【導(dǎo)讀】廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)域中。針對頻通信廣泛的應(yīng)用，本文用MATLAB工具箱中的。真，使其更加形象和具體。

　　

【正文】 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 要延遲超過半個PN 碼時片，其相關(guān)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(kuò)系統(tǒng)是一種有效的抗多徑干擾的通信系統(tǒng)。 直擴(kuò)測距定時系統(tǒng) 直擴(kuò)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(kuò)信號來測取和定時有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)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(zhuǎn)發(fā)回來的 PN 碼序列的相 位進(jìn)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(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(guān)系，已知兩個點(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(diào)出信息。擴(kuò)頻通 信系統(tǒng)也不例外。一個相干擴(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沒有同步就沒有擴(kuò)頻通信系統(tǒng)。 學(xué)士學(xué)位論文 21 同步系統(tǒng)是擴(kuò)頻通信的關(guān)鍵技術(shù)。信息碼元時鐘可以和 PN碼元時鐘聯(lián)系起來，有固定的關(guān)系，一個實(shí)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(diào)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(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。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)相對不穩(wěn)定性引起的頻差 。 3. 收發(fā)信機(jī)相對運(yùn)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(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(jī)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(nèi)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(nèi)，即在 PN 碼一個時片內(nèi)。 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。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(diào)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(diào)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(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。一旦捕獲到有用信號后，則起動跟蹤器件，由其調(diào)整壓控鐘源，使本地 PN 碼發(fā)生器與外來信號保持同步 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(diào)器 學(xué)士學(xué)位論文 22 5. 直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的 MATLAB 仿真 矩陣實(shí)驗室（ MATLAB:Matrix Laboratory）是一 種以矩陣運(yùn)算為基礎(chǔ)的交互式的程序語言。與其它計算機(jī)語言相比，具有簡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寫習(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)用于自動控制、圖像信號處理、生物醫(yī)學(xué)工程、語音處理、信號分析、時序分析與建模、優(yōu)化設(shè)計等廣泛的領(lǐng)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(shè)計工具箱、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(yùn)算函數(shù)和仿真模塊的集合體，用來進(jìn)行通信領(lǐng)域的研究、開發(fā)、系統(tǒng)設(shè)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(shè)計和運(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(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)過一個運(yùn)算階段，然后再激活下一個階段，這種仿真被稱為數(shù)據(jù)流仿真。某些特定的應(yīng)用會要求采用兩種仿真方式中的一種，但無論是哪種，仿真的結(jié)果是相同的。 MATLAB 的基本操作 在桌面上雙擊 “啟動”圖標(biāo) 后將啟動 MATLAB。圖 51便是 啟用后的默認(rèn)界面。 圖 51 MATLAB 啟用后的默認(rèn)界面 學(xué)士學(xué)位論文 23 從圖 51 中可以看到 MATLAB 的啟動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（項目啟動菜單）。 其中，標(biāo)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(biāo)，單擊它們 MATLAB 可立即執(zhí)行相應(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 是一個用來對動態(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 ”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(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，而且每個子模型庫中包含有相應(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。用戶可以從最高級開始觀看模型，然后用鼠標(biāo)雙擊其中的子系統(tǒng)模塊，來查看其下一級的內(nèi)容，以此 類推，從而可以看到整個模型的細(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(jìn)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(yùn)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(jìn)行的同時，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 Simulink 的模塊庫瀏覽器，如圖 52所示 學(xué)士學(xué)位論文 24 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(biāo)，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(shè)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 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 (有一個向外的箭頭 )，選中該輸出端并移動鼠標(biāo)到另 — 個功能模塊的輸入端(有 — 個向內(nèi)的箭頭 )，移動時出現(xiàn)虛線．到達(dá)所需輸入端時，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)上述連接過程，直到完成全部連接，組成仿真系統(tǒng)。 連接時，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(diǎn)處按下“ Shift”鍵，再釋放鼠標(biāo)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(zhuǎn)角 處出現(xiàn)小方塊，鼠標(biāo)選中所需方塊，拖動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，移動轉(zhuǎn)折點(diǎn)到所需位置； 3） 連接線的復(fù)制、粘貼和剪切等操作方法與 Windows 對應(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彈出相應(yīng)的參數(shù)設(shè)置對話框 。 圖 54 傳遞函數(shù)模型參數(shù)設(shè)置對話框 例 如，圖 54 是傳遞函數(shù)模型功能模塊的對話框。功能模塊對話框由功能模塊說明和參數(shù)設(shè)置框組成。功能模塊說明框用于說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式兩個編輯框組成，在分子多項式框中，用戶可輸入系統(tǒng)模型的分子多項式，在分母多項式框中，輸入系統(tǒng)模型的分母多項式等。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)閉對話框。 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)。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 53 操作畫面“ Simulation”下拉式菜單“ Simulation Parameters… ”選項，彈出如圖 56 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)、高級屬性 (Advanced)和實(shí)時工作室 (Real— Time Workshop)等 5 個頁面。 圖 55 仿真器參數(shù)設(shè)置對話框 解算器頁面用于設(shè)置仿真開始和終止時間，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 (相對和絕對誤差 )、輸出方式和精細(xì)因子設(shè)置等。通常，仿真操作時可根據(jù)仿真曲線設(shè)置終止時間和最大步長，以便得到較光滑的輸出曲線。 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