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1、擴頻信號處理仿真技術摘 要本文闡述了擴展信號處理過程的基本原理、主要性能指標及其工作特點，然后根據(jù)香農(nóng)定理，利用MATLAB提供的可視化工具Simulink，建立了擴頻通信系統(tǒng)仿真模型，詳細講述了各個模塊的設計，并指出了仿真建模過程中所需注意的問題。通過建模深入理解MATLAB/Simulink基本建模仿真方法的實質(zhì)性，掌握通信系統(tǒng)仿真的思維方法，增強系統(tǒng)建模和設計的自主能力和創(chuàng)造力。并根據(jù)給定的參數(shù)設置，仿真出結果，證明了所建仿真模型的正確性Simulation Technology of spread-spectrum signal processingAbstractThis artic
2、le elaborated the spread spectrum communication technologys basic principle, the main performance index and the operating feature, then act according to the Shannon theorem, provides visualization tool Simulink using MATLAB, has established the wide frequency communications system simulation model,
3、narrated in detail each modules design, and had pointed out in the simulation model must pay attention question. Through the modeling further understanding the substantive of this simulation based on MATLAB, master the methods of communication system simulation. Enhance the independent ability and c
4、reativity of system modeling and design, and according to a given set of parameters, and the simulation the results. Had proven constructs the simulation model the accuracy.目 錄1 緒論11.1選題的背景11.2選題的主要任務22 擴頻通信系統(tǒng)32.1擴頻通信的基本原理32.2擴頻通信的特點32.2.1抗干擾性強32.2.2 抗干擾性強32.2.3 抗多徑干擾42.2.4 保密性好43 線性調(diào)頻擴頻系統(tǒng)52.2 線性調(diào)頻信
5、號的產(chǎn)生52.3 線性調(diào)頻信號的接收54 MATLAB簡介64.1 MATLAB軟件介紹64.2 Simulink應用的學習64.2.1 Simulink工作平臺64.2.2 Simulink仿真模塊84.2.3 Simulink仿真過程84.2.2 Simulink模塊庫8致 謝13參考文獻14附 錄17III1 緒論1.1 選題的背景在現(xiàn)代通信中遇到的一個重要問題就是抗干擾問題。隨著通信事業(yè)的迅速發(fā)展，各類通信網(wǎng)的簡歷，使得有限的頻率資源更加擁擠，相互之間的干擾更為嚴重，如何防止和降低這種相互之間的干擾，就成為一大難題。擴展頻譜（SS ，Spread Spectrum，簡稱擴頻）技術具有很
6、強的抗干擾性，其多址能力、保密、抗多徑等功能倍受人們的關注，被廣泛的應用于軍事通信和民用通信中。擴頻通信系統(tǒng)擴展頻譜技術，將信號擴展到很寬的頻帶上，在接收端對擴頻信號進行相關處理即帶寬壓縮，恢復成窄帶信號。對干擾信號而言，由于與擴頻信號不相關，則被擴展到一個很寬的頻帶上，使之進入信號通頻帶內(nèi)的干擾功率大大的降低，相應增加了相關器輸出端的信號/干擾比，對大多數(shù)認為干擾而言，擴頻通信系統(tǒng)都具有很強的對抗能力。擴頻技術的最初構想是在第二次世界大戰(zhàn)期間形成的。在戰(zhàn)爭后期，干擾和抗干擾技術成為決定勝負的重要因素。戰(zhàn)后得出了“最好的抗干擾措施就是好的工程設計和擴展工作頻率”的結論。跳頻通信的思路就是在這段
7、時期出現(xiàn)的：如果對窄帶信號使用編碼的頻率控制，則可以使其在任何時間占據(jù)寬頻段中的任何一部分，這樣敵人要進行干擾就必須維持很寬的頻段。另一方面，直序擴頻則起源于導航系統(tǒng)中高精度測距。 真正實用的擴頻通信系統(tǒng)是在50年代中期發(fā)展起來的。麻省理工學院林肯實驗室開發(fā)的擴頻通信系統(tǒng)F9C-A/Rake系統(tǒng)被公認為第一個成功的擴頻通信系統(tǒng)，在該系統(tǒng)的研制過程中，首次提出了瑞克(RAKE)接收的概念并成功應用，該系統(tǒng)也是第一個真正實用的寬帶通信系統(tǒng)。第一個跳頻擴頻通信系統(tǒng)BLADES也在這段時期研制成功，在該系統(tǒng)中第一次利用移位寄存序列實現(xiàn)糾錯編碼。在此期間，噴氣實驗室（JPL）在其空間任務中完成了偽碼產(chǎn)生
8、器的設計以及跟蹤環(huán)路的設計。 自從擴頻通信的概念在50年代開始成熟以后，此后的二十多年擴頻通信技術仍得到很大的發(fā)展，但都只是局部的發(fā)展，如硬件的改進和應用領域的拓展。一直到80年代初期，擴頻通信的概念都只是在軍事通信系統(tǒng)中得到應用，這種狀況到了80年代中期才得到改變。美國聯(lián)邦通信委員會（FCC）于1985年5月發(fā)布了一份關于將擴頻技術應用到民用通信的報告。從此，擴頻通信技術獲得了更加廣闊的應用空間。90年代初，在第一代模擬蜂窩通信系統(tǒng)的基礎上，出現(xiàn)了PCS研究的熱潮。擴頻技術為共享頻譜提供了可能。使用擴頻技術能夠?qū)崿F(xiàn)碼分多址，即在多用戶通信系統(tǒng)中所有用戶共享同一頻段，但是通過給每個用戶分配不同
9、的擴頻碼實現(xiàn)多址通信。利用擴頻碼的自相關特性能夠?qū)崿F(xiàn)對給定用戶信號的正確接收；將其他用戶的信號看作干擾，利用擴頻碼的互相關特性，能夠有效抑制用戶之間的干擾。隨著PCS以及蜂窩移動通信的發(fā)展，CDMA技術已經(jīng)成為不可或缺的關鍵技術。擴頻通信技術也在民用通信中找到更為廣闊的應用空間,而關于CDMA技術的研究熱潮也一直延續(xù)到現(xiàn)在。擴頻技術由于其本身具備的優(yōu)良性能而得到廣泛應用，到目前為止，其最主要的兩個應用領域仍是軍事抗干擾通信和移動通信系統(tǒng),而跳頻系統(tǒng)與直擴系統(tǒng)則分別是在這兩個領域應用最多的擴頻方式。而線性調(diào)頻擴頻系統(tǒng)則更多的適用于雷達，測距等領域。1.2 選題的主要任務利用MATLAB中的SIM
10、ULINK仿真功能，對擴頻通信系統(tǒng)中發(fā)射機與接收機中的電路進行仿真。建立擴頻通信發(fā)射機和接收機電路的仿真模型；給出仿真模型中各仿真模塊的仿真波形；通過給系統(tǒng)加入不同的數(shù)字信號來檢驗系統(tǒng)工作的可靠性。2 擴頻通信系統(tǒng)2.1擴頻通信的基本原理擴展頻譜通信(Spread Spectrum Communication)簡稱擴頻通信。擴頻通信的基本特征是使用比發(fā)送的信息數(shù)據(jù)速率高許多倍的偽隨機碼把載有信息數(shù)據(jù)的基帶信號的頻譜進行擴展，形成寬帶的低功率譜密度的信號來發(fā)射。香農(nóng)(Shannon)在信息論的研究中得出了信道容量的公式：C=Blog2(1+S/N) （2-1）這個公式指示出：如果信息傳輸速率C不
11、變，則帶寬B和信噪比S/N是可以互換的，就是說增加帶寬就可以在較低的信噪比的情況下以相同的信息率來可靠的傳輸信息，甚至在信號被噪聲淹沒的情況下，只要相應的增加信號帶寬，仍然保持可靠的通信，也就是可以用擴頻方法以寬帶傳輸信息來換取信噪比上的好處。這就是擴頻通信的基本思想和理論依據(jù)。2.2擴頻通信的特點擴頻通信技術在發(fā)端以擴頻編碼進行擴頻調(diào)制，在收端以相關解調(diào)技術收信，這一過程使其具有諸多優(yōu)良特性：2.2.1抗干擾性強表示擴頻通信特性的一個重要參數(shù)是擴頻增益G(Spreading Gain) ，其定義為擴頻前的信號帶寬B1與擴頻后的信號帶寬B2之比。G=B2/B1擴頻通信中，接收端對接收到的信號做
12、擴頻解調(diào)，只提取擴頻編碼相關處理后帶寬為B1的信號成份，而排除了擴展到寬帶B2中的干擾、噪聲和其他用戶通信的影響，相當于把接收信噪比提高了G倍?？紤]到輸出端的信噪比和接收系統(tǒng)損耗，可以認為實際的擴頻增益帶來的信噪比的改善為：M=G-輸出端信噪比一系統(tǒng)損耗公式中的M叫做抗干擾容限。2.2.2 抗干擾性強因信號在很寬的頻帶上被擴展，則單位帶寬上的功率很小，即信號功率譜密度很低。信號淹沒在白噪聲之中，別人難于發(fā)現(xiàn)信號的存在，再加之不知擴頻編碼，就更難拾取有用信號。而極低的功率譜密度，也很少對其他電訊設備構成干擾。2.2.3 抗多徑干擾多路徑干擾是由于在電波傳播過程中，遇到各種非期望反射體（如電離層、
13、高山、建筑物等）引起反射或散射。這些反射或散射信號同直達路徑信號在接收端相互干涉造成干擾。多路徑干擾在雷達和通信中都有嚴重影響。由于在擴頻通信系統(tǒng)中增加了擴頻調(diào)制與解擴過程，這樣可以利用擴頻碼序列間的相關特性，在接收端解擴時用相關技術從多徑信號中分離出最強的有用信號，或?qū)⒍鄰叫盘栔械南嗤a序列信號疊加，這樣就可以有效地消除無線通信中多徑干涉造成的信號衰落現(xiàn)象，因而擴頻通信系統(tǒng)具有良好的抗多徑衰落特性。2.2.4 保密性好在一定的發(fā)射功率下，由于擴頻信號分布在很寬的頻帶內(nèi)，無線信道中有用信號功率譜密度極低，這樣信號可以再強噪聲背景下，甚至是有用信號被噪聲淹沒的情況下進行可靠通信，使外界很難截獲傳
14、送的信息，想進一步檢測出信號的特征參數(shù)就更難了。所以，擴頻系統(tǒng)可實現(xiàn)隱蔽通信；同時，對不同用戶使用不同的碼，旁人無法竊聽他們的通信，因而擴頻系統(tǒng)具有高的保密性。3 線性調(diào)頻擴頻系統(tǒng)2.2 線性調(diào)頻信號的產(chǎn)生線性調(diào)頻又稱為Chirp系統(tǒng)，其發(fā)射脈沖信號的載頻在信息脈沖持續(xù)時間T內(nèi)作線性變化，其瞬間時頻率隨時間線性變化。 線性調(diào)頻信號的產(chǎn)生方法，可由一個鋸齒波信號控制壓控振蕩器（VCO）來實現(xiàn)。振蕩頻率隨鋸齒波而變化，因此脈沖信號的載頻從原來單一頻率展寬為F=B，線性調(diào)頻信號不需要偽隨機碼控制，由于這種線性調(diào)頻信號占用的頻帶比信息帶寬大得多，體現(xiàn)了頻譜的擴展，因而也有處理增益。其處理增益為信號帶寬
15、與信息信號帶寬之比。2.3 線性調(diào)頻信號的接收線性調(diào)頻技術主要用于雷達中，短波通信中也有應用。在線性調(diào)頻系統(tǒng)中，發(fā)射端用以鋸齒波信號控制壓控振蕩器，就可產(chǎn)生由鋸齒波斜率變化的線性調(diào)頻信號，線性調(diào)頻信號的接受解調(diào)器由匹配濾波器來完成。匹配濾波器由色散延遲線（DDL）構成，這種鹽池縣對高頻成分延時長，對低頻成分延時短。因此，頻率由高變低的載波信號通過匹配濾波器后，各種頻率幾乎同時到達輸出端，這些信號成分疊加在一起，形成對脈沖時間的壓縮，使輸出信號的幅度增加，能量集中，形成以相關峰，通過對相關峰的檢測，就可把信號檢測出來。4 MATLAB簡介4.1 MATLAB軟件介紹 MATLAB最初是Mathw
16、orks公司推出的一種數(shù)學應用軟件，經(jīng)過多年的發(fā)展，開發(fā)了包括通信系統(tǒng)在內(nèi)的多個工具箱，從而成為目前科學研究和工程應用最流行的軟件包之一。Simulink是MATLAB中的一種可視化仿真工具，是實現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的一個集成環(huán)境，廣泛應用于線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、數(shù)字控制及數(shù)字信號處理的建模和仿真中。它包括一個復雜的由接收器、信號源、線性和非線性組件以及連接件組成的模塊庫，用戶也可以根據(jù)需要定制或者創(chuàng)建自己的模塊。Simulink的主要特點在于使用戶可以通過簡單的鼠標操作和拷貝等命令建立起直觀的系統(tǒng)框圖模型，用戶可以很隨意地改變模型中的參數(shù)，并可以馬上看到改變參數(shù)后的結果，從而達到方便，
17、快捷地建模和仿真的目的。4.2 Simulink應用的學習4.2.1 Simulink工作平臺啟動Simulink，通常有兩種方法：（1）在MATLAB命令窗口中直接輸入Simulink命令；（2）在MATLAB工具欄上單擊Simulink按鈕，下圖A所示。圖1 這樣就可打開了Simulink的Simulink Library Brower(庫模塊瀏覽器)，如圖B所示。在菜單欄中執(zhí)行File/New/Model命令，就建立了一個名為untitled的模型窗口，如圖C所示。在建立了空的模塊窗口后，用戶可以在此窗口中創(chuàng)建自己需要的Simulink模型。圖2庫模塊瀏覽器圖3新建的空白模塊窗口4.2.
18、2 Simulink仿真模塊通常，Simulink仿真系統(tǒng)包括輸入(Input)、狀態(tài)(states)和輸出(Output)三個部分。輸入模塊：即信號源模塊，包括常數(shù)字信號源和用戶自定義信號；狀態(tài)模塊：即被模擬的系統(tǒng)模塊，是系統(tǒng)建模的核心和主要部分；輸出模塊：即信號顯示模塊，它能夠以圖形方式、文件格式進行顯示。4.2.3 Simulink仿真過程1初始化階段 對模型的參數(shù)進行估計，得到它們實際計算的值。 展開模型的各個層次； 按照更新的次序?qū)δＰ瓦M行排序； 確定那些顯式化的信號屬性，并檢查每個模塊是否能夠接受連接它們輸入端的信號； 確定所有非顯式的信號采樣時間模塊的采樣時間； 分配和初始化存儲
19、空間，以便存儲每個模塊的狀態(tài)和當前值的輸出。2模型執(zhí)行階段模型仿真是通過數(shù)值積分來進行完成的，計算數(shù)值積分可以采用以下兩步來進行： 按照秩序計算每個模塊的積分； 根據(jù)當前輸入和狀態(tài)來決定狀態(tài)的微分，得到微分矢量，然后把它返回給解法器，以計算下一個采樣點的狀態(tài)矢量。在每一個時間步中，Simulink依次解決下列問題： 按照秩序更新模塊的輸出； 按照秩序更新模塊的狀態(tài)； 檢查模塊連續(xù)狀態(tài)的不連續(xù)點； 計算下一個仿真時間步的時間。在庫模塊瀏覽器中單擊Simulink前面的“+”號，就能夠看到Simulink的模塊庫，如圖B所示。 4.2.2 Simulink模塊庫在連續(xù)模塊(Continuous)庫
20、中包括了常見的連續(xù)模塊，這些模塊如圖所示。圖41.函數(shù)與表格模塊庫（Function & Table）函數(shù)與表格模塊庫(Function & Table)主要實現(xiàn)各種一維、二維或者更高維函數(shù)的查表，另外用戶還可以根據(jù)自己需要創(chuàng)建更復雜的函數(shù)。該模塊庫包括多個主要模塊、如圖5所示。圖52.數(shù)學模塊庫（Math）數(shù)學模塊庫(Math)包括多個數(shù)學運算模塊，如圖6所示。圖63. 非線性模塊（Nonlinear）非線性模塊(Nonlinear)中包括一些常用的非線性模塊，如圖7所示。圖7.信號與系統(tǒng)模塊庫(signals & Systems）信號與系統(tǒng)模塊庫(signals &Systems)包括的主
21、要模塊如圖8所示。圖85.信號輸出模塊（Sinks）信號輸出模塊(Sinks)包括的主要模塊如圖9所示。圖96. 信號源模塊庫(Sources)信號源模塊庫(Sources)包括的主要模塊如圖10所示。圖10圖2-1 c)薄膜結構圖2-1 d)半對稱腔結構表2-1 機器人自由度配置表位置自由度數(shù)及作用繞X軸轉(zhuǎn)動繞Y軸轉(zhuǎn)動繞Z軸轉(zhuǎn)動髖關節(jié)2膝關節(jié)2踝關節(jié)2公式的編號用圓括號括起放在公式右邊行末。序號一律用阿拉伯數(shù)字連續(xù)編序（如：（45）或逐章編序（如（6-10），公式與序號之間不加虛線。公式應盡量采用公式編輯應用程序輸入，選擇默認格式，公式號右對齊，公式調(diào)整至基本居中1。致 謝值此大學畢業(yè)之前，
22、謹向我的指導老師致以最誠摯的謝意。參考文獻以下是說明文字，正式成文后請刪除。1模板的使用方法：（1）請不要刪除任何具有格式的模版文字?。?）按照提示直接單擊或者單擊后執(zhí)行“選擇性粘貼”“無格式文本”就可以添加相應的內(nèi)容!2參考文獻寫作應注意的問題（1）參考文獻是畢業(yè)設計（論文）不可缺少的組成部分，在畢業(yè)設計（論文）的撰寫過程中應承認和尊重他人的知識成果，參考與引用的內(nèi)容必須注明，杜絕抄襲、剽竊他人成果。同時，引用的資料應具有權威性，并對畢業(yè)設計（論文）有直接的參考價值。（2）要求查閱文獻15篇（含）以上，其中外文文獻3篇（含）以上，近三年公開發(fā)表的文獻3篇（含）以上，書籍不超過5本，期刊（J）
23、和論文集（C）8篇（含）以上，包括導師指定的全部參考文獻。（3）列出的參考文獻在畢業(yè)論文正文中必須有引用，參考文獻按照畢業(yè)論文正文中引用出現(xiàn)的順序統(tǒng)一編號。（4）畢業(yè)論文正文中對參考文獻的引用采用后標16表示。（5）各類參考文獻條目的編排格式。參考文獻的來源分為連續(xù)出版物、專著、專利文獻、國際（國家）標準及電子文獻等幾類，各類參考文獻條目的編排格式和示例如下。A. 連續(xù)出版物：序號 主要責任者文獻題名J刊名，出版年份，卷號(期號)例如: 1 袁慶龍，候文義Ni-P合金鍍層組織形貌及顯微硬度研究J太原理工大學學報，2001，32(1).B. 專著序號 主要責任者.文獻題名M.出版地：出版者，出版
24、年 例如：2 劉國鈞，王連成圖書館史研究M. 北京：高等教育出版社，1979C. 論文集序號 主要責任者文獻題名C. 主編論文集名出版地：出版者，出版年例如：3 孫品一高校學報編輯工作現(xiàn)代化特征C中國高等學校自然科學學報研究會科技編輯學論文集(2)北京：北京師范大學出版社，1998D. 學位論文序號 主要責任者文獻題名D保存地：保存單位，年份例如：4 張和生地質(zhì)力學系統(tǒng)理論D太原：太原理工大學，1998E. 報告序號 主要責任者文獻題名R報告地：報告會主辦單位，年份 例如：5 馮西橋核反應堆壓力容器的LBB分析R. 北京：清華大學核能技術設計研究院，1997F. 專利文獻序號 專利所有者專利題
25、名P專利國別：專利號，發(fā)布日期例如：6姜錫洲一種溫熱外敷藥制備方案P中國專利：881056078，1983-08-12G. 國際、國家標準序號 標準代號，標準名稱S出版地：出版者，出版年例如：7 GB/T 161591996，漢語拼音正詞法基本規(guī)則S北京：中國標準出版社，1996.H.報紙文章序號 主要責任者文獻題名N報紙名，出版日期(版次)例如：8 謝希德創(chuàng)造學習的思路N人民日報，1998-12-25(10)I.電子文獻序號 主要責任者電子文獻題名文獻類型/載體類型電子文獻的出版或可獲得地址，發(fā)表或更新的期/引用日期(任選)例如：9 王明亮中國學術期刊標準化數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)工程的建設EB/OLht
26、tp:/ 10-2.html,1998-08-16/1998-10-04.（6）文獻類型的標注方法根據(jù)GB3469-83文獻類型與文獻載體代碼的規(guī)定，以下各種參考文獻類型用英文大寫字母方式標注：專著M，論文集C，報紙文章N，期刊文章J，學位論文D，報告R，標準S，專利P，單篇論文A，其它Z。電子文獻類型：數(shù)據(jù)庫（database）DB，計算機程序（computer program）CP，電子公告（electronic bulletin board）EB。（7）載體類型標識的標注方法以紙張為載體的文獻在引做參考文獻時不必注明其載體類型。對于非紙張型載體的電子文獻，當被引用為參考文獻時，需在參考文
27、獻類型標識中同時標明其載體類型，用英文大寫字母標注：磁帶（magnetic）MT，磁盤（disk）DK，光盤CD，聯(lián)機網(wǎng)絡（online）OL。電子文獻類型與載體類型標識基本格式為文獻類型標識/載體類型標識例如：DB/OL聯(lián)機網(wǎng)上數(shù)據(jù)(database online)；DB/MT磁帶數(shù)據(jù)庫(database on magnetic tape)；M/CD光盤圖書(monograph on CD ROM)；CP/CK磁盤軟件(computer program on disk)；J/OL網(wǎng)上期刊(serial online)；EB/OL網(wǎng)上電子公告(electronic bulletin board
28、 online)。（8）參考文獻示例：1 D.Spinellis,K.Raptis. Component mining: a process and its pattern languageJ. Information and Software Technology, 2006(42).2 楊芙清,梅宏,李克勤. 軟件復用與軟件構件技術J. 電子學報, 1999, 27(2).3 楊芙清.軟件復用及相關技術J.計算機科學, 1999, 26(5).4 Nenad Medvidovic,Richard Taylor. A Classification and Comparison Framewo
29、rk for Software Architecture Description LanguagesJ. IEEE Transactions on Software Engineering, 2005, 25(1).5 竇郁宏,陳松喬. 程序挖掘中需求描述的研究J. 計算機工程與應用, 2006, 10.6 楊瑞林,李力軍.新型低合金高強韌性耐磨鋼的研究J. 鋼鐵, 1999(7).7 賈名字.工程碩士論文撰寫規(guī)范D. 碩士學位論文, 上海交通大學, 2007.8 胡海洋,楊玫.Cogent后組裝技術研究與實現(xiàn)J. 電子學報, 2002, 30(12).9 袁慶龍，候文義Ni-P合金鍍層組織形
30、貌及顯微硬度研究J太原理工大學學報, 2001, 32(1).10 劉國鈞，王連成圖書館史研究M. 北京：高等教育出版社, 197911 孫品一高校學報編輯工作現(xiàn)代化特征C中國高等學校自然科學學報研究會科技編輯學論文集(2)北京：北京師范大學出版社, 199812 張和生地質(zhì)力學系統(tǒng)理論D太原：太原理工大學, 199813 馮西橋核反應堆壓力容器的LBB分析R. 北京：清華大學核能技術設計研究院, 199714 姜錫洲一種溫熱外敷藥制備方案P中國專利：881056078，1983-08-1215 GB/T 161591996，漢語拼音正詞法基本規(guī)則S北京：中國標準出版社，1996.16 謝希德創(chuàng)造學習的思路N人民日報，1998-12-25(10)17 王明亮中國學術期刊標準化數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)工程的建設EB/OL18 http:/ 10-2.html, 1998-08-16/1998-10-04.19 任洪敏,錢樂秋.構件組裝及其形式化推導研究J. 軟件學報, 2007, 14(6).附 錄17
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