基于SIMULINK直接擴(kuò)頻序列通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、石家莊鐵道大學(xué)四方學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)基于 Simulink 直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)Direct Sequence Spread Spectrum Communication Systems Design Based on Simulink摘要直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)(DSSS)因其抗干擾性強(qiáng)、 隱蔽性好、易于實(shí)現(xiàn)碼分多址(CDMA)、抗多徑干擾、直擴(kuò)通信速率高等眾多優(yōu)點(diǎn)，而被廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)域中。本文設(shè)計(jì)了一種基于 Simulink 的直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)。首先對(duì)直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)從應(yīng)用背景、特點(diǎn)、意義和發(fā)展幾個(gè)方面進(jìn)行了研究，然后從直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的基本理論、基本原理、性能和擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的同步

2、原理等方面闡述了直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)，并對(duì)直接擴(kuò)頻通信系統(tǒng)進(jìn)行了仿真研究和理論分析，達(dá)到了預(yù)期的效果。本文從理論上分析了直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的抗干擾性能。本系統(tǒng)包括信號(hào)生成部分、發(fā)送部分、接收部分、調(diào)制和解調(diào)、加擴(kuò)與解擴(kuò)五個(gè)部分。并以 BPSK 系統(tǒng)為例，給出了誤碼率理論分析結(jié)果，達(dá)到了預(yù)期的效果。本文研究的直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)，為以后的頻譜通信系統(tǒng)打下了基礎(chǔ)。 關(guān)鍵詞：直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)MATLAB 仿真Simulink 模塊仿真AbstractDirect sequence spread spectrum communication system (DSSS) because of it

3、s strong anti-interference, easy to conceal and easy to realize code division multiple access (CDMA), fight multipath interference, straight expansion communication rate higher numerous advantages, is widely used in many fields.This paper introduces a design of Simulink based on the direct sequence

4、spread spectrum communication system. First to direct sequence spread spectrum communication system from application background, features, significance and the development of a research, and then from the direct sequence spread spectrum communication system, the basic theory of basic principle, perf

5、ormance and spread spectrum communication system of synchronous principle, this paper describes direct sequence spread spectrum communication system, and the directly spread spectrum communication system simulation and theory analysis, achieve the expected effect. The paper theoretically analyzes th

6、e direct sequence spread spectrum communication system of anti-jamming performance. This system includes signal generation part, sending part, receiving part, modulation and demodulation, add expansion and solution expansion of five parts. And with BPSK system as an example, the theoretical analysis

7、 results are ber, achieve the expected effect. This paper studies the direct sequence spread spectrum communication system, for the following spectrum communication system laid a foundation. Keywords: Direct sequence spread spectrum communication systemSimulink MATLABSimulation 目錄第 1 章緒論11.1直接擴(kuò)頻通信系統(tǒng)

8、的應(yīng)用背景11.2直接擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的意義11.3直接擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的特點(diǎn)11.4直接擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的發(fā)展3第 2 章直接擴(kuò)頻通信系統(tǒng)技術(shù)42.1直接序列擴(kuò)頻基本理論42.1.1擴(kuò)頻通信的理論基礎(chǔ)42.1.2擴(kuò)頻增益和抗干擾容限52.2直接序列擴(kuò)頻的基本原理62.3 直接序列擴(kuò)頻的基本原理92.3.1直擴(kuò)系統(tǒng)的抗干擾性92.3.2直擴(kuò)系統(tǒng)的抗截獲性102.3.3直擴(kuò)碼分多址通信系統(tǒng)112.3.4直擴(kuò)系統(tǒng)的抗多徑干擾性能112.3.5直擴(kuò)測(cè)距定時(shí)系統(tǒng)122.3.6擴(kuò)頻序列通信系統(tǒng)的同步原理12第 3 章基于 Simulink 的直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的仿真143.1直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)功能模塊的連接及設(shè)

9、置143.1.1功能模塊的連接143.1.2直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)功能模塊的連接及設(shè)置173.2直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)233.3總結(jié)28第 4 章直接擴(kuò)頻通信系統(tǒng)性能分析294.1直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)誤碼率的仿真294.2仿真結(jié)果分析314.3結(jié)論32第 5 章應(yīng)用33參考文獻(xiàn)34致謝35附錄36附錄 A外文資料36石家莊鐵道大學(xué)四方學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)0第 1 章緒論1.1直接擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的應(yīng)用背景直接序列擴(kuò)頻技術(shù)是當(dāng)今人們所熟知的擴(kuò)頻技術(shù)之一。這種技術(shù)是將要發(fā)送的信息用偽隨機(jī)碼(PN 碼)擴(kuò)展到一個(gè)很寬的頻帶上去，在接收端，用與發(fā)端擴(kuò)展用的偽隨機(jī)碼對(duì)接收到的擴(kuò)頻信號(hào)進(jìn)行相關(guān)處理，恢復(fù)出發(fā)送的信息

10、。它是二戰(zhàn)期間開(kāi)發(fā)的，最初的用途是為軍事通信提供安全保障，是美軍重要的無(wú)線通信保密技術(shù)。這種技術(shù)使敵人很難探測(cè)到信號(hào)。即探測(cè)到信號(hào)，如果不知道正確的編碼，也不可能將噪聲信號(hào)重新會(huì)變成原始的信號(hào)。有關(guān)擴(kuò)頻通信技術(shù)的觀點(diǎn)是在 1941 年由好萊塢女演員 Hedy Lamarr 和鋼琴家 George Antheil 提出的1。十九世紀(jì)八十年代才引起關(guān)注，將它用于敵對(duì)環(huán)境中的無(wú)線通信系統(tǒng)。1.2直接擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的意義直接擴(kuò)頻解決了短距離數(shù)據(jù)收發(fā)信機(jī)如：衛(wèi)星通信系統(tǒng)(GPS)、3G 移動(dòng)通信系統(tǒng)、WLAN 和藍(lán)牙技術(shù)等應(yīng)用的關(guān)鍵問(wèn)題。擴(kuò)頻技術(shù)也為提高無(wú)線電頻率的利用率提供幫助。直接擴(kuò)頻通信系統(tǒng)具有抗干

11、擾性強(qiáng)、隱蔽性好、易于實(shí)現(xiàn)碼分多址、抗多徑干擾、直擴(kuò)通信速率高、有很強(qiáng)的保密性能等優(yōu)點(diǎn)2?？梢?jiàn)，對(duì)直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的研究具有非常重大的意義。但也有不足，直擴(kuò)系統(tǒng)除了一般通信系統(tǒng)所要求的同步以外，還必須完成偽隨機(jī)碼的同步，以便接受機(jī)用此同步后的偽隨機(jī)碼去對(duì)接受信號(hào)進(jìn)行相關(guān)解擴(kuò)。所以，設(shè)計(jì)一個(gè)能夠克服這些缺點(diǎn)的直接擴(kuò)頻通信系統(tǒng)相當(dāng)重要。1.3直接擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的特點(diǎn)1、 直序擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)(1)抗干擾性強(qiáng)抗干擾是擴(kuò)頻通信主要特性之一，比如信號(hào)擴(kuò)頻寬度為 100 倍，窄帶干擾基本上不起作用，而寬帶干擾的強(qiáng)度降低了 100 倍，如要保持原干擾強(qiáng)度，則需加大100 倍總功率，這實(shí)質(zhì)上是難以實(shí)現(xiàn)的。

12、因信號(hào)接收需要擴(kuò)頻編碼進(jìn)行相關(guān)解擴(kuò)處理才能得到，所以即使以同類型信號(hào)進(jìn)行干擾，在不知道信號(hào)的擴(kuò)頻碼的情況下，由于不同擴(kuò)頻編碼之間的不同的相關(guān)性，干擾也不起作用。正因?yàn)閿U(kuò)頻技術(shù)抗干擾石家莊鐵道大學(xué)四方學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)1性強(qiáng)，美國(guó)軍方在海灣戰(zhàn)爭(zhēng)等處廣泛采用擴(kuò)頻技術(shù)的無(wú)線網(wǎng)橋來(lái)連接分布在不同區(qū)域的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。(2)隱蔽性好因?yàn)樾盘?hào)在很寬的頻帶上被擴(kuò)展，單位帶寬上的功率很小，即信號(hào)功率譜密度很低，信號(hào)淹沒(méi)在白噪聲之中，別人難以發(fā)現(xiàn)信號(hào)的存在，加之不知擴(kuò)頻編碼，很難攝取有用信號(hào)，而極低的功率譜密度，也很少對(duì)于其他電訊設(shè)備構(gòu)成干擾。 (3)易于實(shí)現(xiàn)碼分多址(CDMA)直擴(kuò)通信占用寬帶頻譜資源通信，改善了抗干擾

13、能力，是否浪費(fèi)了頻段呢？其實(shí)正相反，擴(kuò)頻通信提高了頻帶的利用率。正是由于直擴(kuò)通信要用擴(kuò)頻編碼進(jìn)行擴(kuò)頻調(diào)制發(fā)送，而信號(hào)接收需要用相同的擴(kuò)頻編碼作相關(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)別不同的用戶的信號(hào)，眾多用戶，只要配對(duì)使用自己的擴(kuò)頻編碼，就可以互不干擾地同時(shí)使用同一頻率通信，從而實(shí)現(xiàn)了頻率復(fù)用，使擁擠的頻譜得到充分利用。發(fā)送者可用不同的擴(kuò)頻編碼，分別向不同的接收者發(fā)送數(shù)據(jù)。同樣，接收者用不同的擴(kuò)頻編碼，就可以收到不同的發(fā)送者送來(lái)的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了多址通信，提高了頻譜利用率3。另外，擴(kuò)頻碼分多址還易于解決

14、隨時(shí)增加新用戶的問(wèn)題。(4)抗多徑干擾無(wú)線通信中抗多徑(發(fā)射的信號(hào)經(jīng)多條不同路徑傳播)干擾一直是難以解決的問(wèn)題，利用擴(kuò)頻編碼之間的相關(guān)特性，在接收端可以用相關(guān)技術(shù)從多徑信號(hào)中提取分離出最強(qiáng)的有用信號(hào)，也可把多個(gè)路徑來(lái)的同一碼序列的波形相加使之得到加強(qiáng)，從而達(dá)到有效的抗多徑干擾。(5)直擴(kuò)通信速率高直擴(kuò)通信速率可達(dá) 2M，8M，11M，無(wú)須申請(qǐng)頻率資源，建網(wǎng)簡(jiǎn)單，網(wǎng)絡(luò)性能好。(6)有很強(qiáng)的保密性能。對(duì)于直擴(kuò)系統(tǒng)而言，射頻帶寬很寬，譜密度很低，甚至淹沒(méi)在噪音中，就很難檢查到信號(hào)的存在。由于直擴(kuò)信號(hào)的頻譜密度很低，直擴(kuò)系統(tǒng)對(duì)其它系統(tǒng)的影響就很小。 2、直擴(kuò)通信系統(tǒng)的不足直擴(kuò)系統(tǒng)除了一般通信系統(tǒng)所要求

15、的同步以外，還必須完成偽隨機(jī)碼的同步，以便接收機(jī)用此同步后的偽隨機(jī)碼去對(duì)接受信號(hào)進(jìn)行相關(guān)解擴(kuò)。直擴(kuò)系統(tǒng)隨著偽隨機(jī)碼字的加長(zhǎng)，要求的同步精度也就高，因而同步時(shí)間就長(zhǎng)。石家莊鐵道大學(xué)四方學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)21.4直接擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的發(fā)展由于它的抗噪聲的特性，直接序列擴(kuò)頻技術(shù)非常適合商業(yè)應(yīng)用。在容許無(wú)線設(shè)備公開(kāi)使用的電磁環(huán)境里，它對(duì)其他傳統(tǒng)微波設(shè)備造成最小的干擾，同時(shí)對(duì)附近其他設(shè)備有更高的抗擾性。上世紀(jì) 80 年代末，晶體電子技術(shù)的先進(jìn)程度已經(jīng)足以提供商用的、成本效益好的直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)?，F(xiàn)在直擴(kuò)技術(shù)被廣泛應(yīng)用于包括計(jì)算機(jī)無(wú)線網(wǎng)等許多領(lǐng)域。擴(kuò)頻技術(shù)在發(fā)展的初始階段，就已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了理論和技術(shù)上的重大突破，在此后

16、的發(fā)展過(guò)程中主要是硬件的改善和性能的提高。隨著移動(dòng)通信的迅猛發(fā)展，目前 3G 系統(tǒng)由研制開(kāi)發(fā)逐步進(jìn)入商用并且向第四代無(wú)線多媒體通信飛速發(fā)展。根據(jù) ITU 的標(biāo)準(zhǔn)，世界各大電信公司聯(lián)盟均提出了自己的第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)方案，雖然第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)差異很大，但采用碼分多址技術(shù)已經(jīng)達(dá)成共識(shí)。直擴(kuò)碼分多址，由于具備通信容量大、能充分利用話音的統(tǒng)計(jì)特性、平滑的越區(qū)切換、通信容量的軟特性等優(yōu)點(diǎn)被作為未來(lái)移動(dòng)通信中最具競(jìng)爭(zhēng)力、最有前景的無(wú)線多址接入技術(shù)4。無(wú)線擴(kuò)頻通信作為另一種有效的補(bǔ)充通信手段，已在金融系統(tǒng)得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。發(fā)展到現(xiàn)在，擴(kuò)頻技術(shù)理論和技術(shù)都已趨于完善，主要應(yīng)從系統(tǒng)的角度考慮總體性

17、能，且與其它新技術(shù)結(jié)合應(yīng)用。因此，應(yīng)用的驅(qū)動(dòng)一直是擴(kuò)頻技術(shù)發(fā)展的強(qiáng)大動(dòng)力，未來(lái)的無(wú)線通信系統(tǒng)，如移動(dòng)通信、無(wú)線局域網(wǎng)、全球個(gè)人通信等，擴(kuò)頻技術(shù)必將發(fā)揮重要作用。隨著科技的發(fā)展，擴(kuò)頻技術(shù)必將獲得更加廣闊的應(yīng)用空間。石家莊鐵道大學(xué)四方學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)3第 2 章直接擴(kuò)頻通信系統(tǒng)技術(shù)2.1直接序列擴(kuò)頻基本理論2.1.1擴(kuò)頻通信的理論基礎(chǔ)直接序列(DS：Direct Sequence)擴(kuò)頻，就是直接用具有高碼率的擴(kuò)頻碼序列在發(fā)送端去擴(kuò)展信號(hào)的頻譜。在接收端，用相同的擴(kuò)頻碼序列去進(jìn)行解擴(kuò)，把展寬的擴(kuò)頻信號(hào)還原成原始的信息。人們總是想方設(shè)法使信號(hào)所占的頻譜盡量窄，以獲得頻率資源利用率的提高。但擴(kuò)頻通信在發(fā)送端

18、用擴(kuò)頻碼調(diào)制，使信號(hào)所占的頻帶寬度遠(yuǎn)大于所傳信息必須的帶寬，在接收端采用相同的擴(kuò)頻碼進(jìn)行相關(guān)解擴(kuò)以恢復(fù)出所傳信息數(shù)據(jù)。為什么要用寬頻帶信號(hào)來(lái)傳輸窄帶信息呢？主要是為了通信的安全可靠性。這可用信息論和抗干擾理論的基本觀點(diǎn)來(lái)說(shuō)明：根據(jù)香農(nóng)(C.E.Shannon)在信息論研究中總結(jié)出的信道容量公式，香農(nóng)公式： (2-1) )1 (log2NSBC式中：C-信息的傳輸速率(信道容量)單位； S-信號(hào)平均功率 單位 W； sbB-頻帶寬度 單位 Hz； N-噪聲平均功率 單位 W5。由式(2-1)中可以看出：為了提高信息的傳輸速率 C，可以從兩種途徑實(shí)現(xiàn)，即加大帶寬 B 或提高信噪比。換句話說(shuō)，當(dāng)信號(hào)

19、的傳輸速率 C 一定時(shí)，信號(hào)帶寬 B 和信噪比是可以NSNS互換的，即增加信號(hào)帶寬可以降低對(duì)信噪比的要求，當(dāng)帶寬增加到一定程度，允許信噪比進(jìn)一步降低，有用信號(hào)功率接近噪聲功率甚至淹沒(méi)在噪聲之下也是可能的。擴(kuò)頻通信就是用寬帶傳輸技術(shù)來(lái)?yè)Q取信噪比上的好處?？陆轄柲峥煞蛟谄錆撛诳垢蓴_性理論中得到如下關(guān)于信息傳輸差錯(cuò)概率的公式 (2-2)0nEfPe此公式指出，差錯(cuò)概率是信號(hào)能量與噪聲功率譜密度之比的函數(shù)。設(shè)信ePEon息持續(xù)時(shí)間為，或數(shù)字信息的碼元寬度為，則信息的帶寬為TTmB (2-3)TBm1石家莊鐵道大學(xué)四方學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)4信號(hào)功率 S 為 (2-4)TS1已調(diào)(或已擴(kuò)頻)信號(hào)的寬度為 B，則噪

20、聲功率為 (2-5)BnN0將式（2-3）、（2-4）、（2-5）代入式（2-2），可得 (2-6) meBBNSfBNSTfP公式(2-6)指出，差錯(cuò)概率是輸入信號(hào)與噪聲功率之比()和信號(hào)帶寬與信ePNS息帶寬之比()二者乘積的函數(shù)，信噪比與帶寬是可以互換的。它同樣指出了mBB/用增加帶寬的方法可以換取信噪比上的好處。綜上所述，將信息帶寬擴(kuò)展 100 倍，甚至用 1000 倍以上的帶寬信號(hào)來(lái)傳輸信息，就是為了提高通信的抗干擾能力，即在強(qiáng)干擾條件下保證可靠安全的通信。這就是擴(kuò)頻通信的基本思想和理論依據(jù)。2.1.2擴(kuò)頻增益和抗干擾容限擴(kuò)頻通信系統(tǒng)由于在發(fā)送端擴(kuò)展了信號(hào)頻譜，在接收端解擴(kuò)還原了信息

21、，這樣的系統(tǒng)帶來(lái)的好處是大大提高了抗干擾容限。理論分析表明，各種擴(kuò)頻系統(tǒng)的抗干擾性能與信息頻譜擴(kuò)展后的擴(kuò)頻信號(hào)帶寬比例有關(guān)。一般把擴(kuò)頻信號(hào)帶寬 W 與信息帶寬F 之比稱為處理增益，即PG (2-7)FWGP式(2-7)表明了擴(kuò)頻系統(tǒng)信噪比改善的程度。除此之外，擴(kuò)頻系統(tǒng)的其他一些性能也大都與有關(guān)。因此，處理增益是擴(kuò)頻系統(tǒng)的一個(gè)重要性能指標(biāo)。PG系統(tǒng)的抗干擾容限定義如下：jM (2-8)SPjLNSGM0式(2-8)中：（S/N）= 輸出端的信噪比， = 系統(tǒng)損耗SL由此可見(jiàn)，抗干擾容限與擴(kuò)頻處理增益成正比，擴(kuò)頻處理增益提高后，jMPG抗干擾容限大大提高，甚至信號(hào)在一定的噪聲湮沒(méi)下也能正常通信。通

22、常的擴(kuò)頻設(shè)備總是將用戶信息(待傳輸信息)的帶寬擴(kuò)展到數(shù)十倍、上百倍甚至千倍，以盡可能地提高處理增益。石家莊鐵道大學(xué)四方學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)52.2直接序列擴(kuò)頻的基本原理所謂直接序列擴(kuò)頻(DS)，就是直接用具有高速率的擴(kuò)頻碼序列在發(fā)送端去擴(kuò)展信號(hào)的頻譜。而接收端，用相同的擴(kuò)頻碼序列進(jìn)行解擴(kuò)，把展寬的擴(kuò)頻信號(hào)還原成原始信息6。圖 2-1 示出了直擴(kuò)通信系統(tǒng)的原理方框圖。圖 2-1 直擴(kuò)通信系統(tǒng)的組成框圖信息信碼 m(t)BPSK 調(diào)制載波PN 碼擴(kuò)頻解調(diào)本地 PN 碼BPSK 解調(diào)本地載波石家莊鐵道大學(xué)四方學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)6在發(fā)送端輸入信息碼元，它是二進(jìn)制數(shù)據(jù)，圖中為 0、1 兩個(gè)碼元，其碼元)(tm寬度為。

23、加入擴(kuò)頻解調(diào)器，圖中為模 2 加法器，擴(kuò)頻碼為一個(gè)偽隨機(jī)碼(PN 碼)，bT記作。偽碼的波形如圖 2-2 中的第(2)個(gè)波形，其碼元寬度為，且取 。通)(tpPT常在 DS 系統(tǒng)中，偽碼的速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于信碼速率，即，PRmRmpRR （），也就是說(shuō)，偽碼的寬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于信碼的寬度， c tm tp tmPRR PTbT這樣才能展寬頻譜。模 2 加法器的運(yùn)算規(guī)則可用下式表示 (2-9)()()(tptmtc當(dāng)與符號(hào)相同時(shí)，為 0；而當(dāng)與不同時(shí)，則為 1。的)(tm)(tp)(tc)(tm)(tp)(tc波形如圖 2-2 所示中的第（3）個(gè)波形。由圖可見(jiàn)，當(dāng)信碼為 0 時(shí)，與)(tm)(tc)(tp相

24、同；而當(dāng)信碼為 1 時(shí)，則為取反既是。顯然，包含信碼的)(tm)(tm)(tc)(tp其碼元寬度已變成了，即已進(jìn)行了頻譜擴(kuò)展。其擴(kuò)展處理增益也可用下式表)(tcpT示 (2-10)PbPTTGlg10在一定的情況下，若偽碼速率越高，即偽碼寬度(碼片寬度)越窄，則擴(kuò)頻bTpT處理增益越大。經(jīng)過(guò)擴(kuò)頻，還要載頻調(diào)制，以便信號(hào)在信道上有效的傳輸。圖 2-2 中采用二相相移鍵控方式。調(diào)相器可由環(huán)行調(diào)制器完成，即將與載頻相乘，輸出)(tctA1cos為。即)(1ts (2-11)tAtcts11cos)()(石家莊鐵道大學(xué)四方學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)7式(2-11)中， (2-12)碼當(dāng)二進(jìn)制序列為碼當(dāng)二進(jìn)制序列為1

25、011)(tc因此，經(jīng)過(guò)擴(kuò)頻和相位調(diào)制后的信號(hào)為)(1ts (2-13)tAtAttActs1111coscoscos)()(由上面討論可知，經(jīng)過(guò)擴(kuò)頻調(diào)制信號(hào)可看作只取1 的二進(jìn)制波形，然后對(duì))(tc載頻進(jìn)行調(diào)制，這里是采用調(diào)相(BPSK)。所謂調(diào)制，就是指相乘過(guò)程，可采用相乘器，環(huán)行調(diào)制器(或平衡調(diào)制器)，最后得到的是抑制載波雙邊帶振幅調(diào)制信號(hào)。這里假定平衡調(diào)制器是理想對(duì)稱，碼序列取+1、1 的概率相同，即調(diào)制信號(hào)無(wú)直流分量，這樣平衡調(diào)制器輸出的已調(diào)波中，無(wú)載波分量。通過(guò)發(fā)射機(jī)中推動(dòng)級(jí)、)(1ts功放和輸出電路加至天線發(fā)射出去。通常載波頻率較高，或者說(shuō)載波周期較小，它遠(yuǎn)小于偽碼的周期，即滿足

26、cTpT。但圖 2-2 中(4)示出的載波波形=寬度為，這是為了便于看清楚一些，pcTT cTpT否則要在一個(gè)期間內(nèi)畫幾十個(gè)甚至幾百個(gè)正弦波。對(duì)于 BPSK 來(lái)說(shuō)，主要是看清pT楚已調(diào)波與調(diào)制信號(hào)之間的相位關(guān)系。圖 2-2 中的第(5)個(gè)圖為已調(diào)波的波形。)(1ts這里，當(dāng)為 1 碼時(shí)，已調(diào)波與載波取反相；而當(dāng)為 0 碼時(shí)，取同相。已調(diào)波)(tc)(tc與載波的相位關(guān)系如圖 2-2 中的第(6)個(gè)圖所示。接收端的工作原理：假設(shè)發(fā)射的信號(hào)經(jīng)過(guò)信道傳輸，不出現(xiàn)差錯(cuò)，經(jīng)過(guò)接收機(jī)前端電路(包括輸入電路、高頻放大器等)，輸出仍為。這里不考慮信道衰減問(wèn)題，因?yàn)閷?duì) PSK 調(diào)制)(1ts信號(hào)而言，重要的是相

27、位問(wèn)題，這里的假定對(duì)分析工作原理是不受影響的。相關(guān)器完成相干解調(diào)和解擴(kuò)。接收機(jī)中的本振信號(hào)頻率與載波相差為一個(gè)固定的中頻。假定收端的偽碼(PN)與發(fā)端的 PN 碼相同。接收端本地調(diào)相情況與發(fā)端相似，這里的調(diào)制信號(hào)是，即調(diào)相器輸出信號(hào)的相位僅取決于，當(dāng)=1 時(shí)，)(tp)(2ts)(tp)(tp的相位為；當(dāng)=0 時(shí)，的相位為 0。信號(hào)的相位如圖 2-2 中(7)(2ts)(tp)(2ts)(2ts所示。相關(guān)器的作用在這里可等效為對(duì)輸入相關(guān)器的、相位進(jìn)行模 2 加。對(duì))(1ts)(2ts二元制的 0、而言，同號(hào)模 2 加為 0，異號(hào)模 2 加為。因此相關(guān)器的輸出的中頻相位如圖 2-2 中的(8)所

28、示。然后通過(guò)中頻濾波器。濾除不相關(guān)的各種干擾，經(jīng)解調(diào)恢復(fù)出原始信息。這一過(guò)程說(shuō)明了直擴(kuò)系統(tǒng)的基本原理和它是怎樣通過(guò)對(duì)信號(hào)進(jìn)行擴(kuò)頻與解擴(kuò)處石家莊鐵道大學(xué)四方學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)8理從而獲得提高輸出信噪比的好處的。它體現(xiàn)了直擴(kuò)系統(tǒng)的抗干擾能力。2.3 直接序列擴(kuò)頻的基本原理2.3.1直擴(kuò)系統(tǒng)的抗干擾性直擴(kuò)系統(tǒng)最早應(yīng)用是在軍事通信中作為很強(qiáng)抗干擾性的通信手段。直擴(kuò)系統(tǒng)對(duì)窄帶干擾、寬帶干擾等，都具有抗干擾能力，其抗干擾能力大小就是前面提出的擴(kuò)頻處理增益，越大，抗干擾能力就越強(qiáng)。下面就來(lái)分析直擴(kuò)系統(tǒng)抗寬帶干擾PGPG和抗窄帶干擾的原理。圖 2-3 為直擴(kuò)系統(tǒng)抗寬帶干擾的示意圖。這里的寬帶干擾是泛指的與擴(kuò)頻信號(hào)不

29、相關(guān)的，在 CDMA 通信網(wǎng)中，其它用戶的信號(hào)就是一種寬帶干擾。相關(guān)處理前，信號(hào)頻譜是很寬的，經(jīng)相關(guān)處理后，有用信息被解擴(kuò)，其功率譜集中于信息帶寬內(nèi)，而寬帶干擾通過(guò)相關(guān)器，其功率譜密度基本不變。由于解擴(kuò)后必然連接窄帶濾波器，保證信號(hào)能順利通過(guò)，對(duì)信號(hào)頻帶之外的各種干擾起到很大的抑制作用，從而提高了輸出的信噪比。解擴(kuò)后的有用信號(hào)信息帶寬 BA 有用信號(hào)干擾電平白限熱噪聲電平cRcR功率頻譜干擾信號(hào) cffcRf(a)接收機(jī)輸入的信號(hào)及干擾的功率譜 (b)相關(guān)器輸出的信號(hào)及干擾的功率譜對(duì)單頻或窄帶干擾，直擴(kuò)系統(tǒng)有很強(qiáng)的抗干擾能力。圖 2-4(a)為解擴(kuò)前的功率譜，窄帶干擾功率很大，由于干擾與本地?cái)U(kuò)

30、頻碼(PN 碼)是不相關(guān)的。對(duì)干擾來(lái)說(shuō)，相關(guān)器起到擴(kuò)展頻譜的目的，功率譜密度就大大下降，其中對(duì)信號(hào)有害的干擾分量只有落入信息帶寬部分，從而抑制了大部分干擾。由于有用信號(hào)能順利通過(guò)窄帶濾波器，因此提高了輸出的信噪比。A A解擴(kuò)后的有用信號(hào)干擾被擴(kuò)展頻譜有用信號(hào)窄帶干擾信號(hào) 2cRf iffcfcf(a)未解擴(kuò)的功率譜（b）解擴(kuò)后的功率譜圖 2-4直擴(kuò)系統(tǒng)抗窄帶干擾示意圖(b)解擴(kuò)后的功率譜圖 2-3直擴(kuò)系統(tǒng)抗寬帶干擾的示意圖石家莊鐵道大學(xué)四方學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)92.3.2直擴(kuò)系統(tǒng)的抗截獲性截獲敵方信號(hào)的目的在于： (1)發(fā)現(xiàn)敵方信號(hào)的存在， (2)確定敵方信號(hào)的頻率， (3)確定敵方發(fā)射機(jī)的方向。 理

31、論分析表明，信號(hào)的檢測(cè)概率與信號(hào)能量與噪聲功率譜密度之比成正比，與信號(hào)的頻帶寬度成反比。直擴(kuò)信號(hào)正好具有這兩方面的優(yōu)勢(shì)，它的功率譜密度很低，單位時(shí)間內(nèi)的能量就很小，同時(shí)它的頻帶很寬。因此，它具有很強(qiáng)的抗截獲性。如果滿足直擴(kuò)信號(hào)在接收機(jī)輸入端的功率低于或與外來(lái)噪聲及接收機(jī)本身的熱噪聲功率相比擬的條件、則一般接收機(jī)發(fā)現(xiàn)不了直擴(kuò)信號(hào)的存在。另外，由于直擴(kuò)信號(hào)的寬頻帶特性，截獲時(shí)需要在很寬的頻率范圍進(jìn)行搜索和監(jiān)測(cè)，也是困難之一。因此，直擴(kuò)信號(hào)可以用來(lái)進(jìn)行隱藏通信。至于如何發(fā)現(xiàn)敵方直擴(kuò)信號(hào)的存在，和弄清楚其參數(shù)，即直擴(kuò)信號(hào)的檢測(cè)與估值問(wèn)題7。2.3.3直擴(kuò)碼分多址通信系統(tǒng)多址通信系統(tǒng)指的是許多用戶組成的

32、一個(gè)通信網(wǎng)，網(wǎng)中任何兩個(gè)用戶都可以通信，而且許多對(duì)用戶同時(shí)通信時(shí)互不不擾。應(yīng)用直擴(kuò)系統(tǒng)就很容易組成這樣一個(gè)多址通信系統(tǒng)(網(wǎng))。具體的做法是給每一個(gè)用戶分配一個(gè) PN 碼作為地址碼。首先，利用直擴(kuò)信號(hào)中 PN 碼的相關(guān)特性來(lái)區(qū)分不同的用戶，每個(gè)用戶只能收到其他用戶按其地址碼發(fā)來(lái)的信號(hào)，此時(shí)自相關(guān)特性出現(xiàn)峰值，可以判別出是有用信號(hào)。對(duì)于其他用戶發(fā)來(lái)的別的信號(hào)，因 PN 碼不同時(shí)互相關(guān)值很小，不會(huì)被解擴(kuò)出來(lái)。其次，利用直擴(kuò)信號(hào)中頻譜擴(kuò)展，功率譜密度很低的特性，可以有許多用戶共用同一寬頻帶。此時(shí)相互之間干擾很小，可以當(dāng)作噪聲處理。另外，每個(gè)用戶占用的頻寬很窄，相對(duì)說(shuō)來(lái)，頻譜利用率也是高的8。實(shí)現(xiàn)直擴(kuò)碼

33、分多址通信值得注意的問(wèn)題有： 1、是要選擇有優(yōu)良互相關(guān)特性的碼。 一般多采用有二值或三值相關(guān)特性的碼作為地址碼。同時(shí)還需要有一定的數(shù)量。Gold 碼就可以作為地址碼來(lái)用，它既有較優(yōu)良的相關(guān)特性，也有足夠的數(shù)量可供選。 2、是要注意克服“遠(yuǎn)近”問(wèn)題。 石家莊鐵道大學(xué)四方學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)10所謂“遠(yuǎn)一近”問(wèn)題指的是距離近的用戶的信號(hào)強(qiáng)，它會(huì)干擾距離遠(yuǎn)的弱信號(hào)的接收。解決的辦法是采用自動(dòng)功率控制，自動(dòng)調(diào)節(jié)各用戶的發(fā)射功率，使達(dá)到接收機(jī)時(shí)各用戶信號(hào)功率基本相等，也就是滿足接收機(jī)輸入端等功率的條件，才能正確地區(qū)分有用信號(hào)。 3、是同時(shí)通話的用戶數(shù)，決定于整個(gè)網(wǎng)內(nèi)的噪聲水平。 因此，直擴(kuò)碼分多址系統(tǒng)是一種噪聲

34、受限的系統(tǒng)。隨著用戶數(shù)的增加，通信質(zhì)量逐漸變壞。 2.3.4直擴(kuò)系統(tǒng)的抗多徑干擾性能多徑信道就是發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間電波傳播的路徑不止一條。例如由于大氣層的反射和折射，以及由于建筑物等對(duì)電波的反射都是形成多徑信道的原因。不同的傳播路徑使電波在幅度上衰減不同，到達(dá)時(shí)間的延遲也不同。直擴(kuò)系統(tǒng)能夠同步鎖定在最強(qiáng)的直達(dá)路徑的電波上。其它有延遲到達(dá)的電波，由于相關(guān)解擴(kuò)的作用，只起到噪聲干擾的作用。這就是利用 PN 碼的自相關(guān)特性，只要延遲超過(guò)半個(gè) PN 碼時(shí)片，其相關(guān)值就很小，可作為噪聲來(lái)對(duì)待。另外，如果采用不同時(shí)延的匹配濾波器，把多徑信號(hào)分離出來(lái)，還可以變害為利，將這些多徑信號(hào)在相位上對(duì)齊相加，起到增加

35、接收信號(hào)能量的作用。因此，直擴(kuò)系統(tǒng)是一種有效的抗多徑干擾的通信系統(tǒng)。2.3.5直擴(kuò)測(cè)距定時(shí)系統(tǒng)直擴(kuò)系統(tǒng)的發(fā)展是從測(cè)距開(kāi)始的。電磁波在空間是以固定的光速傳播的。如果測(cè)定了電波傳播的時(shí)間，也就測(cè)定了距離。用直擴(kuò)信號(hào)來(lái)測(cè)取和定時(shí)有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)采用一個(gè)較長(zhǎng)周期的 PN 碼序列作為發(fā)射信號(hào)、用它于目的地反射回來(lái)或轉(zhuǎn)發(fā)回來(lái)的 PN 碼序列的相位進(jìn)行比較，即比較兩個(gè)碼序列相差的時(shí)片數(shù)，就可以看出其時(shí)間差，也就能換算出發(fā)射機(jī)與目的地之間的距離。不難把碼片選得很窄，即碼的鐘速率很高，則可以高精度的測(cè)距與定時(shí)，基本的分辨率即一個(gè)碼片。此外，有了精確的測(cè)距的定時(shí)系統(tǒng)，不難形成一個(gè)精確的定位系統(tǒng)；按照簡(jiǎn)單的幾何關(guān)系

36、，已知兩個(gè)點(diǎn)的位置(坐標(biāo))和距離，及其在某一平面上分別與第三點(diǎn)的距離，也就能確定第三點(diǎn)的坐標(biāo)位置。石家莊鐵道大學(xué)四方學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)112.3.6擴(kuò)頻序列通信系統(tǒng)的同步原理任何數(shù)字通信系統(tǒng)都是離散信號(hào)的傳輸，要求收發(fā)兩端信號(hào)在頻率上相同和相位上一致，才能正確地解調(diào)出信息。擴(kuò)頻通信系統(tǒng)也不例外。一個(gè)相干擴(kuò)頻數(shù)字通信系統(tǒng)，接收端與發(fā)送端必須實(shí)現(xiàn)信息碼元同步、PN 碼碼元和序列同步和射頻載頻同步。只有實(shí)現(xiàn)了這些同步，直擴(kuò)系統(tǒng)才能正常的工作?？梢哉f(shuō)沒(méi)有同步就沒(méi)有擴(kuò)頻通信系統(tǒng)。同步系統(tǒng)是擴(kuò)頻通信的關(guān)鍵技術(shù)。信息碼元時(shí)鐘可以和 PN 碼元時(shí)鐘聯(lián)系起來(lái)，有固定的關(guān)系，一個(gè)實(shí)現(xiàn)了同步，另一個(gè)自然也就同步了。對(duì)于載

37、頻同步來(lái)說(shuō)，主要是針對(duì)相干解調(diào)的相位同步而言。常見(jiàn)的載頻提取和跟蹤的方法都可采用，例如用跟蹤鎖相環(huán)來(lái)實(shí)現(xiàn)載頻同步。因此，這里我們只需討論 PN 碼碼元和序列的同步。 一般說(shuō)來(lái)，在發(fā)射機(jī)和接收機(jī)中采用精確的頻率源，可以去掉大部分頻率和相位的不確定性。但引起不確定性的因素如下：1、收發(fā)信機(jī)的距離引起傳播的延遲產(chǎn)生的相位差；2、收發(fā)信機(jī)相對(duì)不穩(wěn)定性引起的頻差； 3、收發(fā)信機(jī)相對(duì)運(yùn)動(dòng)引起的多普勒頻移； 4、以及多徑傳播也會(huì)影響中心頻率的改變。因此，只靠提高頻率源的穩(wěn)定度是不夠的，需要采取進(jìn)一步提高同步速率和精度的方法。 同步系統(tǒng)的作用就是要實(shí)現(xiàn)本地產(chǎn)生的 PN 碼與接收到的信號(hào)中的 PN 碼同步，即頻

38、率上相同，相位上一致9。同步過(guò)程一般說(shuō)來(lái)包含兩個(gè)階段： 1、接收機(jī)在一開(kāi)始并不知道對(duì)方是否發(fā)送了信號(hào)，因此，需要有一個(gè)搜捕過(guò)程，即在一定的頻率和時(shí)間范圍內(nèi)搜索和捕獲用信號(hào)。這一階段也稱為起始同步或粗同步，也就是要把對(duì)方發(fā)來(lái)的信號(hào)與本地信號(hào)在相位之差納入同步保持范圍內(nèi)，即在PN 碼一個(gè)時(shí)片內(nèi)。 2、一旦完成這一階段后，則進(jìn)入跟蹤過(guò)程，即繼續(xù)保持同步，不因外界影響而失去同步。也就是說(shuō)，無(wú)論由于何種因素兩端的頻率和相位發(fā)生偏移，同步系統(tǒng)能加以調(diào)整，使收發(fā)信號(hào)仍然保持同步。石家莊鐵道大學(xué)四方學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)12如果由于采種原因引起失步，則重新開(kāi)始新的一輪搜捕和跟蹤過(guò)程。因此，整個(gè)同步過(guò)程是包含搜捕和跟蹤兩

39、個(gè)階段閉環(huán)的自動(dòng)控制和調(diào)整過(guò)程。圖 2-5 為同步系統(tǒng)搜捕和跟蹤原理圖，圖中接收到的信號(hào)經(jīng)寬帶濾波器后，在乘法器中與本地 PN 碼進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算。此時(shí)搜捕器件，調(diào)整壓控鐘源，調(diào)整 PN 碼發(fā)生器產(chǎn)生的本地脈序列偽重復(fù)頻率和相位，以搜捕有用信號(hào)。一旦捕獲到有用信號(hào)后，則起動(dòng)跟蹤器件，由其調(diào)整壓控鐘源，使本地 PN 碼發(fā)生器與外來(lái)信號(hào)保持同步。接收信號(hào)圖 2-5同步系統(tǒng)搜捕和跟蹤原理圖輸出出寬帶濾波器碼跟蹤器PN 碼發(fā)生器壓控鐘源搜捕器件解調(diào)器石家莊鐵道大學(xué)四方學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)13第 3 章基于 Simulink 的直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的仿真3.1直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)功能模塊的連接及設(shè)置3.1.1功能模

40、塊的連接根據(jù)仿真系統(tǒng)框圖，用鼠標(biāo)點(diǎn)擊并移動(dòng)所需功能模塊到合適的位置，將鼠標(biāo)移到有關(guān)功能模塊的輸出端(有一個(gè)向外的箭頭)，選中該輸出端并移動(dòng)鼠標(biāo)到另個(gè)功能模塊的輸入端(有個(gè)向內(nèi)的箭頭)，移動(dòng)時(shí)出現(xiàn)虛線。到達(dá)所需輸入端時(shí)，釋放鼠標(biāo)左鍵，相應(yīng)的連接線出現(xiàn)，表示該連接已完成。重復(fù)上述連接過(guò)程，直到完成全部連接，組成仿真系統(tǒng)。1、連接時(shí)，應(yīng)注意下列幾點(diǎn)：1)從功能模塊輸出端連接到另一功能模塊的輸入端，也可從一個(gè)功能模塊輸入端反向連接到另一個(gè)功能模塊的輸出端；2)一個(gè)輸出端連接多個(gè)輸入端時(shí)，可采用從個(gè)功能模塊輸入端連接到另一個(gè)功能模塊輸出端的方法，或直接與該功能模塊輸出端的引出線連接。在連接時(shí)，可在連接線

41、交點(diǎn)處按下“Shift”鍵，再釋放鼠標(biāo)左鍵；3)移動(dòng)連接線位置的方法是，選中連接線，在連接線的各轉(zhuǎn)角處出現(xiàn)小方塊，鼠標(biāo)選中所需方塊，拖動(dòng)到合適位置后釋放鼠標(biāo)左鍵；4)增加連接線轉(zhuǎn)折點(diǎn)的方法是，選中連接線，鼠標(biāo)移到所需增加轉(zhuǎn)折點(diǎn)處，按下“Shift”鍵，點(diǎn)擊鼠標(biāo)左鍵，移動(dòng)轉(zhuǎn)折點(diǎn)到所需位置；5)連接線的復(fù)制、粘貼和剪切等操作方法與 Windows 對(duì)應(yīng)的操作方法相同； 2、功能模塊的參數(shù)設(shè)置使用者需設(shè)置功能模塊參數(shù)后，方可進(jìn)行仿真操作。不同功能模塊的參數(shù)是不相同的，用鼠標(biāo)雙擊該功能模塊自動(dòng)彈出相應(yīng)的參數(shù)設(shè)置對(duì)話框。石家莊鐵道大學(xué)四方學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)14圖 3-1傳遞函數(shù)模型參數(shù)設(shè)置對(duì)話框例如，圖 3-

42、1 是傳遞函數(shù)模型功能模塊的對(duì)話框。功能模塊對(duì)話框由功能模塊說(shuō)明和參數(shù)設(shè)置框組成。功能模塊說(shuō)明框用于說(shuō)明該功能模塊使用方法和功能；參數(shù)框用于設(shè)置該功能模塊的參數(shù)。例如傳遞函數(shù)參數(shù)框由分子和分母多項(xiàng)式兩個(gè)編輯框組成，在分子多項(xiàng)式框中，用戶可輸入系統(tǒng)模型的分子多項(xiàng)式，在分母多項(xiàng)式框中，輸入系統(tǒng)模型的分母多項(xiàng)式等10。設(shè)置功能模塊的參數(shù)后，點(diǎn)擊 OK 軟鍵進(jìn)行確認(rèn)，將設(shè)置參數(shù)送仿真操作畫面，并關(guān)閉對(duì)話框。3、仿真系統(tǒng)操作參數(shù)設(shè)置在仿真操作前，應(yīng)設(shè)置仿真操作的參數(shù)。包括仿真器參數(shù)和示波器參數(shù)的設(shè)置。1)仿真器參數(shù)設(shè)置 點(diǎn)擊圖 3-1 操作畫面“Simulation”下拉式菜單“Simulation P

43、arameters”選項(xiàng)，彈出如圖 3-2 所示的仿真參數(shù)設(shè)置畫面。共有解算器(Solver)、工作空間輸人輸出(Workspace I/O)、診斷(Diagnostics)、高級(jí)屬性(Advanced)和實(shí)時(shí)工作室(RealTime Workshop)等 5 個(gè)頁(yè)面。石家莊鐵道大學(xué)四方學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)15圖 3-2仿真器參數(shù)設(shè)置對(duì)話框解算器頁(yè)面用于設(shè)置仿真開(kāi)始和終止時(shí)間，解算器類型(定步長(zhǎng)和變步長(zhǎng)兩類)和具體的解算算法、最大最小步長(zhǎng)和初始步長(zhǎng)、容許誤差(相對(duì)和絕對(duì)誤差)、輸出方式和精細(xì)因子設(shè)置等。通常，仿真操作時(shí)可根據(jù)仿真曲線設(shè)置終止時(shí)間和最大步長(zhǎng)，以便得到較光滑的輸出曲線。工作空間輸入輸出頁(yè)面

44、用于將仿真操作窗口的仿真結(jié)果送(寫)到 MATLAB 工作空間，或?qū)?shù)據(jù)從工作空間讀到仿真操作窗口。診斷頁(yè)面用于對(duì)仿真中出現(xiàn)的異常情況進(jìn)行診斷。高級(jí)屬性頁(yè)面用于模型參數(shù)的在線組態(tài)和優(yōu)化操作。實(shí)時(shí)工作室頁(yè)面用于設(shè)置系統(tǒng)目標(biāo)文件、暫存構(gòu)成文件和構(gòu)成命令，建立目錄等11。 2)示波器參數(shù)設(shè)置 當(dāng)采用示波器顯示仿真曲線時(shí)，需對(duì)示波器參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。示波器有單蹤和雙蹤示波器兩種。單蹤示波器指顯示輸入信號(hào)(可以有多個(gè)輸入信號(hào))與時(shí)間關(guān)系的設(shè)備，雙蹤示波器指顯示兩個(gè)輸入信號(hào)之間關(guān)系的設(shè)備。(1)單蹤示波器參數(shù)設(shè)置操作 點(diǎn)擊已存在的示波器，彈出如圖 3-3 所示的單蹤示波器顯示畫面，點(diǎn)擊畫面的圖標(biāo)“” ，彈出如

45、圖 3-4 所示的示波器屬性對(duì)話框，分 2 個(gè)頁(yè)面。用于設(shè)置顯示坐標(biāo)窗口數(shù)、顯示時(shí)間范圍、標(biāo)記和顯示頻率或采樣時(shí)間等。時(shí)間范圍應(yīng)與仿真器終止時(shí)間一致，以便最大限度顯示仿真操作數(shù)據(jù)。鼠標(biāo)右鍵點(diǎn)擊示波器顯示窗口，從彈出菜單選擇“Autoscale” ，或直接點(diǎn)擊圖標(biāo)“” ，可在響應(yīng)曲線顯示后自動(dòng)調(diào)整縱坐標(biāo)范圍；從彈出的菜單選擇“Save current axes settings” ，或直接點(diǎn)擊圖標(biāo)“” ，將當(dāng)前坐標(biāo)軸范圍的設(shè)置數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。此外，還有石家莊鐵道大學(xué)四方學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)16打印和對(duì) X、Y 或同時(shí)放大或恢復(fù)等操作。(2)雙蹤示波器參數(shù)設(shè)置操作 雙蹤示波器的參數(shù)即該功能模塊的參數(shù)，有 X和

46、Y 坐標(biāo)的范圍和采樣時(shí)間設(shè)置。圖 3-3單蹤示波器顯示畫面圖 3-4單蹤示波器屬性對(duì)話框3.1.2直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)功能模塊的連接及設(shè)置在 MATLAB 中，用于通信系統(tǒng)仿真的模塊主要由兩大部分構(gòu)成：通用仿真模塊和專用仿真模塊。它們分別屬于標(biāo)準(zhǔn)仿真子模塊庫(kù)和通信子模塊庫(kù)。一個(gè)典型的 Simulink 模塊由信源、系統(tǒng)及信宿等三部分組成。他們的關(guān)系如圖3-5 所示。 信源系統(tǒng)信宿圖 3-5Simulink 模型的典型結(jié)構(gòu)信源提供系統(tǒng)的輸入信號(hào)，如常量、正弦波、方波等；系統(tǒng)是對(duì)仿真對(duì)象的數(shù)學(xué)抽象，比如是連續(xù)線性系統(tǒng)，還是非連續(xù)線性系統(tǒng)？對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行求和，還是石家莊鐵道大學(xué)四方學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)17對(duì)

47、輸入信號(hào)進(jìn)行了一次調(diào)制？信宿是接收信號(hào)的部分，用戶可以把它送到示波器中顯示出來(lái)，或者保存到相應(yīng)的.mat 文件。通信系統(tǒng)仿真的基本步驟如下：1)建立數(shù)學(xué)模型：根據(jù)通信系統(tǒng)的基本原理，將整個(gè)系統(tǒng)簡(jiǎn)化到源系統(tǒng)，確定總的系統(tǒng)功能，并將各部分功能模塊化，找出各部分之間的關(guān)系，畫出系統(tǒng)流程框圖模型。2)仿真系統(tǒng)：根據(jù)建立的模型，從 SIMULINK 通信模型庫(kù)(MATLAB 所提供的 Communication Toolbox SIMULINK Block Library)的各個(gè)子庫(kù)中，將所需要的單元功能模塊拷貝到 Untitled 窗口，按系統(tǒng)流程框圖模型連接，組建要仿真的通信系統(tǒng)模型。3)設(shè)置、調(diào)整

48、參數(shù)：參數(shù)設(shè)置包括運(yùn)行系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置(如系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間、采樣速率等)和功能模塊運(yùn)行參數(shù)設(shè)置(正弦信號(hào)的頻率、幅度、初相；低通濾波器的截至頻率、通帶增益、阻帶衰減等)。4)置觀察窗口，分析仿真數(shù)據(jù)和波形：在系統(tǒng)模型的關(guān)鍵點(diǎn)處設(shè)置觀測(cè)輸出模塊，用于觀測(cè)仿真系統(tǒng)的運(yùn)行情況，以便及時(shí)調(diào)整參數(shù)，分析結(jié)果。5)生成新的模塊：對(duì)于 Communication Toolbox 中沒(méi)有的功能模塊，可以根據(jù)已掌握的技術(shù)生成所需新的子模塊，例如由 C 或 Fortran 編寫 MEX 文件，編譯成DLL 后利用 SIMULINK 提供的封裝(Masking)功能封裝或自定義模塊庫(kù)，以便隨時(shí)調(diào)用。下面就對(duì)直接序列擴(kuò)頻通信

49、系統(tǒng)里的擴(kuò)頻與解擴(kuò)、BPSK 調(diào)制、編碼信道AWGN 信道進(jìn)行了 Simulink 模塊仿真。用到的主要模塊如圖 3-6 所示圖 3-6仿真用到的主要模塊1)Scope將輸入信號(hào)在示波器中顯示出來(lái)。石家莊鐵道大學(xué)四方學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)18擴(kuò)頻后的信息PN 碼序列用戶信息圖 3-7 擴(kuò)頻框圖2)Display將輸入信號(hào)以數(shù)字的形式顯示出來(lái)。3)Error Rate Calculation計(jì)算輸入信號(hào)的比特或符號(hào)錯(cuò)誤率。4)AWGN channelAWGN 信道。5)PN Sequence Generator生成 PN 序列。6)Bernoulli Binary Generator生成 Bernoull

50、i 分部二進(jìn)制數(shù)。7)BPSK Demodulator Basband BPSK 解調(diào)。8)BPSK Modulator BasbandBPSK 調(diào)制。1、擴(kuò)頻與解擴(kuò)的 Simulink 仿真圖擴(kuò)頻模塊包括偽隨機(jī)碼生成和相關(guān)運(yùn)算兩個(gè)部分。不同的偽隨機(jī)碼表示著不同的擴(kuò)頻方式。常用的偽隨機(jī)碼有 m 序列(最大長(zhǎng)度移位寄存器序列)、Gold 碼序列等。在直序擴(kuò)頻序列通信系統(tǒng)中，每一用戶都分配到一固定的 PN 序列，用戶之間的 PN序列都是互為正交的，以使得每一用戶不受到其他用戶的干擾。擴(kuò)頻的過(guò)程可以簡(jiǎn)而言之為在發(fā)送端用 PN 碼序列將載有信息的信號(hào)擴(kuò)頻到某個(gè)較寬的帶寬上，然后在信道上進(jìn)行傳輸。解擴(kuò)過(guò)

51、程與擴(kuò)頻過(guò)程完全相同，也是將輸入解擴(kuò)模塊的信號(hào)用偽隨機(jī)碼進(jìn)行擴(kuò)頻處理。同時(shí)，要求接收端解擴(kuò)頻用的偽隨機(jī)碼與發(fā)送端擴(kuò)頻用的偽隨機(jī)碼不僅碼字相同，而且相位相同；否則，將會(huì)導(dǎo)致期望用戶的信號(hào)自身相互抵消。解擴(kuò)處理將擴(kuò)頻后的信號(hào)壓縮到信息頻帶內(nèi)，由寬帶信號(hào)恢復(fù)為窄帶信號(hào)；同時(shí)，解擴(kuò)處理的結(jié)果也擴(kuò)展了干擾信號(hào)，降低了干擾信號(hào)的功率譜密度，使之進(jìn)入到信息頻帶內(nèi)的功率下降，從而使系統(tǒng)獲得處理增益，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。圖 3-7 是用戶信息被擴(kuò)展的框圖。圖 3-8 是擴(kuò)頻的仿真模型，圖中一個(gè)隨機(jī)序列與 PN 碼序列異或相乘得一個(gè)新的序列，使隨機(jī)序列的頻譜被擴(kuò)展。圖 3-9 的第一個(gè)波形輸入的隨機(jī)信號(hào)的波形

52、，第二個(gè)波形是擴(kuò)頻后的波形，第三個(gè)波形是生成的 PN 碼序列的波形。石家莊鐵道大學(xué)四方學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)19圖 3-8擴(kuò)頻仿真模型圖 3-9輸出的 PN 碼擴(kuò)頻波形圖2、BPSK 調(diào)制的 Simulink 仿真圖BPSK 是二進(jìn)制相移鍵控，在二進(jìn)制數(shù)字調(diào)制中，當(dāng)正弦載波相位隨二進(jìn)制數(shù)字基帶信號(hào)離散變化時(shí)，則產(chǎn)生 BPSK 信號(hào)。通常用已調(diào)信號(hào)載波的 0和 180分別表示二進(jìn)制數(shù)字基帶信號(hào)的 1 和 0。理想的 BPSK 調(diào)制可使載波相位瞬時(shí)變化180。BPSK 信號(hào)的調(diào)制原理圖如圖 3-10 所示。石家莊鐵道大學(xué)四方學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)20ebpsk(t)開(kāi)關(guān)電路 S（t）cosct180移相圖 3-10B

53、PSK 調(diào)制原理圖BPSK 信號(hào)的解調(diào)通常都是采用相干解調(diào)，解調(diào)器原理圖如圖 3-11 所示，在相干解調(diào)過(guò)程中需要用到與接收到的 BPSK 信號(hào)同頻同相的相干波。圖 3-12 是 BPSK 調(diào)制與解調(diào)框圖，圖 3-13是 BPSK 調(diào)制與解調(diào)的 Simulink 模型，3-14 是信源輸入的隨機(jī)數(shù)字信息的波形，圖 3-15 是隨機(jī)數(shù)字信息經(jīng) BPSK 調(diào)制后的頻譜圖。隨機(jī)數(shù)字信息輸出信息BPSK 解調(diào)信道BPSK 調(diào)制圖 3-12BPSK 調(diào)制與解調(diào)框圖圖 3-13BPSK 調(diào)制與解調(diào)模型 cosct相乘器輸出ebpsk(t)圖 3-11BPSK 解調(diào)原理圖石家莊鐵道大學(xué)四方學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)21圖

54、 3-14信源產(chǎn)生的隨機(jī)序列圖 3-15BPSK 調(diào)制仿真頻譜圖3、編碼信道的 Simulink 仿真圖在數(shù)字通信系統(tǒng)中，編碼器的輸出是某一數(shù)字序列，而譯碼器輸入同樣也是一數(shù)字序列，它們?cè)谝话闱闆r下是相同的數(shù)字序列。因此，從編碼器輸出端到譯碼器石家莊鐵道大學(xué)四方學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)22輸入端的所有轉(zhuǎn)換器及傳輸媒質(zhì)可用一個(gè)完成數(shù)字序列變換的方框加以概括，這個(gè)方框就稱為編碼信道。如圖 3-16 所示。本設(shè)計(jì)中采用 AWGN 作為編碼信道，所謂AWGN 信道，是指信號(hào)在信道中傳輸時(shí)加入了高斯白噪聲，如圖 3-17 的仿真波形中第一個(gè)圖形為輸入信息，第二個(gè)波形為加入高斯白噪聲后的波形。 圖 3-16AWGN

55、信道仿真 圖 3-17通過(guò) AWGN 信道輸出前和輸出后的波形3.2直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)假設(shè)該系統(tǒng)以 BPSK 方式調(diào)制，數(shù)據(jù)傳輸率為 100bps，擴(kuò)頻碼片速率為 2000，信號(hào)通過(guò) AGWN 信道后受到了頻率為 200Hz 的正弦信號(hào)的干擾，建立系統(tǒng)schip模型并觀察各個(gè)階段信號(hào)的波形與頻譜，測(cè)試傳輸信號(hào)的誤碼率。發(fā)射端的仿真模型如圖 3-18 所示：石家莊鐵道大學(xué)四方學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)23圖 3-18發(fā)射端仿真模型在上面的模型中 Bernoulli Binary Generator 即伯努力二進(jìn)制發(fā)生器，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)流相當(dāng)于信源，其采樣時(shí)間(sample time)設(shè)置為 1/100

56、，即數(shù)據(jù)流的傳輸速率為100bps。PN Sequence Generator 用于產(chǎn)生 PN 序列，設(shè)置其采樣時(shí)間(sample time)為 1/2000，即擴(kuò)頻碼片速率為 2000chip/s。由于相乘時(shí)數(shù)據(jù)流的傳輸速率要與擴(kuò)頻碼片序列相同，因此可用 Rate Transition 提升數(shù)據(jù)流的傳輸速率，將其 out put sample time 設(shè)置為 1/2000。Unipolar to Bipolar Converter 模塊用于將單極性碼變?yōu)殡p極性碼，Bipolar to Unipolar Converter 則剛好相反。乘法器輸出的就是擴(kuò)頻序列。通過(guò)示波器 Scope1 可以

57、觀察原信息序列、PN 序列和擴(kuò)頻序列。為了方便觀察原來(lái)信號(hào)和擴(kuò)頻后信號(hào)的頻譜變化，我們希望頻譜觀察范圍達(dá)到 8kHz，需要被觀察信號(hào)的采樣率達(dá)到 16000 次/s，因此在模型中使用 Rate Transition 模塊是需要觀測(cè)的信號(hào)的采樣率達(dá)到 16000 次/s。圖 3-19原數(shù)據(jù)信號(hào)的頻譜石家莊鐵道大學(xué)四方學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)24圖 2-20擴(kuò)頻信號(hào)的頻譜圖 3-21三路信號(hào)的時(shí)域波形接收端的仿真模型如圖 3-22 所示。偽 偽 偽偽 偽 偽 偽 偽 偽 偽 偽偽 偽 偽 偽 偽 偽偽 偽 偽 偽 偽偽 偽 偽 偽 偽BPSK偽 偽Unipolar toBipolarConverterUnip

58、olar toBipolarConverter3Unipolar toBipolarConverterUnipolar toBipolarConverterUnipolar toBipolarConverterUnipolar toBipolarConverterB-FFTSpectrumScope偽 偽 偽 偽B-FFTSpectrumScope2偽 偽 偽 偽B-FFTSpectrumScope1偽 偽 偽 偽Sine Wave偽 偽 偽 偽 偽Scope1Scope1/zRate Transition31/zRate Transition21/zRate Transition11/zRa

59、te TransitionProduct1偽 偽Product偽 偽PN SequenceGeneratorPN SequenceGenerator1PN SequenceGeneratorPN SequenceGeneratorz-2Integer Delay Error Rate CalculationTxRx0.0217812551Bipolar toUnipolarConverterBipolar toUnipolarConverterBernoulliBinaryBernoulli BinaryGeneratorBPSKBPSKModulatorBasebandBPSKBPSKDem

60、odulatorBaseband1AWGNAWGNChannel圖 3-22接收端仿真模型石家莊鐵道大學(xué)四方學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)25其中從解擴(kuò)開(kāi)始為接收端。AWGN 為高斯白噪聲信道，設(shè)置其噪聲的均值為10。正弦信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生頻率為 200Hz 的單頻干擾。PN Sequence Generator 為本地PN 序列，是與發(fā)射機(jī)中的 PN 序列完全相同的。從加法器出來(lái)的信號(hào)即為接收到的信號(hào)，其中包含有有用信號(hào)，噪聲和干擾，該信號(hào)和本地 PN 序列相乘進(jìn)行解擴(kuò)，Scope1 頻譜儀中的頻譜就是解擴(kuò)后的接收信號(hào)的頻譜，其中有用信號(hào)被還原為窄帶信號(hào)，噪聲和干擾的頻譜反而被展寬。利用 Error Rate C