【導讀】廣泛應用于許多領域中。針對頻通信廣泛的應用，本文用MATLAB工具箱中的。真，使其更加形象和具體。

　　

【正文】 與信號能量與噪聲功率譜密度之比成正比，與信號的頻帶寬度成反比。直擴信號正好具有這兩方面的優(yōu)勢，它的功率譜密度很低，單位時間內的能量就很小，同時它的頻帶很寬。因此，它具有很強的抗截獲性。 如果滿足直擴信號在接收機輸入端的功率低于或與外來噪聲及 接收機本身的熱噪聲功率相比擬的條件、則一般接收機發(fā)現(xiàn)不了直擴信號的存在。另外，由于直擴信號的寬頻帶特性，截獲時需要在很寬的頻率范圍進行搜索和監(jiān)測，也是困難之一。因此，直擴信號可以用來進行隱藏通信。至于如何發(fā)現(xiàn)敵方直擴信號的存在，和弄清楚其參數(shù)，即直擴信號的檢測與估值問題。 直擴碼分多址通信系統(tǒng) 多址通信系統(tǒng)指的是許多用戶組成的一個通信網，網中任何兩個用戶都可以通信，而且許多對用戶同時通信時互不不擾。應用直擴系統(tǒng)就很容易組成這樣一個多址通信系統(tǒng) (網 )。 具體的做法是給每一個用戶分配一個 PN 碼作 為地址碼。首先，利用直擴信號中 PN 碼的相關特性來區(qū)分不同的用戶，每個用戶只能收到其他用戶按其地址碼發(fā)來的信號，此時自相關特性出現(xiàn)峰值，可以判別出是有用信號。對于其他用戶發(fā)來的別的信號，因 PN碼不同時互相關值很小，不會被解擴出來。其次，利用直擴信號中頻譜擴展，功率譜密度很低的特性，可以有許多用戶共用同一寬頻帶。此時相互之間干擾很小，可以當作噪聲處理。另外，每個用戶占用的頻寬很窄，相對說來，頻譜利用率也是高的。 實現(xiàn)直擴碼分多址通信值得注意的問題有： 1. 是要選擇有優(yōu)良互相關特性的碼。 一般多采用有二值 或三值相關特性的碼作為地址碼。同時還需要有一定的數(shù)量。 Gold 碼就可以作為地址碼來用，它既有較優(yōu)良的相關特性，也有足夠的數(shù)量可供選。 A A 解擴后的有用信號 干擾被擴展頻譜 有用信號 窄帶干擾信號 2cR f if f cf cf （ a） 未解擴的功率譜 （ b） 解擴后的功率譜 圖 44 直擴系統(tǒng)抗窄帶干擾示意圖 22 2. 是要注意克服“遠－近”問題。 所謂“遠一近”問題指的是距離近的用戶的信號強，它會干擾距離遠的弱信號的接收。解決的辦法是采用自動功率控制，自動調節(jié)各用戶的發(fā)射功率，使達到接收機時各用戶信號功率基本相等，也就是滿足接收機輸入端等功率的條件，才能正確地區(qū)分有用信號。 3. 是同時通話的用戶數(shù)，決定于整個網內的噪聲水平。 因此，直擴碼分多址系統(tǒng)是一種噪聲受限的系統(tǒng)。隨著 用戶數(shù)的增加，通信質量逐漸變壞。 直擴系統(tǒng)的抗多徑干擾性能 多徑信道就是發(fā)射機和接收機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，到達時間的延遲也不同。 直擴系統(tǒng)能夠同步鎖定在最強的直達路徑的電波上。其它有延遲到達的電波，由于相關解擴的作用，只起到噪聲干擾的作用。這就是利用 PN 碼的自相關特性，只要延遲超過半個PN 碼時片，其相關值就很小，可作為噪聲來對待。另外，如果采用不同時延的匹配 濾波器，把多徑信號分離出來，還可以變害為利，將這些多徑信號在相位上對齊相加，起到增加接收信號能量的作用。 因此，直擴系統(tǒng)是一種有效的抗多徑干擾的通信系統(tǒng)。 直擴測距定時系統(tǒng) 直擴系統(tǒng)的發(fā)展是從測距開始的。電磁波在空間是以固定的光速傳播的。如果測定了電波傳播的時間，也就測定了距離。 用直擴信號來測取和定時有獨特的優(yōu)點。當采用一個較長周期的 PN 碼序列作為發(fā)射信號、用它于目的地反射回來或轉發(fā)回來的 PN 碼序列的相位進行比較，即比較兩個碼序列相差的時片數(shù)，就可以看出其時間差，也就能換算出發(fā)射機與目的地 之間的距離。不難把碼片選得很窄，即碼的鐘速率很高，則可以高精度的測距與定時，基本的分辨率即一個碼片。 此外，有了精確的測距的定時系統(tǒng)，不難形成一個精確的定位系統(tǒng)；按照簡單的幾何關系，已知兩個點的位置 (座標 )和距離，及其在某一平面上分別與第三點的距離，也就能確定第三點的座標位置。 擴 頻序列通信系統(tǒng)的同步原理 任何數(shù)字通信系統(tǒng)都是離散信號的傳輸，要求收發(fā)兩端信號在頻率上相同和相位上一致，才能正確地解調出信息。擴頻通信系統(tǒng)也不例外。一個相干擴頻數(shù)字通信系統(tǒng)，接收端與發(fā)送端必須實現(xiàn)信息碼元同步、 PN 碼碼元 和序列同步和射頻載頻同步。只有實現(xiàn)了這些同步，直擴系統(tǒng)才能正常的工作。可以說沒有同步就沒有擴頻通信系統(tǒng)。 同步系統(tǒng)是擴頻通信的關鍵技術。信息碼元時鐘可以和 PN碼元時鐘聯(lián)系起來，有固定的關系，一個實現(xiàn)了同步，另一個自然也就同步了。對于載頻同步來說，主要是針對相干解調的相位同步而言。常見的載頻提取和跟蹤的方法都可采用，例如用跟蹤鎖相環(huán)來實現(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。 23 一般說來，在發(fā)射機和接收機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有以下一些： 1. 收發(fā)信機的距離引起傳播的延遲產生的相位差 。 2. 收發(fā)信機相對不穩(wěn)定性引起的頻差 。 3. 收發(fā)信機相對運動引起的多普勒頻移； 4. 以及多徑傳播也會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)的作用就是要實現(xiàn)本地產生的 PN 碼與接收到的信號中的 PN 碼同步，即頻率上相同，相位上一致。同步過程一般說來包含兩個階段： 1. 接收機在一開始并不知道對方是否發(fā)送了信號，因此，需要有一個搜捕過程，即在一定的頻率和時間范圍內搜 索和捕獲用信號。這一階段也稱為起始同步或粗同步，也就是要把對方發(fā)來的信號與本地信號在相位之差納入同步保持范圍內，即在 PN 碼一個時片內。 2. 一旦完成這一階段后，則進入跟蹤過程，即繼續(xù)保持同步，不因外界影響而失去同步。也就是說，無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)能加以調整，使收發(fā)信號仍然保持同步。 如果由于采種原因引起失步，則重新開始新的一輪搜捕和跟蹤過程。因此，整個同步過程是包含搜捕和跟蹤兩個階段閉環(huán)的自動控制和調整過程。 圖 45為同步系統(tǒng)搜捕和跟蹤原理圖 ，圖中 接收到的信號經寬帶濾波器后，在乘法器中與本地 PN碼進行相關運算。此時搜捕器件，調整壓控鐘源，調整 PN 碼發(fā)生器產生的本地脈序列偽重復頻率和相位，以搜捕有用信號。一旦捕獲到有用信號后，則起動跟蹤器件，由其調整壓控鐘源，使本地 PN 碼發(fā)生器與外來信號保持同步 5. 直接序列擴頻通信系統(tǒng)的 MATLAB 仿真 矩陣實驗室（ MATLAB:Matrix Laboratory）是一種以矩陣運算為基礎的交互式的程序語接收信號 圖 45 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 解調器 24 言。與其它計算機語言相比，具有簡潔和智能化程度高的特點 ，而且適應科技專業(yè)人員的思維方式和書寫習慣，因而用其編程和調試，可以大大提高工作的效率。 目前 MATLAB 已經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算、圖形繪制、數(shù)據處理、圖像處理和方便的 Windows 編程工具等。因而出現(xiàn)了各種以 MATLAB 為基礎的工具箱，應用于自動控制、圖像信號處理、生物醫(yī)學工程、語音處理、信號分析、時序分析與建模、優(yōu)化設計等廣泛的領域，表現(xiàn)出了一般高級語言難以比擬的優(yōu)勢。較為常見的 MATLAB 工具箱有：控制系統(tǒng)工具箱、系統(tǒng)辯識工具箱、多變量頻率設計工具箱、分析與綜合工具箱、神經網絡工具箱、最優(yōu)化工具箱、信號處理工具箱、模糊推理系統(tǒng)工具箱，以及通信工具箱等。 在 MATLAB 通信工具箱中有 SIMULINK 仿真模塊和 MATLAB 函數(shù)，形成一個運算函數(shù)和仿真模塊的集合體，用來進行通信領域的研究、開發(fā)、系統(tǒng)設計和仿真。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計和運算的需要。 MATLAB 通信工具箱中的系統(tǒng)仿真，分為用 SIMULINK 模塊框圖進行仿真和用 MATLAB 函數(shù)進行的仿真兩種。在用 SIMULINK模塊框圖的仿真中，每個模塊，在每個時間步長上執(zhí)行一次，就是說，所有的模塊在每個時間步長上同時執(zhí)行。這種仿真被稱為時間流的仿真。而在用MATLAB 函數(shù)的仿真中，函數(shù)按照數(shù)據流的順序依次執(zhí)行，意味著所處理的數(shù)據，首先要經過一個運算階段，然后再激活下一個階段，這種仿真被稱為數(shù)據流仿真。某些特定的應用會要求采用兩種仿真方式中的一種，但無論是哪種，仿真的結果是相同的。 MATLAB 的基本操作 在桌面上雙擊 的“啟動”圖標 后將啟動 MATLAB。圖 51便是 啟用后的默認界面。 從圖 51 中可以看到 MATLAB 的啟動界面主要包括六部分：標題欄、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（項目啟動菜單）。 其中，標題欄用于顯示打開文件的名稱：菜單欄包括“ File”、“ Edit”、“ Web”、“ Window” 、 和“ Help” 5 個菜單 ；工具欄包括了一些常用的操作圖標，單擊它們 MATLAB 可立即執(zhí)行相圖 51 MATLAB 啟用 后的默認界面 25 應操作。菜單欄和工具欄 操作方法和其它應用程序中的操作方法相同。 Simulink 仿真技術 Simulink 是一個用來對動態(tài)系統(tǒng)進行建模、仿真和分析的軟件包，它支持連續(xù)、離散及兩者混合的線性和非線性系統(tǒng)，也支持具有多種采樣頻率的系統(tǒng)。在 SIMULINK 環(huán)境中，利用鼠標就可以在模型窗口中直觀地 “畫 ”出系統(tǒng)模型，然后直接進行仿真。它為用戶提供了方框圖進行建模的圖形接口，采用這種結構畫模型就像用手和紙來畫一樣容易。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。 SIMULINK 包含有 SINKS（輸入 方式）、 SOURCE（輸入源）、 LINEAR（線性環(huán)節(jié)）、 NONLINEAR（非線性環(huán)節(jié)）、 CONNECTIONS（連接與接口）和 EXTRA（其他環(huán)節(jié)）子模型庫，而且每個子模型庫中包含有相應的功能模塊 ， 用戶也可以定制和創(chuàng)建用戶自己的模塊。 用 SIMULINK 創(chuàng)建的模型可以具有遞階結構，因此用戶可以采用從上到下或從下到上的結構創(chuàng)建模型。用戶可以從最高級開始觀看模型，然后用鼠標雙擊其中的子系統(tǒng)模塊，來查看其下一級的內容，以此類推，從而可以看到整個模型的細節(jié)，幫助用戶理解模型的結構和各模塊之間的相互關系。在定義完 一個模型后，用戶可以通過 SIMULINK 的菜單或 MATLAB的命令窗口鍵入命令來對它進行仿真。菜單方式對于交互工作非常方便，而命令行方式對于運行一大類仿真非常有用。采用 SCOPE 模塊和其他的畫圖模塊，在仿真進行的同時，就可觀看到仿真結果。除此之外，用戶還可以在改變參數(shù)后來迅速觀看系統(tǒng)中發(fā)生的變化情況。仿真的結果還可以存放到 MATLAB 的工作空間里做事后處理。 模型分析工具包括線性化和平衡點分析工具、 MATLAB 的許多工具及 MATLAB 的應用工具箱。由于 MATLAB 和 SIMULINK 的集成在一起的，因此用戶可 以在這兩種環(huán)境下對自己的模型進行仿真、分析和修改。 Simulink 窗口環(huán)境 在 MATLAB 窗口工具欄中單擊“ ”圖標，或在 Command window 窗口中鍵入命令： simulink 即可啟動 Simulink 的模塊庫瀏覽器，如圖 52所示 26 Simulink 的模塊庫瀏覽器主要用于瀏覽及選擇模塊， MATLAB 為模型的搭建、仿真提供了一個專用的 Simulink 模型編輯窗口。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，或采用快捷鍵 [Ctrl+N]都可打開模型編輯窗口，如圖 53 所示 功能模塊的連接 及設置 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 27 根據仿真系統(tǒng)框圖，用鼠標點擊并移動所需功能模塊到合適的位置，將鼠標移到有關功能模塊的輸出端 (有一個向外的箭頭 )，選中該輸出端并移動鼠標到另 — 個功能模塊的輸入端(有 — 個向內的箭頭 )，移動時出現(xiàn)虛線．到達所需輸入端時，釋放鼠標左鍵，相應的連接線出現(xiàn)，表示該連接已完成。重復上述連接過程，直到完成全部連接，組成仿真系 統(tǒng)。 連接時，應注意下列幾點： 1） 從功能模塊輸出端連接到另一功能模塊的輸入端，也可從一個功能模塊輸入端反向連接到另一個功能模塊的輸出端； 2） 一個輸出端連接多個輸入端時，可采用從 — 個功能模塊輸入端連接到另一個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，可在連接線交點處按下“ Shift”鍵，再釋放鼠標左鍵； 3） 移動連接線位置的方法是，選中連接線，在連接線的各轉角處出現(xiàn)小方塊