【正文】 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 中北大學(xué)分校學(xué)士學(xué)位論文 22 言。較為常見的 MATLAB 工具箱有：控制系統(tǒng)工具箱、系統(tǒng)辯識(shí)工具箱、多變量頻率設(shè)計(jì)工具箱、分析與綜合工具箱、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱、最優(yōu)化工具箱 、信號(hào)處理工具箱、模糊推理系統(tǒng)工具箱，以及通信工具箱等。在用 SIMULINK 模塊框圖的仿真中，每個(gè)模塊，在每個(gè)時(shí)間步長上執(zhí)行一次，就是說，所有 的模塊在每個(gè)時(shí)間步長上同時(shí)執(zhí)行。 MATLAB 的基本操作 在桌面上雙擊 的“啟動(dòng)”圖標(biāo)后將啟動(dòng) MATLAB。菜單欄和工具欄操作方法和其它應(yīng)用程序中的操作方法相同。它與傳統(tǒng)的仿真軟件包微分方程和差分方程建模相比，具有更直觀、方便、靈活的優(yōu)點(diǎn)。在定義完一個(gè)模型后，用戶可以通過 SIMULINK 的菜單或 MATLAB的命令窗口 鍵入命令來對(duì)它進(jìn)行仿真。仿真的結(jié)果還可以存放到 MATLAB 的工作空間里做事后處理。執(zhí)行 Simulink 的模塊庫瀏覽器的菜單“ File” /“ New”/“ Model”命令，或單擊工具欄上的“ ”圖標(biāo)，或采用快 捷鍵 [Ctrl+N]都可打開模型編輯窗口，如圖 53 所示 1. 功能模塊的連接 圖 52 Simulink 的模塊庫瀏覽器 圖 53 模型編輯窗口 中北大學(xué)分校學(xué)士學(xué)位論文 25 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。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 。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。 1) 仿真器參數(shù)設(shè)置 點(diǎn)擊圖 53 操作畫面“ Simulation”下拉式菜單“ Simulation Parameters… ”選項(xiàng)，彈出如圖 56 所示的仿真參數(shù)設(shè)置畫面 。 工 作空間輸入輸出頁面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。 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。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。 （ 2） 雙蹤示波器參數(shù)設(shè)置操作 雙蹤。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)。單蹤示被器指顯示輸入信號(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。高級(jí)屬性頁面用于模型參數(shù)的在線組態(tài)和優(yōu)化操作。 圖 55 仿真器參數(shù)設(shè)置對(duì)話框 解算器頁面用于設(shè)置仿真開始和終止時(shí)間，解算器類型 (定步長和變步長兩類 )和具體的解算算法、最大最小步長和初始步長、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。 中北大學(xué)分校學(xué)士學(xué)位論文 26 在仿真操作前，應(yīng)設(shè)置仿真操作的參數(shù)。功能模塊對(duì)話框由功能模塊說明和參數(shù)設(shè)置框組成。 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。由于 MATLAB 和 SIMULINK 的集成在一起的，因此用戶可以在這兩種環(huán)境下對(duì)自己的模型進(jìn)行仿真、分析和修改。采用 SCOPE 模塊和其他的畫圖模塊，在仿真進(jìn)行的同時(shí)，就可觀看到仿真結(jié)果。 用 SIMULINK 創(chuàng)建的模型可以具有遞階結(jié)構(gòu)，因此用戶可以采用從上到下或從下到上的結(jié)構(gòu)創(chuàng)建模型。在 SIMULINK 環(huán)境中，利用鼠標(biāo)就可以在模型窗口中直觀地 “畫 ”出系統(tǒng)模型，然后直接進(jìn)行仿真。 從圖 51 中可以看到 MATLAB 的啟動(dòng)界面主要包括六部分：標(biāo)題欄、菜單欄、工具條、Command Window（命令窗口）、 Workspace（工作窗口）、 Command History（歷史命令窗口）及 Start（項(xiàng)目啟動(dòng)菜單）。而在用MATLAB 函數(shù)的仿真中，函數(shù)按照數(shù)據(jù)流的順序依次執(zhí)行，意味著所處理的數(shù)據(jù)，首先要經(jīng)過一個(gè)運(yùn)算階段，然后再激活下一個(gè)階段，這種仿真被稱為數(shù)據(jù)流仿真。通信工具箱中的模塊可供直接使用，并允許修改，使用起來十分方便，因而完全可以滿足使用者設(shè)計(jì)和運(yùn)算的需要。 目前 MATLAB 已經(jīng)成為國際上最流行的軟件之一，除了可提供傳統(tǒng)的交互式的編程方法之外，還能提供豐富可靠的矩陣運(yùn)算、圖形繪制、數(shù)據(jù)處理、圖像處理和方便的 Windows 編程工具等。 圖 45 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。 2. 一旦完成這一階段后，則進(jìn)入跟蹤過程，即繼續(xù)保持同步，不因外界影響而失去同步。 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。 中北大學(xué)分校學(xué)士學(xué)位論文 21 一般說來，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。信息碼元時(shí)鐘可以和 PN 碼元時(shí)鐘聯(lián)系起來，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。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。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 距與定時(shí)，基本的分辨率即一個(gè)碼片。電磁波在空間是以固定的光速傳播的。這就是利用 PN 碼的自相關(guān)特性，只要延遲超過半個(gè)PN碼時(shí)片，其相關(guān)值就很小，可作為噪聲來對(duì)待。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。 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。 Gold 碼就 可以作為地址碼來用，它既有較優(yōu)良的相關(guān)特性，也有足夠的數(shù)量可供選。另外，每個(gè)用戶占用的頻寬很窄，相對(duì)說來，頻譜利用率也是高的。首先，利用直擴(kuò)信號(hào)中 PN碼的相關(guān)特性來區(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)。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)的檢測與估值問題。因此，它具有很強(qiáng)的抗截獲性。由于有用信號(hào)能順利通過窄帶濾波器，因此提高了輸出的信噪比。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， 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。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 PG ， PG 越大，抗干擾能力就越強(qiáng)。濾除不相關(guān)的各種干擾，經(jīng)解調(diào)恢復(fù)出原始信息。 相關(guān)器的作用在這里可等效為對(duì)輸入相關(guān)器的 ??1st 、 ??2st相位進(jìn)行模 2 加。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。已調(diào)波與載波的相位關(guān)系如圖 42 中的第（ 6）個(gè)圖所示。但圖 42 中（ 4）示出的載波波形 cT =寬度為 pT ，這是為了便于看清楚一些，否則要在一個(gè) pT期間內(nèi)畫幾十個(gè)甚至幾百個(gè)正弦波。所謂調(diào)制，就是指相乘過程，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)。 經(jīng)過擴(kuò)頻，還要載頻調(diào)制，以便信號(hào)在信道上有效的傳輸。 c（ t）的波形如圖 42 所示中的第（ 3）個(gè)波形。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），記作 p（ t）。通常的擴(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。除此之外，擴(kuò)頻系統(tǒng)的其他一些性能也大都與 PG有關(guān)。這就是擴(kuò)頻通信的基本思想和理論依據(jù)。 中北大學(xué)分校學(xué)士學(xué)位論文 14 柯捷爾尼可夫在其潛在抗干擾性理論中得到如下關(guān)于信息傳輸差錯(cuò)概率的公式 0ef Ep n??? ???? （ 42） 此公式指出，差錯(cuò)概率 Pe 是信號(hào)能量 E與噪聲功率譜密度 on 之比的函數(shù)。這可用信息論和抗干擾理論的基本觀點(diǎn)來說明： 根據(jù) 香 農(nóng) ()在信息論研究中總結(jié)出的信道容量公式， 香 農(nóng)公式： 2l o g (1 )SCB N?? （ 41） 式中： C信息的傳輸速率 （信道容量） 單位 b/s； S信號(hào) 平均 功率 單位 W； B頻帶寬度 單位 Hz； N噪聲 平均 功率 單位 W。而在接收端，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。 兩個(gè) m 序列優(yōu)選對(duì)不同移位相加產(chǎn)生的新序列都是 Gold 序列。 互相關(guān) 31 位自相關(guān) 圖 33 自相關(guān)和 互相關(guān)函數(shù) 曲線 鐘源 碼發(fā)生器 1 （ a） Gold 碼發(fā)生器的的原理結(jié)構(gòu)圖 碼 3（碼 1? 碼 2 ） 碼發(fā)生器 2 中北大學(xué)分校學(xué)士學(xué)位論文 12 圖 3－ 4(b)中為兩個(gè) 5 級(jí) m 序列優(yōu)選對(duì)構(gòu)成的 Gold 碼發(fā)生器。每改變兩個(gè) m序列相對(duì)位移就可得到一個(gè)新的 Gold 序列。它們的互相關(guān)函數(shù)如圖 33(實(shí)線 )，由小于某一極大值的旁瓣構(gòu)成。R178。 m序列發(fā)生器中，并不是任何抽頭組合都能產(chǎn)生 m 序列。 m 序列和其移位后的序列逐位模二相加，所得的序列還是 m 序列，只是相移不同而已。在 15位碼中有 8個(gè) “l(fā)” 和 7 個(gè) “0” 。 “l(fā)” 和 “0” 的游程數(shù)相等。同理我 們 不難得到3 6 12 25 51 l023? 位的 m序列。有的抽頭組合并不能產(chǎn)生最長周期的序列。在時(shí)鐘脈沖的驅(qū)動(dòng)下，輸出序列作周期性的重復(fù)。在圖 (c)中示出，在時(shí)鐘脈沖驅(qū)動(dòng)下，三級(jí)移位寄存器的暫存數(shù)據(jù)按列改變。 圖中 Dl、 D D3 為三級(jí)移位寄存器，為模二加法器。 顧名思義， m 序列是由多級(jí)移位寄存器或其他延遲元件通過線性反饋產(chǎn)生的最長的碼序（ a） f（ t? ） ???? ? t t ? f（ t） （ b） f（ t） 圖 31 隨機(jī)噪聲的自相關(guān)性 ? rf ???? ???? 2t? 02? （ d） t t f（ t? ） ?? （ c） 02?? 1 1 1 0 1 0 0 1 1 1 中北大學(xué)分校學(xué)士學(xué)位論文 9 列。 m 序列 m序列是最長線性移位寄存器序列的簡稱。兩個(gè)不同 信號(hào)波形 f(t)與 g(t)之間的相似性用互相關(guān)函數(shù)來表示： ? ? ? ? ? ?/2/21l im Tc TT f t g t d tT? ? ??????? （ 32） 如果兩個(gè)信號(hào)都是完全隨機(jī)的，在任意延遲時(shí)間 t 都不相同，則上式為 0。由于這種碼序列具有周期性，又容易產(chǎn)生，它就是下面即將介紹的 m 序列，成為直擴(kuò)系統(tǒng)中常用的擴(kuò)頻碼序列。 ? 0 為脈沖寬度。如果用＋ 1， － 1脈沖分別表示 “l(fā)” 和 “0” ，則在圖 31 (c)中示出其波形和它相對(duì)延遲 ? 個(gè)時(shí)片的波形。因?yàn)槲覀儾荒墚a(chǎn)生兩個(gè)完全相同的隨機(jī)信號(hào)。這是一種理想的二值自相關(guān)特性。當(dāng) t＝ 0 時(shí)，兩個(gè)波形完全相同、重疊，積分平均為一常數(shù)。 因此， ??a??的大小可用來表征 f(t)與自身延遲后的 ? ?ft?? 的相關(guān)性，故稱為自相關(guān)函數(shù)。用它們代表兩種信號(hào)，其差別性就最大。我們只能產(chǎn)生一種周期性的脈沖信號(hào)來近似隨機(jī)噪聲的性能，故稱為偽隨機(jī)碼或 PN 碼。 那么究竟選用什么樣的碼序列作為擴(kuò)頻碼序列呢 ? 它應(yīng)該具備哪些基本性能呢 ? 現(xiàn)在實(shí)際上用得最多的是偽隨機(jī)碼，或稱為偽噪聲 (PN)碼。 因此 采用目前技術(shù)成熟、性能優(yōu)越的 CDMA 系統(tǒng) 使得通信標(biāo)準(zhǔn)， 易于向第三代系統(tǒng)過渡 。接收機(jī)接收到的干擾和噪聲，由于 與本地偽隨機(jī)序列不相關(guān)，經(jīng)過接收解擴(kuò)（實(shí)質(zhì)是相乘過程），將干擾和噪聲頻譜大大的擴(kuò)展，頻譜功率密度大大的下降（類似于發(fā)送端將信號(hào)頻譜擴(kuò)展），落入窄帶濾波器的干擾和噪聲分量大大下降，因此在窄帶濾波器輸出端的信噪比得到了極大的改善，其改善程度就是擴(kuò)頻的處理增益。 在發(fā)送端將待傳的的話音，通過 A/D 轉(zhuǎn)換，將模擬話音成二進(jìn)制數(shù)據(jù)信息，通過高