【導(dǎo)讀】廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)域中。針對(duì)頻通信廣泛的應(yīng)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(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。 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。 實(shí)現(xiàn)直擴(kuò)碼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。 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) 2cR f if f cf cf （ a） 未解擴(kuò)的功率譜 （ b） 解擴(kuò)后的功率譜 圖 44 直擴(kuò)系統(tǒng)抗窄帶干擾示意圖 22 2. 是要注意克服“遠(yuǎn)－近”問(wèn)題。 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)是一種噪聲受限的系統(tǒng)。隨著 用戶數(shù)的增加，通信質(zhì)量逐漸變壞。 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)。 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，已知兩個(gè)點(diǎn)的位置 (座標(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)的座標(biāo)位置。 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。 23 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有以下一些： 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，即頻率上相同，相位上一致。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。 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個(gè)階段閉環(huán)的自動(dòng)控制和調(diào)整過(guò)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(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 5. 直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的 MATLAB 仿真 矩陣實(shí)驗(yàn)室（ MATLAB:Matrix Laboratory）是一種以矩陣運(yùn)算為基礎(chǔ)的交互式的程序語(yǔ)接收信號(hào) 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(diào)器 24 言。與其它計(jì)算機(jī)語(yǔ)言相比，具有簡(jiǎn)潔和智能化程度高的特點(diǎn) ，而且適應(yīng)科技專業(yè)人員的思維方式和書(shū)寫(xiě)習(xí)慣，因而用其編程和調(diào)試，可以大大提高工作的效率。 目前 MATLAB 已經(jīng)成為國(guó)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。因而出現(xiàn)了各種以 MATLAB 為基礎(chǔ)的工具箱，應(yīng)用于自動(dòng)控制、圖像信號(hào)處理、生物醫(yī)學(xué)工程、語(yǔ)音處理、信號(hào)分析、時(shí)序分析與建模、優(yōu)化設(shè)計(jì)等廣泛的領(lǐng)域，表現(xiàn)出了一般高級(jí)語(yǔ)言難以比擬的優(yōu)勢(shì)。較為常見(jiàn)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 MATLAB 通信工具箱中有 SIMULINK 仿真模塊和 MATLAB 函數(shù)，形成一個(gè)運(yùn)算函數(shù)和仿真模塊的集合體，用來(lái)進(jìn)行通信領(lǐng)域的研究、開(kāi)發(fā)、系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(lái)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。 MATLAB 通信工具箱中的系統(tǒng)仿真，分為用 SIMULINK 模塊框圖進(jìn)行仿真和用 MATLAB 函數(shù)進(jìn)行的仿真兩種。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(zhǎng)上執(zhí)行一次，就是說(shuō)，所有的模塊在每個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)上同時(shí)執(zhí)行。這種仿真被稱為時(shí)間流的仿真。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(guò)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。某些特定的應(yīng)用會(huì)要求采用兩種仿真方式中的一種，但無(wú)論是哪種，仿真的結(jié)果是相同的。 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。圖 51便是 啟用后的默認(rèn)界面。 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）。 其中，標(biāo)題欄用于顯示打開(kāi)文件的名稱：菜單欄包括“ File”、“ Edit”、“ Web”、“ Window” 、 和“ Help” 5 個(gè)菜單 ；工具欄包括了一些常用的操作圖標(biāo)，單擊它們 MATLAB 可立即執(zhí)行相圖 51 MATLAB 啟用 后的默認(rèn)界面 25 應(yīng)操作。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。 Simulink 仿真技術(shù) Simulink 是一個(gè)用來(lái)對(duì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)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(biāo)就可以在模型窗口中直觀地 “畫(huà) ”出系統(tǒng)模型，然后直接進(jìn)行仿真。它為用戶提供了方框圖進(jìn)行建模的圖形接口，采用這種結(jié)構(gòu)畫(huà)模型就像用手和紙來(lái)畫(huà)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(diǎn)。 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(kù)，而且每個(gè)子模型庫(kù)中包含有相應(yīng)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(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。用戶可以從最高級(jí)開(kāi)始觀看模型，然后用鼠標(biāo)雙擊其中的子系統(tǒng)模塊，來(lái)查看其下一級(jí)的內(nèi)容，以此類推，從而可以看到整個(gè)模型的細(xì)節(jié)，幫助用戶理解模型的結(jié)構(gòu)和各模塊之間的相互關(guān)系。在定義完 一個(gè)模型后，用戶可以通過(guò) SIMULINK 的菜單或 MATLAB的命令窗口鍵入命令來(lái)對(duì)它進(jìn)行仿真。菜單方式對(duì)于交互工作非常方便，而命令行方式對(duì)于運(yùn)行一大類仿真非常有用。采用 SCOPE 模塊和其他的畫(huà)圖模塊，在仿真進(jìn)行的同時(shí)，就可觀看到仿真結(jié)果。除此之外，用戶還可以在改變參數(shù)后來(lái)迅速觀看系統(tǒng)中發(fā)生的變化情況。仿真的結(jié)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(diǎn)分析工具、 MATLAB 的許多工具及 MATLAB 的應(yīng)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(duì)自己的模型進(jìn)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(biāo)，或在 Command window 窗口中鍵入命令： simulink 即可啟動(dòng) Simulink 的模塊庫(kù)瀏覽器，如圖 52所示 26 Simulink 的模塊庫(kù)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(gè)專用的 Simulink 模型編輯窗口。執(zhí)行 Simulink 的模塊庫(kù)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(kāi)模型編輯窗口，如圖 53 所示 功能模塊的連接 及設(shè)置 1. 功能模塊的連接 圖 52 Simulink 的模塊庫(kù)瀏覽器 圖 53 模型編輯窗口 27 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)。 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