之一。在扩频通信中，抗干扰、抗多径、抗截获、保密、多址通信、实现同步等都与所采用的扩频序列密切相关。抗干扰、抗截获、保密、需要扩频序列的线性复杂度大，若扩频序列是平衡的，则其抗截获和保密性能更佳；抗多径需扩频序列的周期长、相关性好；多址通信需要扩频序列的族序列数多且相关性好。当一个数据码元时间长度等于扩频序列一个周期

43、时间长度，用此扩频序列作扩频码所得扩频增益即为此扩频序列周期。扩频序列周期越长，扩频增益越大。扩频序列最基本的要求是序列应具有随机性。然而，随机信号的产生、复制、控制难以实现。伪随机序列具有类似于随机信号的一些统计特性，但又是有规律的，容易产生、复制。因此，它们是扩频序列的当然选择。由扩频通信系统模型知道，系统中有一个伪随机序列发生器，它是构成扩频通信系统不可缺少的一部分。伪随机码是一种可以预先确定并可重复地产生和复制，具有类似白噪声随机统计特性的二进制码序列，简称为PN码。根据香农定理，具有白噪声统计特性的信号对充分利用信道的容量、抗各种干扰和测定距离等具有明显的优势。因此，伪随机序列具有良

44、好的抗干扰性和抗衰落能力。由于利用伪随机码信号可以实现低信噪比接收，可实现码分多址通信，具有良好的保密性，伪随机码已广泛应用于通信等领域。总的来说，理想的扩频序列应具有如下特性：1.具有尖锐的自相关函数，以利于捕获跟踪，快速实现同步；2.互相关函数接近于零，减少码间干扰，提高系统容量；3.有足够长的码周期和尽可能的复杂度，确保抗侦破、抗干扰的要求；4.有足够多的独立地址数，确保多个用户对码的需求；5.在工程上易于产生、加工、复制和实现。m序列：线性反馈移位寄存器的最大长度序列，简称m序列。m序列具有良好的伪随机性。其特点有：l.良好的平衡性。在每一个周期内，“l”和“0”出现的次数基本相等，准

45、确地说“1”的个数比“0”的个数多一个。2.满足游程特性。长度为1的游程占游程总数的1/2，长度为2的游程占游程总数的1/4，长为n-1的游程只有一个，为0的游程；长为n的游程也只有一个，为1的游程。3.具有类似白噪声的自相关函数双值自相关函数，即归一化自相关函数为：j=0； mod p (3-3 )j=1.2p-1； mod p从公式（3-3）m序列的自相关函数可以看出 ，m 序列是一个狭义伪随机码.当m序列的移位值为其周期的整数倍时，其自相关值取得最大值为，移位值取其他值时，其自相关值恒为一1。其归一化后的自相关函数如图3-2所示。-p0-3 -2 -11 2 3R(j)1pp-1归一化自

46、相关函数图 3-2 m序列自相关函数3.2.2 扩频与解扩过程扩频调制的目的是形成频谱较宽的扩频信号，经宽带放大后进行发射。接收机接收到信号后，要根据发送端采用载波调制方式和扩频码进行相应的解调和解扩处理。接收端可根据需要，选择先解调后解扩或者先解扩后解调的方式。根据发送端采用的调制方式不同，接收端的解调方式也有所不同。例如，对于采用先调制后扩频的调制的直序扩频系统，由于MSK信号的载波提取十分困难，所以，一般采用相关解调方式；而对于采用BPSK调制的系统，在接收端可选择相关解调方法，也可提取本地载波进行相干解调，下面主要讨BPSK直序扩频的数字相关解调方案。要实现正确的解扩，必须保证接收机的

47、参考扩频序列与发送端采用的扩频序列相同且同相，因此，扩频序列的同步捕获是扩频通信系统接收机的最重要组成部分。直接序列扩频（DS-Direct Sequence）的频谱扩展过程见图3-3，由上到下分别为调制后的待传信号、PN码、待传信息。调制后的待传信号PN码待传信息y/vx/t 图 3-3 调制过程解扩过程如图3-4所示，自上到下分别为原信息、PN码、调制后的接收信号。直接序列扩频就是用高码率的扩频码序列在发端直接去扩展信号的频谱，在收端直接使用相同的扩频码序列对扩展的信号频谱进行解扩，还原出原始的信息。原信息PN码调制后的接收信号y/vx/t 图 3-4 解调过程由图3-3和图3-4可以看出

48、：1.在发端，信息码经码率较高的PN码调制以后，频谱被扩展了。在收端，扩频信号经同样的PN码解调以后，信息码被恢复；2.信息码经调制、扩频传输、解调然后恢复的过程，类似与PN码进行了二次模二相加的过程；3.待传信息的频谱被扩展了以后，能量被均匀地分布在较宽的频带上，功率谱密度下降；4.扩频信号解扩以后，宽带信号恢复成窄带信息，功率谱密度上升；5.相对与信息信号，脉冲干扰只经过了一次被模二相加的调制过程，频谱被扩展，功率谱密度下降，从而使有用信息在噪声干扰中被提取出来。3.3 扩频通信系统仿真的整体架构扩频通信系统的在SIMULINK平台的总模型架构如图3-5，其中包括最核心的部分：PN码滑动相

49、关捕获子系统。图 3-5 扩频通信系统的总模型架构3.4 扩频通信系统仿真总模型架构的各部分介绍3.4.1 信源部分该仿真框图的Random Integer Generator（图3-6）是一个随机整数序列产生器，主要用于产生一个范围为O，M一1的随机整数。由于在本系统中需要的信号是一个二进制信号，因此可以将整数的范围设置为二进制，即将 M设为 2。为了便于观测结果，在这里可以将二进制数据的抽样速率设置为1（表3-1）。图 3-6 信源模块及参数选项表3-1 信源模块参数设定参数名初始参数设定M-ary number2Initial seed37Sample time1Sample per f

50、rame1M-ary 数为2表示产生包含0、1的二进制序列。Initial seed（初始状态）的设定用来得到不同的二进制序列输出，Sample time（输出采样时间）为1。3.4.2 调制部分本文采用的调制和解调手段是 BPSK基带调制和解调，分别用 BPSK Modulator Baseband与BPSK Demodulator Baseband（图3-7）实现。这两个模块的设置参数必须保持一致。传输信道可以选择高斯白噪声信道，其中的参数（表3-2）可以选择默认值。图 3-7 调制与解调模块及参数选项表3-2 调制模块参数设定参数名初始参数设定Phase offset（rad）0Samp

51、le per symbol100003.4.3 信号极型转换产生的二进制信号送入单极性信号到双极性信号转换器中（图3-8），主要是将单极性信号转换成双极性，目的是将模 2加算法变成乘法实现。参数设定见（表3-3）。图 3-8 数据类型转换模块表3-3 数据类型转换模块参数设定参数名初始参数设定M-ary number2PolarityPositive3.4.3 伪随机信号产生模块扩频系统中的伪随机序列的产生则 由SIMULINK中的 PN Sequence Generator（图3-9）功能模块产生。伪随机序列的生成多项式和初始状态可以选择默认值，或者是自己设定也行，本文为了简单选择默认值。抽

52、样速率是一个关键 ，它决定了最后信号的传输带宽，同样，为了便于观察 ，可以选择抽样时间为 0.01s。为了实现为随机序列和二进制数据的相乘，伪随机序列也要经过信号极性的变化 ，即将单极性信号变为双极性信号。Generator polynomial设置为1 0 0 1 0 1，initial states设置为0 0 0 1 0，采样周期sample time设置为0.01。可以得到周期为0.31s的PN码序列（表3-4）。 图 3-9 PN序列发生器模块表3-4 初始PN序列发生器参数设定参数名初始参数设定Generator polynomial1 0 0 1 0 1Initial state

53、s0 0 0 1 0Shift（or mask）0Sample time0.01Sample per frame1图3-10为发端PN码发生器，可产生级数为5，周期为0.31s的PN码序列。图3-11为示波器中观察到的PN码序列，可以观察PN码序列是周期性的。这个过程的第一步就是对二进制m序列进行缓冲，以将瞬时时间的单个数据转化成为块数据，缓冲由SIMULINK缓冲模块完成6。图 3-10 观察PN码波形图 3-11 示波器PN码波形由图3-11看出得到周期为0.31s的PN码序列。3.4.5 信道部分在该仿真中，由于分析的目的不同，采用的信道也分做两种，一种是常见的高斯白噪声信道，另外一种是

54、高斯白噪声瑞利多径衰弱信道。本文选用常用的加性高斯白噪声信道。其结构和参数如图3-12和表3-5所示：图 3-12 加性高斯白噪声信道表3-5 信道模块参数设定参数名初始参数设定Initial seed67Eb/No(dB)40Number of bits per symbol1Input signal power（watts）1Symbol period1高斯白噪声信道由两个零阶采样保持模块以及一个高斯白噪声信道（AWGN）模块组成，由于AWGN模块的房展输入以及输出都需为离散信号，所以在AWGN模块的两端各加上一个零阶采样保持模块以符合要求，AWGN模块的具体参数含义如下：Initial

55、seed（初始种子）：设为1237，该参数只是用来定义高斯白噪声的规律性。Mode（模式）：选择信噪比模式Signal To Noise ratio（Es/No）。Input signal power（watts）（输入信号功率/瓦）：设置为1，因为发送端的输出幅度为1.3.4.6 扩频模块该仿真系统的扩频部分也采用乘法器混频来实现（图3-13），接收端的乘法器与发送端乘法器的参数设置相同。逻辑操作部件主要完成信号和伪随机序列的异或(相乘)，将信息流与扩频码比特流结合起来 ，使信息流具有扩展码序列的数据速率，此处得到的也是二进制数据，不过是双极性的，为了实现二进制数据的调制，因此要将单极性的数

56、据变换成双极性的数据。其参数设定见表3-6。图 3-13 乘法器模块表3-6 乘法器模块参数设定参数名初始参数设定Number of input2Sample time-13.4.7 解调部分解调之后送出的信号再与扩频系统的伪随机序列相异或，即可得到原始的信息流，其中的数据极性变换同前面的极性变换的原理是一样的。3.4.8 结果分析部分 仿真结果分析部分如图3-14，由误码率计算仪模块、显示器、和示波器组成，其误码率计算仪参数设定见表3-7。其中最重要的参数是Receive delay 的设定，只有设定合适的延时才能正确计算误码率。通过观察发、收两端的波形对比，可以得出收端的延时大约为一个码元

57、周期，所以此参数设定为1。 图 3-14 误码计算模块表3-7 误码计算模块参数设定参数名初始参数设定Positive delay1Computation delay0Output dataPort3.5 滑动相关捕获子系统构建3.5.1捕获原理PN 码序列的捕获是指接收机在开始接收扩频信号时，调整接收机的本地扩频 PN 码序列的相位，使它与接收的扩频 PN 码序列相位基本一致，即接收机捕捉接收到的 PN 码序列的相位，称为扩频 PN 序列的初始同步。接收系统在搜索同步时，它的码序列发生器与发射机码序列发生器不同的速率工作，致使这两个码序列在相位上互相滑动，只有在达到一致点时，才停下来，因此也

58、称之为滑动相关法9，10。滑动相关法捕获法原理11如图3-15所示。接收的信号与本地PN 码相乘后积分，得到它们的互相关值，然后与门限检测器的某一门限值比较，判断是否已捕获到有用信号。它利用了 PN 码序列的相关性，当两个相同的码序列相位一致时，其相关值输出最大。一旦确认捕获完成，捕获指示信号的同步脉冲控制相位搜索控制时钟，调整本地 PN 码发生器产生的 PN 码，使之重复频率和相位，从而与收到的发端PN信号保持同步。3.5.2 滑动相关子系统模型图3-15为滑动相关捕获法的原理框图，简明阐述了滑动相关捕获的捕获思想，即通过相位的滑动，使相位差缩小，从而通过相关运算、积分判决来完成PN码的捕获

59、。滑动相关捕获法（相位搜索法） 的PN 码捕获的仿真模型如图3-16所示，仿真平台选择 MATLAB/SIMULINK，使仿真简单直观12。捕获过程是接收信号码序列（已扩频）与本地产生的 PN 码序列（由本地 PN码产生器产生）单双极性变换后相乘，通过积分判决模块（累加判决模块），输出控制信号，控制本地 PN 码产生子系统的时钟，调整本地 PN 码的相位。直至本地 PN 码与接收的 PN 码相位相同或者相差比较小，则认为 PN 码已经捕获。该仿真系统采用的PN 码是 5 级 m 序列，周期为 31 个码片长度，码速率是 100Hz。接收信号乘法器0-TD积分器门限比较器相位搜索控制扩频码发生器

60、门限值=门限值已捕获门限值图 3-15 滑动相关捕获法原理框图图 3-16 滑动相关捕获模型架构3.5.3 本地可控PN码产生子系统收端PN码发生器由5个D触发器构成(如图3-17所示) 。由于触发器的初始状态无法确定，这里用阶跃信号辅助构成，使其初始状态为0 0 0 0 1。图3-18为本地PN码输出信号波形。图 3-17 本地（可变）PN码产生模块图 3-18 本地PN序列本地可控PN码产生子系统中最重要的模块是阶跃信号模块，其具体的参数设置如表格3-8。表3-8 阶跃模块参数设定参数名初始参数设定Step time0.01Initial value0Final value1Sample time0.013.5