基于MATLABGUI的Costas環(huán)性能演示軟件實現(xiàn)學(xué)士學(xué)位論文

1、分類號：分類號：td65+5.2td65+5.2 u d c：d10621-408-d10621-408-（20102010） 0481-00481-0 密密 級：公級：公 開開 編編 號：號：20060210862006021086 成成 都都 信信 息息 工工 程程 學(xué)學(xué) 院院 學(xué)學(xué) 位位 論論 文文 基于基于 matlabmatlab guigui 的的 costascostas 環(huán)性能演示軟件實現(xiàn)環(huán)性能演示軟件實現(xiàn) 論文作者姓名：論文作者姓名： 申請學(xué)位專業(yè)：申請學(xué)位專業(yè)：電子信息工程電子信息工程 申請學(xué)位類別：申請學(xué)位類別：工學(xué)學(xué)士工學(xué)學(xué)士 指指導(dǎo)導(dǎo)教教師師姓姓名名（職職稱稱） ：

2、論文提交日期：論文提交日期： 獨 創(chuàng) 性 聲 明 本人聲明所呈交的學(xué)位論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作 及取得的研究成果。據(jù)我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方 外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含為 獲得成都信息工程學(xué)院或其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過的材料。 與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確 的說明并表示謝意。 簽名： 日期： 年 月 日 關(guān)于論文使用授權(quán)的說明 本學(xué)位論文作者完全了解成都信息工程學(xué)院有關(guān)保留、使用學(xué)位 論文的規(guī)定，有權(quán)保留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和 磁盤，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)成都信息工程學(xué)

3、院可以將學(xué) 位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，可以采用影印、 縮印或掃描等復(fù)制手段保存、匯編學(xué)位論文。 （保密的學(xué)位論文在解密后應(yīng)遵守此規(guī)定） 簽名： 日期： 年 月 日 畢業(yè)設(shè)計（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權(quán)說明畢業(yè)設(shè)計（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權(quán)說明 原創(chuàng)性聲明原創(chuàng)性聲明 本人鄭重承諾：所呈交的畢業(yè)設(shè)計（論文），是我個人在指導(dǎo)教師的 指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的成果。盡我所知，除文中特別加以標(biāo)注 和致謝的地方外，不包含其他人或組織已經(jīng)發(fā)表或公布過的研究成果， 也不包含我為獲得 及其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或?qū)W歷而使用過 的材料。對本研究提供過幫助和做出過貢獻(xiàn)的個人或集體，均已在文中 作了

4、明確的說明并表示了謝意。 作 者 簽 名： 日 期： 指導(dǎo)教師簽名： 日期： 使用授權(quán)說明使用授權(quán)說明 本人完全了解 大學(xué)關(guān)于收集、保存、使用畢業(yè)設(shè)計（論文） 的規(guī)定，即：按照學(xué)校要求提交畢業(yè)設(shè)計（論文）的印刷本和電子版本； 學(xué)校有權(quán)保存畢業(yè)設(shè)計（論文）的印刷本和電子版，并提供目錄檢索與 閱覽服務(wù)；學(xué)?？梢圆捎糜坝　⒖s印、數(shù)字化或其它復(fù)制手段保存論文； 在不以贏利為目的前提下，學(xué)?？梢怨颊撐牡牟糠只蛉績?nèi)容。 作者簽名： 日 期： 學(xué)位學(xué)位論論文原文原創(chuàng)創(chuàng)性聲明性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨立進(jìn)行研究 所取得的研究成果。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本論文不包

5、含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。對本文的研究做 出重要貢獻(xiàn)的個人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本人完全意識 到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。 作者簽名： 日期： 年 月 日 學(xué)位學(xué)位論論文版文版權(quán)權(quán)使用授使用授權(quán)書權(quán)書 本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同 意學(xué)校保留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允 許論文被查閱和借閱。本人授權(quán) 大學(xué)可以將本學(xué)位論文 的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃 描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。 涉密論文按學(xué)校規(guī)定處理。 作者簽名：日期： 年 月 日 導(dǎo)師簽名： 日期： 年 月 日 基

6、于基于 matlabmatlab guigui 的的 costascostas 環(huán)性能演示軟件實現(xiàn)環(huán)性能演示軟件實現(xiàn) 摘摘 要要 costas 環(huán)是用來解調(diào)雙邊帶抑制載波信號的，也是二相或四相移相鍵控信號 解調(diào)的專用環(huán)路，如果使用碼反轉(zhuǎn)調(diào)制，則它是一種最好的選擇方案，科斯塔斯 的工作頻率就是載波頻率。costas 環(huán)路作為一種通用的 bpsk 載波恢復(fù)方法，其 實質(zhì)是一個負(fù)反饋電路，從而決定了它具有使本地載波的相位或頻率與信號載波 保持一致的能力。costas 環(huán)有許多優(yōu)良的特性，如：載波跟蹤特性、調(diào)制跟蹤特 性等，但是傳統(tǒng)模擬 costas 環(huán)路因為存在同相支路和正交支路不平衡性及不可 避免

7、的零點漂移，均使環(huán)路的性能受到影響，同時模擬的 costas 環(huán)路調(diào)試?yán)щy， 而采用全數(shù)字的實現(xiàn)方式可以很好地解決以上問題。 本文采取了兩種方式來實現(xiàn)costas環(huán)載波的跟蹤，一是直接采用matlab軟件 編程，通過手動改寫參數(shù)的值來觀察載波的跟蹤情況，另一種方法是在matlab gui圖形用戶界面中進(jìn)行仿真，通過拖動實信號頻率和信噪比的拖動條來觀察載 波跟蹤情況。通過兩種方式的比較，圖形結(jié)果一致，達(dá)到了實驗的預(yù)期結(jié)果和目 的。 關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：matlab gui；costas 環(huán)；載波跟蹤 performance presentation software for costas loop b

8、ased on matlab gui abstract costas loop is the exclusive loop to decode bsb(bothe side-band) inhibition carrier signals and psk(phase shifting keying) signals like two-phase or four-phase ones. it will be a best choice if codes are demodulated in reverse, because costas loop works in carrier frequen

9、cy. as a universal way to regain bpsk carrier waves, costas loop is substantially a degenerative circuit, enable it to reconcile the local carrier waves phase or frequency with carrier signal. it has many good properties such as carrier tracking, demodulation tracking, etc. however, there exists un-

10、balance between in phase circuit branches and orthogonal ones as well as unavoidable zero drift in traditional analog costas loop, so that those properties are affected. meanwhile, it is difficult for analog costas loop to demodulate, while the digital costas loop can figure out the above problems b

11、etter. this text adopts two ways to realize the tracking of carrier ware for costas loop.the first method is to program with the software system of matlab,by altering the value of parameter to observe the situation which the tracking of carrier ware.an alternative method is to simulate during the ma

12、tlab gui, by driving the value of real signal frequency and snr to observe the situation which the tracking of carrier ware.finally,compare with the two ways,the graph results are consistent.so,the research achive the expected result and objective. key words: matlab ; costas loop；carrier tracking 目目

13、 錄錄 1引言.1 1.1背景和意義.1 1.2本課題研究的意義.1 1.3擴(kuò)頻技術(shù)的現(xiàn)狀.2 1.4論文結(jié)構(gòu)安排.2 2擴(kuò)頻通信.3 2.1擴(kuò)頻通信技術(shù).3 2.2擴(kuò)頻通信原理.3 2.2.1鎖相環(huán)解調(diào)原理.5 2.2.2載波同步.6 2.3costas鎖相環(huán).7 3gui 圖形界面.10 3.1圖形用戶界面（gui）的優(yōu)勢 .10 3.2gui 界面簡述.10 3.2.1gui 的特點.11 3.3圖形用戶界面（gui）設(shè)計 .11 3.3.1gui 設(shè)計原理.11 3.3.2圖形用戶界面設(shè)計窗口.11 4基于 matlb gui 的 costas 環(huán)性能演示.14 4.1基本思路.14

14、5效果圖及分析.14 5.1costas環(huán)性能分析.14 5.1.1信噪比系數(shù)影響.15 5.1.2實際信號頻率參數(shù)影響.16 5.2gui 的 costas環(huán)的設(shè)計窗口 .18 6結(jié)論.20 參考文獻(xiàn).22 致 謝.23 附 錄.24 1引言引言 1.1 背景和意義 所謂擴(kuò)展頻譜技術(shù)（簡稱擴(kuò)頻技術(shù)）一般是指用比信號帶寬寬得多的頻帶寬 度來傳輸信息的技術(shù)。為了擴(kuò)展發(fā)射信號的頻譜，可能使用不同技術(shù)對所傳的信 息進(jìn)行處理，從而產(chǎn)生了不同的擴(kuò)頻調(diào)制類型。costas 不僅能提取載波，而且能 解調(diào)信息，用相乘器實現(xiàn)了非線性作用，使用了正交兩路的誤差信息，工作頻率 是載波頻率本身，當(dāng)頻率較高時易于實現(xiàn)，

15、是直接提取載波的一種，發(fā)端不專門 發(fā)送導(dǎo)頻，效率比較高。 擴(kuò)頻通信是通信的一個重要分支和信道通信系統(tǒng)的發(fā)展方向。擴(kuò)頻技術(shù)具有 抗干擾能力強(qiáng)、保密性好、易于絲線多址通信等優(yōu)點，因此該技術(shù)越來越受到人 們的重視。近年來，隨著超大規(guī)模集成電路技術(shù)、微處理技術(shù)的飛速發(fā)展，以及 一些新興元器件的應(yīng)用，擴(kuò)頻通信在技術(shù)上已邁上了一個新的臺階，不僅在軍事 通信中占有重要地位，而且正在迅速地滲透到了個人通信和計算機(jī)通信等民用領(lǐng) 域，成為新世紀(jì)最有潛力的通信技術(shù)之一。為了適應(yīng)市場的發(fā)展和需要，例如移 動通信、衛(wèi)星通信的迅速發(fā)展和通信設(shè)備的進(jìn)一步向便捷化、多功能化、全數(shù)字 化和高集成化及器件組合化、功能集成化的發(fā)展

16、進(jìn)程，擴(kuò)頻技術(shù)也得到了很大的 重視，因為它也是實現(xiàn)借條信號重要因素。因此，發(fā)展擴(kuò)頻技術(shù)是當(dāng)前十分熱門 的研究課題，具有很大的發(fā)展?jié)摿?，也具有十分重要的研究意義。 costas 能提取載波，用相乘器實現(xiàn)了非線性作用，使用了正交兩路的誤差信 息，工作頻率是載波頻率本身，當(dāng)頻率較高時易于實現(xiàn)，是直接提取載波的一種， 發(fā)送端不專門發(fā)送導(dǎo)頻，效率比較高。 1.2 本課題研究的意義 隨著對擴(kuò)頻通信制備和物理特性等研究的深入,擴(kuò)頻技術(shù)不進(jìn)在軍事、天線測 量中應(yīng)用廣泛，而且在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中也得到了非常廣泛的重視，科斯塔斯環(huán)解調(diào)是 擴(kuò)頻技術(shù)中的重要組成部分。同樣，科斯塔斯環(huán)也存在相位含糊問題，初看來這 種方法中沒有

17、二分頻器，似乎沒有含糊的問題，但仔細(xì)分析起來同樣存在相位含 糊的問題。 1.3 擴(kuò)頻技術(shù)的現(xiàn)狀 頻譜擴(kuò)展的方式主要有以下幾種：直序擴(kuò)頻(dsss)使用高速偽隨機(jī)碼對要傳 輸?shù)牡退贁?shù)據(jù)進(jìn)行擴(kuò)頻調(diào)制；跳頻系統(tǒng)則利用偽隨機(jī)碼控制載波頻率在一個更寬 的頻帶內(nèi)變化；跳時則是數(shù)據(jù)的傳輸時隙是偽隨機(jī)的；線性調(diào)頻系統(tǒng)中的頻率擴(kuò) 展則是一個線性變化的過程。幾種方式組合的混合系統(tǒng)也經(jīng)常得到應(yīng)用。 衡量擴(kuò)頻系統(tǒng)最重要的一個指標(biāo)就是擴(kuò)頻增益，又稱為處理增益。正是因為 擴(kuò)頻系統(tǒng)本身具有的特征使其性能具有一系列的優(yōu)勢：低截獲概率；抗干擾 能力強(qiáng)；高精度測距；多址接入；保密性強(qiáng)。也正是這些特性使其獲得了 廣泛的應(yīng)用。 擴(kuò)頻

18、技術(shù)由于其本身具備的優(yōu)良性能而得到廣泛應(yīng)用，到目前為止，其最主 要的兩個應(yīng)用領(lǐng)域仍是軍事抗干擾通信和移動通信系統(tǒng),而跳頻系統(tǒng)與直擴(kuò)系統(tǒng)則 分別是在這兩個領(lǐng)域應(yīng)用最多的擴(kuò)頻方式。一般而言，跳頻系統(tǒng)主要在軍事通信 中對抗故意干擾，在衛(wèi)星通信中也用于保密通信，而直擴(kuò)系統(tǒng)則主要是一種民用 技術(shù)。 對跳頻系統(tǒng)的分析，現(xiàn)在仍集中在其對抗各種干擾的性能方面，如對抗部分 邊帶干擾以及多頻干擾等。而直擴(kuò)系統(tǒng)，即 ds-cdma 系統(tǒng)，在移動通信系統(tǒng)中 的應(yīng)用則成為擴(kuò)頻技術(shù)的主流。歐洲的 gsm 標(biāo)準(zhǔn)和北美的以 cdma 技術(shù)為基礎(chǔ) 的 is-95 都在第二代移動通信系統(tǒng)（2g）的應(yīng)用中取得了巨大的成功。而在目前

19、 所有建議的第三代移動通信系統(tǒng)（3g）標(biāo)準(zhǔn)中（除了 edge）都采用了某種形式 的 cdma。因此 cdma 技術(shù)成為目前擴(kuò)頻技術(shù)中研究最多的對象，其中又以碼 捕獲技術(shù)和多用戶檢測（mud）技術(shù)代表了目前擴(kuò)頻技術(shù)研究的現(xiàn)狀。 1.4 論文結(jié)構(gòu)安排 論文的結(jié)構(gòu)安排如下: 本論文所完成的任務(wù)是對基于matlab gui 的costas 環(huán)性能演示軟件實現(xiàn) 的設(shè)計方法進(jìn)行研究，并對擴(kuò)展頻譜信號的解擴(kuò)和解調(diào)的研究并實行解調(diào)，在此 基礎(chǔ)上進(jìn)行修改，并且運(yùn)用工具軟件進(jìn)行仿真與優(yōu)化，得到最后跟蹤結(jié)果，本論 文在總體結(jié)構(gòu)上共分為5章。 第1章引言，本章主要介紹了擴(kuò)頻通信的背景和意義，以及它的現(xiàn)狀。 第2章擴(kuò)頻

20、通信，主要介紹了擴(kuò)頻技術(shù)及costas環(huán)的原理、基礎(chǔ)知識及其發(fā)展。 第3章gui圖形界面，簡要介紹gui的優(yōu)勢及其窗口的創(chuàng)建。 第4章基于matlab gui 的costas環(huán)性能演示的設(shè)計與仿真，本章以上兩章 的設(shè)計成果為基礎(chǔ)，設(shè)計gui 圖形界面接口，并對模型進(jìn)行仿真優(yōu)化。并進(jìn)行效 果圖分析，將得出的結(jié)果與普通結(jié)構(gòu)解調(diào)器進(jìn)行比較，總結(jié)出costas環(huán)的優(yōu)點。 第5章總結(jié)，對全文進(jìn)行總結(jié)，概括本論文的目的和內(nèi)容。 2擴(kuò)頻通信 2.1 擴(kuò)頻通信技術(shù) 擴(kuò)頻通信，即擴(kuò)展頻譜通信技術(shù)，它的基本特點是傳輸信息所用信號的帶寬 遠(yuǎn)大于信息本身的帶寬。除此以外，擴(kuò)頻通信還有如下特征： (1)、數(shù)字傳輸方式；

21、 (2)、帶寬的展寬是利用與被傳信息無關(guān)的函數(shù)（擴(kuò)頻函數(shù)）對被傳信息進(jìn) 行調(diào)制實現(xiàn)的； (3)、在接收端使用相同的擴(kuò)頻函數(shù)對擴(kuò)頻信息進(jìn)行相關(guān)解調(diào)，還原出被傳 信息。 2.2 擴(kuò)頻通信原理 由圖2-1可見，一般的無線擴(kuò)頻通信系統(tǒng)都要進(jìn)行三次調(diào)制。一次調(diào)制為信 息調(diào)制，二次調(diào)制為擴(kuò)頻調(diào)制，三次調(diào)制為射頻調(diào)制。接收端有相應(yīng)的射頻解調(diào)， 擴(kuò)頻解調(diào)和信息解調(diào)。根據(jù)擴(kuò)展頻譜的方式不同，擴(kuò)頻通信系統(tǒng)可分為：直接序 列擴(kuò)頻（ds） 、跳頻（fh） 、跳時（th） 、線性調(diào)頻以及以上幾種調(diào)頻的組合5。 圖2-1 擴(kuò)頻通信原理 擴(kuò)頻通信技術(shù)在發(fā)端以擴(kuò)頻編碼進(jìn)行擴(kuò)頻調(diào)制，在收端以相關(guān)解調(diào)技術(shù)收信， 這一過程使其具有

22、諸多優(yōu)良特性： 1、 抗干擾性能好：它具有極強(qiáng)的抗人為寬帶干擾、窄帶瞄準(zhǔn)式干擾、中繼 轉(zhuǎn)發(fā)式干擾的能力，有利于電子反對抗。如果再采用自適應(yīng)對消、自適應(yīng)天線、 自適應(yīng)濾波，可以使多徑干擾消除，這對軍用和民用移動通信是很有利的。 2、隱蔽性強(qiáng)、干擾小：因信號在很寬的頻帶上被擴(kuò)展，則單位帶寬上的功 率很小，即信號功率譜密度很低。信號淹沒在白噪聲之中，別人難于發(fā)現(xiàn)信號的 存在，再加之不知擴(kuò)頻編碼，就更難拾取有用信號。而極低的功率譜密度，也很 少對其它電訊設(shè)備構(gòu)成干擾。擴(kuò)頻通信技術(shù)把被傳送的信號帶寬展寬，從而降低 了系統(tǒng)在單位頻帶內(nèi)的電波“通量密度” ，這對空間通信大有好處。國際無線電 咨詢委員會及國際

23、電信聯(lián)盟規(guī)定了空間通信系統(tǒng)在地面上產(chǎn)生“通量密度”的國 際標(biāo)準(zhǔn)，以防止對地面通信的干擾。例如規(guī)定在 s 波段內(nèi)每 4khz 頻帶內(nèi)“通量 密度”為-154db/m2。 3、易于實現(xiàn)碼分多址：擴(kuò)頻通信占用寬帶頻譜資源通信，改善了抗干擾能 力，是否浪費(fèi)了頻譜資源呢？其實正相反，是提高了頻帶的利用率。正是由于擴(kuò) 頻通信要用擴(kuò)頻編碼進(jìn)行擴(kuò)頻調(diào)制發(fā)送，而信號接收需要用相同的擴(kuò)頻編碼之間 的相關(guān)解擴(kuò)才能得到，這就給頻率復(fù)用和多址通信提供了基礎(chǔ)。充分利用不同碼 型的擴(kuò)頻編碼之間的相關(guān)特性，分配給不同用戶不同的擴(kuò)頻編碼，就可以區(qū)別不 同用戶的信號，眾多用戶，只要配對使用自己的擴(kuò)頻編碼，就可以互不干擾地同 時使

24、用同一頻率通信，從而實現(xiàn)了頻率復(fù)用，使擁擠的頻譜得到充分的利用。 4、數(shù)模兼容：可以傳輸數(shù)字信號，也可以傳輸模擬信號。 常規(guī)的無線電通信是在頻率上分配（稱為頻分）或從時間上分配（稱為時分） 給通信用戶，使之在頻段上或時間上互不相同，以使彼此互不干擾共用頻譜資源。 擴(kuò)頻通信是以各用戶使用不同的擴(kuò)頻編碼來共用同一頻率。采用擴(kuò)頻通信多址方 式的頻譜利用率高于采用頻分多址方式的頻譜利用率。而且擴(kuò)頻碼分多址還易于 解決增加新用戶的問題。 2.2.1鎖相環(huán)解調(diào)原理 環(huán)路正常鎖定后，costas 環(huán)可直接獲得解調(diào)輸出，而平方環(huán)則沒有這種功能。 圖 2-2 是鎖相環(huán)解調(diào)器解調(diào)已被接擴(kuò)后的中頻 psk 信號的原

25、理圖23。 圖 2-2 鎖相環(huán)解調(diào)器原理圖 輸入到鎖相環(huán)解調(diào)器 a 點的信號為，經(jīng)鎖相環(huán)鎖定且同步了 i costta 的壓控振蕩器（vco）輸出（）相乘，濾波器輸出為。在二cost i b costab 進(jìn)制移相鍵控信號中，當(dāng)時，符號檢測器輸出“1”碼；當(dāng)時， t0 t 符號檢測器輸出“0”碼，這樣基帶數(shù)字信號恢復(fù)出來了。 如果鎖相環(huán)跟蹤輸入信號的頻率而不是它的相位，它就變成了一個調(diào)頻解調(diào) 器或 fsk 解調(diào)器，再稍加擴(kuò)展就可構(gòu)成為一個相干調(diào)幅檢測器。如圖 2-2 所示， 虛線上部為調(diào)頻信號（或 fsk）解調(diào)器，虛線下部是附加電路的輸出振幅信號的 解調(diào)器。當(dāng)環(huán)路鎖定時，輸入信號與壓控振蕩器（

26、vco）信號相差。在附加90 電路中，移相器把壓控振蕩器輸出信號再相移 送到第二個鑒相器。經(jīng)一項后 2 的信號就與輸入信號同相，兩個信號相乘的結(jié)果，在低通濾波器后的輸出就是所 要求的振幅信號 a；而未加附加電路的鎖相環(huán)解調(diào)器從 p 點輸出調(diào)頻信息。 t 解調(diào)振幅信息時，為已知值；解調(diào)調(diào)頻信息時 a 為已知值。 t 圖 2-3 調(diào)頻信號鎖相環(huán)解調(diào)器和附加有完成振幅相干解調(diào)器原理圖 盡管在基帶解調(diào)器之前的相關(guān)解擴(kuò)過程中，對輸入到擴(kuò)頻接收機(jī)的各種干擾 已進(jìn)行了處理，但解調(diào)器之前的中頻濾波是帶通型的，落到銅帶內(nèi)的噪聲和干擾 信號，必然要進(jìn)入解調(diào)器中，環(huán)路在有干擾條件下能否完成最佳解調(diào)任務(wù)，取決 于鎖相

27、環(huán)路的參數(shù)和部件的設(shè)計。 2.2.2載波同步 載波同步是指在相干解調(diào)時，接收端需要獲得一個與發(fā)送端同頻同相的相干 載波。這個載波的獲取稱為載波提取或載波同步。 圖 2-4 載波同步 載波同步的方法可分為：插入導(dǎo)頻法和直接法。直接法也稱自同步法。這種 方法是設(shè)法從接收信號中提取同步載波。直接法可分為：平方變換法、平方環(huán)法 和 costas 環(huán)法。而平方變換法和平方環(huán)法存在很大的問題： 1、載波提取的方框圖中用了一個二分頻電路，由于分頻器點的不確定性，使其 輸出的載波相對于接收信號相位有的相位模糊。180 2、相位模糊對模擬通信關(guān)系不大，因為人耳聽不出相位的變化。 3、相位模糊對數(shù)字通信的影響有可

28、能使2psk相干解調(diào)后出現(xiàn)“反向工作”的問 題，克服相位模糊度對相干解調(diào)影響的最常用而又有效的方法使采用相對移 相（2dpsk） ，并且在解調(diào)后進(jìn)行差分譯碼恢復(fù)信息。 costas 環(huán)中，壓控振蕩器（vco）提供兩路互為正交的載波，與輸入接收信 號分別在同相和正交兩個鑒相器中進(jìn)行鑒相，經(jīng)低通濾波之后的輸出均含調(diào)制信 號，兩者相乘后可以消除調(diào)制信號的影響，經(jīng)環(huán)路濾波器得到僅與相位差有關(guān)的 控制壓控，從而準(zhǔn)確地對壓控振蕩器進(jìn)行調(diào)整。 2.3 costas鎖相環(huán) 該方法也稱同相正交環(huán) 法，加于兩個相乘器的本地信號分別為壓控振蕩器 器的輸出信號和它的正交信號，一般設(shè)置為與要提取的cost r sint

29、 r 載波頻率非常接近的頻率值，因此通常稱這種環(huán)路為同相正交環(huán)，有時也稱這種 環(huán)路為科斯塔斯（costas）環(huán)。通信系統(tǒng)中常使用多相位移相調(diào)制，同樣可以使 用多項 costas 環(huán)的方法實現(xiàn)載波信號的提取。 圖 2-5 costas 鎖相環(huán)原理圖 科斯塔斯的基本結(jié)構(gòu)圖如圖 2-5 所示，它類似圖 2-3 有附加電路的普通鎖相 環(huán)，而且在某些方面這兩者確實一樣，壓控振蕩器（vco）也用來產(chǎn)生載波參考 信號，它與輸入信號同相相乘及相移再相乘，相乘器再經(jīng)過低通濾波器輸出。90 它們的差別在于增加了第三個相乘器，而兩路低通濾波器的輸出都加到第三個相 乘器上，用它的輸出經(jīng)環(huán)路濾波后去控制環(huán)路的壓控振蕩器

30、1。 先不考慮噪聲時，輸入信號為（雙向調(diào)制）加到 i 和 q 兩個 s costa 相乘器，它們分別和環(huán)路 vco 產(chǎn)生的和相乘，則這costa sinta 兩個相乘器輸出，對 i 相乘器為 1 (2-1) es coscos 2 2 a t 對 q 相乘器為 (2-2) es sincos 2 2 a t 其中，當(dāng)它們通過低通濾波器后，就變?yōu)楹汀?es e cos 2 a e sin 2 a 這兩個包含相移鍵控信息和載波相位的信號再加到第三個相乘器相乘就得到 ，并經(jīng)過濾波之后，這個信號就用來校正環(huán)路 vco 的振蕩頻率和相位， 2 e sin2 8 a 使它跟蹤輸入載波（實際上沒有輸入載波信

31、號，科斯塔斯解調(diào)器的目的正是用于 教條雙邊帶抑制載波信號） 。 信息可以從兩個地方得到，這取決于調(diào)制方法，有數(shù)據(jù)傳輸產(chǎn)生的 psk 信息 在相乘器 i 的數(shù)據(jù)濾波器的輸出端得到；調(diào)制信息由環(huán)路內(nèi)低通濾波器輸出端得 到?？扑顾弓h(huán)沒有幅度輸出，也不能得到“存在信號” “鎖定”或相干自動增 益控制信號。濾波器 i 的輸出為，當(dāng)很小時，輸出等于，而 e cos 2 a e 2 a 就是所要的二進(jìn)制信號，要著重指出的是，這時環(huán)路不知道，也無法知道哪 2 a 個是“1”碼，哪個是“0”碼。因此必須使用本身不會模糊的 dpsk 或確定性比 特字傳輸調(diào)制方式?？扑顾弓h(huán)性能超過一般鎖相環(huán)的主要優(yōu)點是它能夠解

32、調(diào)相 移鍵控和抑制了載波的信號12。 科斯塔斯環(huán)又稱“i-q”環(huán)，它在噪聲性能上與平方環(huán)完全等效，為說明這一 點，我們采用與平方環(huán)一樣的分析方法。在考慮噪聲對環(huán)路影響時，我們假設(shè)輸 入到環(huán)路的信號為 (2-3) 0s 1 ( )( )coss tatt c 加性窄帶噪聲為 (2-4) c0s0s ncosnsinn ttttt 在的作用下，圖 2-5 中，相乘器 i 的輸出經(jīng)低通濾波器后為； s tn t i z i u 相乘器 q 的輸出為，經(jīng)低通濾波器后輸出的。和在第三個相乘器相 q z q u i u q u 乘輸出為。如同平方環(huán)一樣的分析方法，鑒相器 i 的輸出為 d t e (2-5

33、) 0 cos i zts tn tt 經(jīng)低通濾波器后成為 (2-6) csss 1 11 tncosnsin 22 ui attt c 同理 (2-7) 0 zsin q ts tn tt (2-8) ss 1 11 usincos 22 qcs tatntnt c 第三個相乘器輸出為 2 sscs 1 2 s 11 sin2nncos2 1c 84 1 sin2 s 8 n n d ttatt t att ecc (2-9) 3gui圖形界面 3.1 圖形用戶界面（gui）的優(yōu)勢 matlab是當(dāng)今科研領(lǐng)域最常用的應(yīng)用軟件之一，它具有強(qiáng)大的矩陣計算、符 號運(yùn)算和數(shù)據(jù)可視化功能，是一種簡單易

34、用、可擴(kuò)展的系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境和平臺。 matlab gui設(shè)計使讀者不必深入掌握面向?qū)ο蟮木幊陶Z言，也能設(shè)計出精美 的人機(jī)界面。與visual c+相比，matlab gui具有學(xué)習(xí)起點低（只需要了解 matlab的基本操作和c語言的基礎(chǔ)知識）、易學(xué)易懂、開發(fā)周期短的優(yōu)點，設(shè)計 出來的界面，完全可與visual c+編寫的界面媲美。 縱觀國際相關(guān)產(chǎn)業(yè)在圖形化用戶界面設(shè)計方面的發(fā)展現(xiàn)狀，許多國際知名公 司早已意識到 gui 在產(chǎn)品方面產(chǎn)生的強(qiáng)大增值功能，以及帶動的巨大市場價值， 因此在公司內(nèi)部設(shè)立了相關(guān)部門專門從事 gui 的研究與設(shè)計，同業(yè)間也成立了 若干機(jī)構(gòu)，以互相交流 gui 設(shè)計理論與經(jīng)驗為

35、目的。隨著中國 it 產(chǎn)業(yè)，移動 通信產(chǎn)業(yè)，家電產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，在產(chǎn)品的人機(jī)交互界面設(shè)計水平發(fā)展上日顯滯 后，這對于提高產(chǎn)業(yè)綜合素質(zhì)，提升與國際同等業(yè)者的競爭能力等等方面無疑起 了制約的作用。 3.2 gui界面簡述 gui是graphical user interface 圖形用戶界面的意思，像很多高級編程語 言一樣，matlab也有圖形用戶界面開發(fā)環(huán)境，隨著計算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，人與 計算機(jī)的通信方式也發(fā)生的很大的變化，從原來的命令行通信方式（例如很早的 dos系統(tǒng)）變化到了現(xiàn)在的圖形界面下的交互方式，而現(xiàn)在絕大多數(shù)的應(yīng)用程序 都是在圖形化用戶界面下運(yùn)行的6。 gui是實現(xiàn)人機(jī)交互的中介，

36、可以通過它實現(xiàn)數(shù)據(jù)的輸入，處理和輸出。 matlab實現(xiàn)了一個專門的gui設(shè)計工具-guide，使用該工具，可以快速完成gui 設(shè)計任務(wù)。如輸出gui,使用guide編輯器創(chuàng)建gui編程,gui能自動生成一個控制 gui如何操作的m文件。 3.2.1gui的特點 gui的廣泛應(yīng)用是當(dāng)今計算機(jī)發(fā)展的重大成就之一，他極大地方便了非專業(yè) 用戶的使用人們從此不再需要死記硬背大量的命令，取而代之的是可以通過窗口、 菜單、按鍵等方式來方便地進(jìn)行操作。而嵌入式gui具有下面幾個方面的基本要 求：輕型、占用資源少、高性能、高可靠性、便于移植、可配置等特點。除此之 外，gui還有以下有點： （1） 減少用戶的認(rèn)

37、知負(fù)擔(dān) （2） 保持界面的一致性 （3） 滿足不同目標(biāo)用戶的創(chuàng)意需求 （4） 用戶界面友好性 （5） 圖標(biāo)功能的一致性 （6） 建立界面與用戶的互動交流 （7） 圖標(biāo)識別平衡性 3.3 圖形用戶界面（gui）設(shè)計 3.3.1gui設(shè)計原理 （1） 設(shè)計gui （2） gui編程：創(chuàng)建gui、打開gui m文件、在回調(diào)函數(shù)間共享數(shù)據(jù)、在初 始化函數(shù)中添加代碼、在回調(diào)中添加代碼。 3.3.2圖形用戶界面設(shè)計窗口 1、matlab的用戶界面設(shè)計工具共有6個，它們是： (1) 圖形用戶界面設(shè)計窗口：在窗口內(nèi)創(chuàng)建、安排各種圖形對象。 (2) 菜單編輯器(menu editor)：創(chuàng)建、設(shè)計、修改下拉式菜

38、單和快捷菜單。 (3) 對象屬性查看器(property inspector)：可查看每個對象的屬性值，也 可修改設(shè)置對象的屬性值。 (4) 位置調(diào)整工具(alignment tool)：可利用該工具左右、上下對多個對象 的位置進(jìn)行調(diào)整。 (5) 對象瀏覽器(object browser)：可觀察當(dāng)前設(shè)計階段的各個句柄圖形對 象。 (6) tab順序編輯器(tab order editor)：通過該工具，設(shè)置當(dāng)用戶按下鍵 盤上的tab鍵時，對象被選中的先后順序。 2、gui設(shè)計模板 在mtalab主窗口中，選擇file菜單中的new菜單項，再選擇其中的gui命令， 就會顯示圖形用戶界面的設(shè)計模

39、板。mtalab為gui設(shè)計一共準(zhǔn)備了4種模板，分別 是blank gui（默認(rèn)）、gui with uicontrols（帶控件對象的gui模板）、gui with axes and menu（帶坐標(biāo)軸與菜單的gui模板）與modal questions dialog（帶模式問話對話框的gui模板），如圖3-1所示。 圖 3-1 gui 設(shè)計模板 當(dāng)用戶選擇選擇不同的模板時，在gui設(shè)計模板界面的右邊就會顯示出與該 模板對應(yīng)的gui圖像。 3、gui設(shè)計窗口 在gui設(shè)計窗口左邊的是控件工具欄，包括push button、slider、radio button、check box、edit

40、text、static text、popup menu、listbox、toggle button、axes等控件對象，它們是構(gòu)成gui的基本元素。 圖 3-2 gui 設(shè)計窗口 4、gui設(shè)計窗口的基本操作 為了添加控件，可以從gui設(shè)計窗口的空間工具欄中選擇一個對象，然后以 拖曳的方式在對象設(shè)計區(qū)建立該對象，其對象創(chuàng)建方式方便、簡單。在gui設(shè)計 窗口創(chuàng)建對象后，通過雙擊該對象，就會顯示該對象的屬性查看器，通過它可以 設(shè)置該對象的屬性值。 在選中對象的前提下，單擊鼠標(biāo)右鍵，會彈出一個快捷菜單，可以從中選擇 某個子菜單進(jìn)行相應(yīng)的操作。在對象設(shè)計區(qū)右擊鼠標(biāo)，會顯示與圖形窗口有關(guān)的 快捷菜單。

41、4基于matlb gui 的costas環(huán)性能演示 基于 matlb gui 的 costas 環(huán)可通過調(diào)節(jié)信噪比和實信號頻率參數(shù)來滿足載 波跟蹤的特性，以此提出載波跟蹤頻率的范圍，本節(jié)對該實驗的基本思想和數(shù)學(xué) 表示進(jìn)行介紹。 4.1 基本思路 matlb gui 的 costas 環(huán)性能演示的基本構(gòu)思為：利用 matlb 編程軟件編 輯 costas 環(huán)跟蹤載波程序，創(chuàng)建 matlb gui 界面，運(yùn)行 gui 源程序，在 gui 設(shè)計窗口中拖動信噪比或?qū)嵭盘栴l率的拖條，圖形發(fā)生改變。基本框圖如圖 4-1 所示： 圖 4-1 基本結(jié)構(gòu)框圖 4.2 效果圖及分析 4.2.1costas環(huán)性能分

42、析 costas環(huán)與其他解調(diào)器相比，其最大的優(yōu)勢是它的工作頻率即為載波頻率， 當(dāng)載波頻率很高時，工作頻率較低的costas環(huán)更易于實現(xiàn)。 4.2.2信噪比系數(shù)影響 為了觀察信噪比參數(shù)對載波跟蹤曲線的影響，分別選擇不同信噪比參數(shù) 對同一組控制點： dop=500;real_fc = 10000000+dop; snr=-15; snr=10; snr=15; snr=30; 結(jié)果如圖所示： 圖 4-2 snr=-15 的載波跟蹤曲線 圖 4-3 snr=10 的載波跟蹤曲線 圖 4-4 snr=15 的載波跟蹤曲線 圖 4-5 snr=30 的載波跟蹤曲線 通過上述兩對效果圖的比較，可以看出，信

43、噪比參數(shù)越大,載波越難跟蹤， 而信噪比參數(shù)越小，鎖相環(huán)輸出則越向?qū)嶋H的載波頻率曲線趨近。 4.2.3實際信號頻率參數(shù)影響 為了表明實際信號頻率參數(shù)對載波跟蹤有一定的影響，因此分別取不同的實 際信號參數(shù)來進(jìn)行曲線擬合。 如下所示，圖5-5到圖5-8分別為實際信號頻率為： snr=-15 dop =100；real_fc = 10000000+dop; dop =500；real_fc = 10000000+dop; dop =3500；real_fc = 10000000+dop; dop =5000；real_fc = 10000000+dop; 進(jìn)行曲線擬合的效果圖： 圖 4-6 real_

44、fc = 10000100 的載波跟蹤曲線 圖 4-7 real_fc = 10000500 的載波跟蹤曲 線 圖 4-8real_fc = 10003500 的載波跟蹤曲線 圖 4-9 real_fc = 10005000 的載波跟蹤曲 線 通過對上述兩幅幅效果圖的觀察可以發(fā)現(xiàn)：實信號頻率偏移越大,載波越難跟 蹤；而實信號頻率偏移越小，鎖相環(huán)輸出則越容易向?qū)嶋H的載波頻率曲線趨近， 從而達(dá)到載波跟蹤的目的。 4.3gui的costas環(huán)的設(shè)計窗口 圖 4-10 gui 的 costas 原理圖 本實驗需要用到的gui工具有push button、slider、axes這3個控件對象， 它們構(gòu)成

45、了gui的的costas環(huán)設(shè)計的基本元素。將push button的strling改成結(jié) 果顯示，此按鈕表示整個程序的圖形結(jié)果。dop_slider代表的是實信號頻率， snr_slider代表信噪比，當(dāng)分別拖動兩個拖動條的時候，圖形結(jié)果顯示不同。 dop=500;real_fc = 10000000+dop;此時實信號頻率為固定值，拖動snr拖動 條,gui的costas運(yùn)行結(jié)果如圖4-11至4-14： 圖 4-11 snr=-15 的載波跟蹤曲線 圖 4-12 snr = 16.5306 的載波跟蹤曲線 圖 4-13 snr = 20.8163 的載波跟蹤曲線 圖 4-14 snr=30

46、的載波跟蹤曲線 snr=-15,此時信噪比參數(shù)為固定值，拖動實信號頻率的拖動條時，gui的 costas的運(yùn)行結(jié)果如圖4-15至4-18所示： 圖 4-15 dop = 500 的載波跟蹤曲線 圖 4-16 dop=2.3387e+003 的載波跟蹤曲 線 圖 4-17 dop = 3.0161e+003 的載波跟蹤曲線 圖 4-18 dop=4.9661e+003 的載波跟蹤曲 線 通過對上述兩幅幅效果圖的觀察可以發(fā)現(xiàn)：實信號頻率偏移越大,載波越難跟 蹤；而實信號頻率偏移越小，鎖相環(huán)輸出則越容易向?qū)嶋H的載波頻率曲線趨近， 從而達(dá)到載波跟蹤的目的。 將gui界面運(yùn)行的圖形與matlab運(yùn)行圖形

47、進(jìn)行比較，結(jié)果一致，由此可知，判 斷costas環(huán)載波跟蹤情況。 5結(jié)論 擴(kuò)展頻譜信號經(jīng)解擴(kuò)（去掉碼調(diào)制）之后，剩下的問題就是從已被接擴(kuò)了的 帶有信息的中頻信號中，檢測出發(fā)射端發(fā)送的基帶數(shù)字信號，在擴(kuò)頻技術(shù)中，直 接序列系統(tǒng)常用的解調(diào)器有鎖相環(huán)調(diào)頻反饋解調(diào)器，科斯塔斯（costas）環(huán)解調(diào) 器等。ds 系統(tǒng)接收機(jī)中基帶恢復(fù)過程是一個相干過程。因為接收機(jī)的和本地參 考信號必須是發(fā)送信號的準(zhǔn)確估計；其次還由于相干檢測器比別的類型的檢測器 有優(yōu)良的閾值特性，因為 ds 系統(tǒng)中綜總是使用相干檢測器。此處 costas 環(huán)是常 用的，costas 環(huán)與平方環(huán)相比，在電路上要復(fù)雜一些，但是它的工作頻率即為

48、載 波頻率，而平方環(huán)的工作頻率是載波頻率的兩倍，顯然當(dāng)載波頻率很高時，工作 頻率較低的 costas 環(huán)更易于實現(xiàn)。costas 環(huán)是用來解調(diào)雙邊帶抑制載波的信號的， 以此達(dá)到載波跟蹤的目的。通過本實驗，costas 載波跟蹤達(dá)到要求，并能實現(xiàn)基 本功能。 但在一些方面，本文還存在許多不足，由于在程序中存在 for 循環(huán)函數(shù)，運(yùn) 行速度稍緩，for 循環(huán)函數(shù)可以被矩陣代替，但是多次都沒有試驗成功，矩陣運(yùn)行 速度很快，因此，要對程序進(jìn)行不斷的改造，力爭編出更好的具有適應(yīng)性的程序。 參考文獻(xiàn) 1 查光明,熊賢祚.擴(kuò)頻通信m.西安電子科技大學(xué)出版社,1990-12-1:108-115 2 田日才.擴(kuò)

49、頻通信m.清華大學(xué)出版社,2007-4-1:1-17，147-151 3 胡華春等.數(shù)字鎖相環(huán)原理與應(yīng)用m.北京：電子工業(yè)出版社，1990，30-47 4 李振邦.通信技術(shù)j. 2001 年 第 07 期.國內(nèi)統(tǒng)一刊號：cn 51-1167/tn 5 王福昌，魯昆生.鎖相技術(shù)m.武漢：華中科技大學(xué)出版社，1997 6 施曉紅，周佳精通 gui 圖形界面編程m北京大學(xué)出版社，2003 7 feigin, 2002 feigin,j. (2002). practical costas loop design. technical report, analog devices 致 謝 從選擇課題到現(xiàn)

50、在完成畢業(yè)設(shè)計論文,衷心的感謝我的指導(dǎo)老師徐慶副教授 給予了精心的指導(dǎo)和熱情的幫助,尤其在課題設(shè)計的前期準(zhǔn)備階段和程序設(shè)計階 段,導(dǎo)師提出許多寶貴的意見,在最后的程序調(diào)試階段老師在百忙之中抽出時間為 我們提供了必要的幫助,謹(jǐn)此向老師表示衷心的感謝和崇高的敬意。 同時，我也衷心感謝給我提供過幫助的老師和一起做畢業(yè)設(shè)計的各位同學(xué)， 感謝他們對我各方面的支持和幫助。 感謝所有關(guān)心和愛護(hù)我的人們。你們的支持和理解是我繼續(xù)前進(jìn)的動力。再 次謝謝大家! 最后向在百忙之中評審本文的各位專家、老師表示衷心的感謝！ 附 錄 主要程序 clear; fs = 50e6; %采樣頻率 ts = 1/fs; num

51、= 2e6; %數(shù)據(jù)長度 snr = -15; dop = 500; real_fc = 10000000+dop; %實信號頻率 data = sin(2*pi*real_fc*(0:num-1)*ts+pi/4)+sqrt(10(snr/10)*randn(1,num); %科斯 塔斯環(huán)的輸入信號 fc = 10000000; %本地頻率 n = fs/10000; %累積時間為 0.1ms nn = 0:n-1; nf = floor(length(data)/n);% 將輸入數(shù)據(jù)分成 1ms 的多個數(shù)據(jù)塊 wfc = 2*pi*fc; %本地信號 phi_prv = 0; temp =

52、 0; frame = 0; carrier_phase = 0; phase = 0; %環(huán)路濾波器的參數(shù) c1=1203.9*1.5; c2=16.22*1.5; %數(shù)據(jù)率為 4kbps,1bit 數(shù)據(jù)采樣點數(shù)為 12.5k，每 5k 個點累加一次，相當(dāng)于 4 個 數(shù)據(jù)累加清零一次， %w=0.01*4k,t=1/4k,k0=2*pi*t*fs/232,c1=2*0.707*w*t/k0,c2=(wt)2/k0, for frame=1:nf % 產(chǎn)生本地的 sin 和 cos 函數(shù) expcol = exp(j*(wfc*ts*nn+phase); sine = imag(expcol)

53、; cosine = real(expcol); x = data(1:n)+(frame-1)*n); %將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到基帶 x_sine = x.*sine; x_cosine = x.*cosine; q = sum(x_sine); %經(jīng)過濾波器 i = sum(x_cosine); phase_discri(frame) = atan(q/i); %得到鎖相環(huán)的輸入 %鎖相環(huán) dfrq = c1*phase_discri(frame)+temp; %經(jīng)過環(huán)路濾波器 temp = temp+c2*phase_discri(frame); wfc = wfc-dfrq*2*pi; %改變本

54、地頻率 dfrq_frame(frame) = wfc; phase = wfc*ts*n+phase; %得到不同塊的相位 dphase_frame(frame) = phase; end % plot(dfrq_frame/(2*pi); plot(dfrq_frame(1:400)/(2*pi), -b); hold on % plot(1:length(dfrq_frame), real_fc,*r); plot(1:400, real_fc,r); legend(鎖相環(huán)輸出,實際的載波頻率); % axis(1:100,min(dfrq_frame):max(dfrq_frame) grid mean_freq=mean(dfrq_frame/2/pi) p=abs(real_fc-mean_freq)/real_fc; 學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的學(xué)位論文，是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作 所取得的成果。盡我所知，除文中已經(jīng)特別注明引用的內(nèi)容和致謝的地方外，本 論文不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果。對本文的研究做 出重要貢獻(xiàn)的個人和集體，均已在文中以明確方式注明并表示感謝。本人完全意 識到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。 學(xué)位論文作者（本人簽名）： 年 月 日 學(xué)位論文出版授權(quán)書 本人及導(dǎo)師完全同意 中國博士學(xué)