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1、扩频信号处理仿真技术摘 要本文阐述了扩展信号处理过程的基本原理、主要性能指标及其工作特点，然后根据香农定理，利用MATLAB提供的可视化工具Simulink，建立了扩频通信系统仿真模型，详细讲述了各个模块的设计，并指出了仿真建模过程中所需注意的问题。通过建模深入理解MATLAB/Simulink基本建模仿真方法的实质性，掌握通信系统仿真的思维方法，增强系统建模和设计的自主能力和创造力。并根据给定的参数设置，仿真出结果，证明了所建仿真模型的正确性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 录1 绪论11.1选题的背景11.2选题的主要任务22 扩频通信系统32.1扩频通信的基本原理32.2扩频通信的特点32.2.1抗干扰性强32.2.2 抗干扰性强32.2.3 抗多径干扰42.2.4 保密性好43 线性调频扩频系统52.2 线性调频信
5、号的产生52.3 线性调频信号的接收54 MATLAB简介64.1 MATLAB软件介绍64.2 Simulink应用的学习64.2.1 Simulink工作平台64.2.2 Simulink仿真模块84.2.3 Simulink仿真过程84.2.2 Simulink模块库8致 谢13参考文献14附 录17III1 绪论1.1 选题的背景在现代通信中遇到的一个重要问题就是抗干扰问题。随着通信事业的迅速发展，各类通信网的简历，使得有限的频率资源更加拥挤，相互之间的干扰更为严重，如何防止和降低这种相互之间的干扰，就成为一大难题。扩展频谱（SS ，Spread Spectrum，简称扩频）技术具有很
6、强的抗干扰性，其多址能力、保密、抗多径等功能倍受人们的关注，被广泛的应用于军事通信和民用通信中。扩频通信系统扩展频谱技术，将信号扩展到很宽的频带上，在接收端对扩频信号进行相关处理即带宽压缩，恢复成窄带信号。对干扰信号而言，由于与扩频信号不相关，则被扩展到一个很宽的频带上，使之进入信号通频带内的干扰功率大大的降低，相应增加了相关器输出端的信号/干扰比，对大多数认为干扰而言，扩频通信系统都具有很强的对抗能力。扩频技术的最初构想是在第二次世界大战期间形成的。在战争后期，干扰和抗干扰技术成为决定胜负的重要因素。战后得出了“最好的抗干扰措施就是好的工程设计和扩展工作频率”的结论。跳频通信的思路就是在这段
7、时期出现的：如果对窄带信号使用编码的频率控制，则可以使其在任何时间占据宽频段中的任何一部分，这样敌人要进行干扰就必须维持很宽的频段。另一方面，直序扩频则起源于导航系统中高精度测距。 真正实用的扩频通信系统是在50年代中期发展起来的。麻省理工学院林肯实验室开发的扩频通信系统F9C-A/Rake系统被公认为第一个成功的扩频通信系统，在该系统的研制过程中，首次提出了瑞克(RAKE)接收的概念并成功应用，该系统也是第一个真正实用的宽带通信系统。第一个跳频扩频通信系统BLADES也在这段时期研制成功，在该系统中第一次利用移位寄存序列实现纠错编码。在此期间，喷气实验室（JPL）在其空间任务中完成了伪码产生
8、器的设计以及跟踪环路的设计。 自从扩频通信的概念在50年代开始成熟以后，此后的二十多年扩频通信技术仍得到很大的发展，但都只是局部的发展，如硬件的改进和应用领域的拓展。一直到80年代初期，扩频通信的概念都只是在军事通信系统中得到应用，这种状况到了80年代中期才得到改变。美国联邦通信委员会（FCC）于1985年5月发布了一份关于将扩频技术应用到民用通信的报告。从此，扩频通信技术获得了更加广阔的应用空间。90年代初，在第一代模拟蜂窝通信系统的基础上，出现了PCS研究的热潮。扩频技术为共享频谱提供了可能。使用扩频技术能够实现码分多址，即在多用户通信系统中所有用户共享同一频段，但是通过给每个用户分配不同
9、的扩频码实现多址通信。利用扩频码的自相关特性能够实现对给定用户信号的正确接收；将其他用户的信号看作干扰，利用扩频码的互相关特性，能够有效抑制用户之间的干扰。随着PCS以及蜂窝移动通信的发展，CDMA技术已经成为不可或缺的关键技术。扩频通信技术也在民用通信中找到更为广阔的应用空间,而关于CDMA技术的研究热潮也一直延续到现在。扩频技术由于其本身具备的优良性能而得到广泛应用，到目前为止，其最主要的两个应用领域仍是军事抗干扰通信和移动通信系统,而跳频系统与直扩系统则分别是在这两个领域应用最多的扩频方式。而线性调频扩频系统则更多的适用于雷达，测距等领域。1.2 选题的主要任务利用MATLAB中的SIM
10、ULINK仿真功能，对扩频通信系统中发射机与接收机中的电路进行仿真。建立扩频通信发射机和接收机电路的仿真模型；给出仿真模型中各仿真模块的仿真波形；通过给系统加入不同的数字信号来检验系统工作的可靠性。2 扩频通信系统2.1扩频通信的基本原理扩展频谱通信(Spread Spectrum Communication)简称扩频通信。扩频通信的基本特征是使用比发送的信息数据速率高许多倍的伪随机码把载有信息数据的基带信号的频谱进行扩展，形成宽带的低功率谱密度的信号来发射。香农(Shannon)在信息论的研究中得出了信道容量的公式：C=Blog2(1+S/N) （2-1）这个公式指示出：如果信息传输速率C不
11、变，则带宽B和信噪比S/N是可以互换的，就是说增加带宽就可以在较低的信噪比的情况下以相同的信息率来可靠的传输信息，甚至在信号被噪声淹没的情况下，只要相应的增加信号带宽，仍然保持可靠的通信，也就是可以用扩频方法以宽带传输信息来换取信噪比上的好处。这就是扩频通信的基本思想和理论依据。2.2扩频通信的特点扩频通信技术在发端以扩频编码进行扩频调制，在收端以相关解调技术收信，这一过程使其具有诸多优良特性：2.2.1抗干扰性强表示扩频通信特性的一个重要参数是扩频增益G(Spreading Gain) ，其定义为扩频前的信号带宽B1与扩频后的信号带宽B2之比。G=B2/B1扩频通信中，接收端对接收到的信号做
12、扩频解调，只提取扩频编码相关处理后带宽为B1的信号成份，而排除了扩展到宽带B2中的干扰、噪声和其他用户通信的影响，相当于把接收信噪比提高了G倍。考虑到输出端的信噪比和接收系统损耗，可以认为实际的扩频增益带来的信噪比的改善为：M=G-输出端信噪比一系统损耗公式中的M叫做抗干扰容限。2.2.2 抗干扰性强因信号在很宽的频带上被扩展，则单位带宽上的功率很小，即信号功率谱密度很低。信号淹没在白噪声之中，别人难于发现信号的存在，再加之不知扩频编码，就更难拾取有用信号。而极低的功率谱密度，也很少对其他电讯设备构成干扰。2.2.3 抗多径干扰多路径干扰是由于在电波传播过程中，遇到各种非期望反射体（如电离层、
13、高山、建筑物等）引起反射或散射。这些反射或散射信号同直达路径信号在接收端相互干涉造成干扰。多路径干扰在雷达和通信中都有严重影响。由于在扩频通信系统中增加了扩频调制与解扩过程，这样可以利用扩频码序列间的相关特性，在接收端解扩时用相关技术从多径信号中分离出最强的有用信号，或将多径信号中的相同码序列信号叠加，这样就可以有效地消除无线通信中多径干涉造成的信号衰落现象，因而扩频通信系统具有良好的抗多径衰落特性。2.2.4 保密性好在一定的发射功率下，由于扩频信号分布在很宽的频带内，无线信道中有用信号功率谱密度极低，这样信号可以再强噪声背景下，甚至是有用信号被噪声淹没的情况下进行可靠通信，使外界很难截获传
14、送的信息，想进一步检测出信号的特征参数就更难了。所以，扩频系统可实现隐蔽通信；同时，对不同用户使用不同的码，旁人无法窃听他们的通信，因而扩频系统具有高的保密性。3 线性调频扩频系统2.2 线性调频信号的产生线性调频又称为Chirp系统，其发射脉冲信号的载频在信息脉冲持续时间T内作线性变化，其瞬间时频率随时间线性变化。 线性调频信号的产生方法，可由一个锯齿波信号控制压控振荡器（VCO）来实现。振荡频率随锯齿波而变化，因此脉冲信号的载频从原来单一频率展宽为F=B，线性调频信号不需要伪随机码控制，由于这种线性调频信号占用的频带比信息带宽大得多，体现了频谱的扩展，因而也有处理增益。其处理增益为信号带宽
15、与信息信号带宽之比。2.3 线性调频信号的接收线性调频技术主要用于雷达中，短波通信中也有应用。在线性调频系统中，发射端用以锯齿波信号控制压控振荡器，就可产生由锯齿波斜率变化的线性调频信号，线性调频信号的接受解调器由匹配滤波器来完成。匹配滤波器由色散延迟线（DDL）构成，这种盐池县对高频成分延时长，对低频成分延时短。因此，频率由高变低的载波信号通过匹配滤波器后，各种频率几乎同时到达输出端，这些信号成分叠加在一起，形成对脉冲时间的压缩，使输出信号的幅度增加，能量集中，形成以相关峰，通过对相关峰的检测，就可把信号检测出来。4 MATLAB简介4.1 MATLAB软件介绍 MATLAB最初是Mathw
16、orks公司推出的一种数学应用软件，经过多年的发展，开发了包括通信系统在内的多个工具箱，从而成为目前科学研究和工程应用最流行的软件包之一。Simulink是MATLAB中的一种可视化仿真工具，是实现动态系统建模、仿真和分析的一个集成环境，广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。它包括一个复杂的由接收器、信号源、线性和非线性组件以及连接件组成的模块库，用户也可以根据需要定制或者创建自己的模块。Simulink的主要特点在于使用户可以通过简单的鼠标操作和拷贝等命令建立起直观的系统框图模型，用户可以很随意地改变模型中的参数，并可以马上看到改变参数后的结果，从而达到方便，
17、快捷地建模和仿真的目的。4.2 Simulink应用的学习4.2.1 Simulink工作平台启动Simulink，通常有两种方法：（1）在MATLAB命令窗口中直接输入Simulink命令；（2）在MATLAB工具栏上单击Simulink按钮，下图A所示。图1 这样就可打开了Simulink的Simulink Library Brower(库模块浏览器)，如图B所示。在菜单栏中执行File/New/Model命令，就建立了一个名为untitled的模型窗口，如图C所示。在建立了空的模块窗口后，用户可以在此窗口中创建自己需要的Simulink模型。图2库模块浏览器图3新建的空白模块窗口4.2.
18、2 Simulink仿真模块通常，Simulink仿真系统包括输入(Input)、状态(states)和输出(Output)三个部分。输入模块：即信号源模块，包括常数字信号源和用户自定义信号；状态模块：即被模拟的系统模块，是系统建模的核心和主要部分；输出模块：即信号显示模块，它能够以图形方式、文件格式进行显示。4.2.3 Simulink仿真过程1初始化阶段 对模型的参数进行估计，得到它们实际计算的值。 展开模型的各个层次； 按照更新的次序对模型进行排序； 确定那些显式化的信号属性，并检查每个模块是否能够接受连接它们输入端的信号； 确定所有非显式的信号采样时间模块的采样时间； 分配和初始化存储
19、空间，以便存储每个模块的状态和当前值的输出。2模型执行阶段模型仿真是通过数值积分来进行完成的，计算数值积分可以采用以下两步来进行： 按照秩序计算每个模块的积分； 根据当前输入和状态来决定状态的微分，得到微分矢量，然后把它返回给解法器，以计算下一个采样点的状态矢量。在每一个时间步中，Simulink依次解决下列问题： 按照秩序更新模块的输出； 按照秩序更新模块的状态； 检查模块连续状态的不连续点； 计算下一个仿真时间步的时间。在库模块浏览器中单击Simulink前面的“+”号，就能够看到Simulink的模块库，如图B所示。 4.2.2 Simulink模块库在连续模块(Continuous)库
20、中包括了常见的连续模块，这些模块如图所示。图41.函数与表格模块库（Function & Table）函数与表格模块库(Function & Table)主要实现各种一维、二维或者更高维函数的查表，另外用户还可以根据自己需要创建更复杂的函数。该模块库包括多个主要模块、如图5所示。图52.数学模块库（Math）数学模块库(Math)包括多个数学运算模块，如图6所示。图63. 非线性模块（Nonlinear）非线性模块(Nonlinear)中包括一些常用的非线性模块，如图7所示。图7.信号与系统模块库(signals & Systems）信号与系统模块库(signals &Systems)包括的主
21、要模块如图8所示。图85.信号输出模块（Sinks）信号输出模块(Sinks)包括的主要模块如图9所示。图96. 信号源模块库(Sources)信号源模块库(Sources)包括的主要模块如图10所示。图10图2-1 c)薄膜结构图2-1 d)半对称腔结构表2-1 机器人自由度配置表位置自由度数及作用绕X轴转动绕Y轴转动绕Z轴转动髋关节2膝关节2踝关节2公式的编号用圆括号括起放在公式右边行末。序号一律用阿拉伯数字连续编序（如：（45）或逐章编序（如（6-10），公式与序号之间不加虚线。公式应尽量采用公式编辑应用程序输入，选择默认格式，公式号右对齐，公式调整至基本居中1。致 谢值此大学毕业之前，
22、谨向我的指导老师致以最诚挚的谢意。参考文献单击此处添加参考文献以下是说明文字，正式成文后请删除。1模板的使用方法：（1）请不要删除任何具有格式的模版文字！（2）按照提示直接单击或者单击后执行“选择性粘贴”“无格式文本”就可以添加相应的内容!2参考文献写作应注意的问题（1）参考文献是毕业设计（论文）不可缺少的组成部分，在毕业设计（论文）的撰写过程中应承认和尊重他人的知识成果，参考与引用的内容必须注明，杜绝抄袭、剽窃他人成果。同时，引用的资料应具有权威性，并对毕业设计（论文）有直接的参考价值。（2）要求查阅文献15篇（含）以上，其中外文文献3篇（含）以上，近三年公开发表的文献3篇（含）以上，书籍不
23、超过5本，期刊（J）和论文集（C）8篇（含）以上，包括导师指定的全部参考文献。（3）列出的参考文献在毕业论文正文中必须有引用，参考文献按照毕业论文正文中引用出现的顺序统一编号。（4）毕业论文正文中对参考文献的引用采用后标16表示。（5）各类参考文献条目的编排格式。参考文献的来源分为连续出版物、专著、专利文献、国际（国家）标准及电子文献等几类，各类参考文献条目的编排格式和示例如下。A. 连续出版物：序号 主要责任者文献题名J刊名，出版年份，卷号(期号)例如: 1 袁庆龙，候文义Ni-P合金镀层组织形貌及显微硬度研究J太原理工大学学报，2001，32(1).B. 专著序号 主要责任者.文献题名M.
24、出版地：出版者，出版年 例如：2 刘国钧，王连成图书馆史研究M. 北京：高等教育出版社，1979C. 论文集序号 主要责任者文献题名C. 主编论文集名出版地：出版者，出版年例如：3 孙品一高校学报编辑工作现代化特征C中国高等学校自然科学学报研究会科技编辑学论文集(2)北京：北京师范大学出版社，1998D. 学位论文序号 主要责任者文献题名D保存地：保存单位，年份例如：4 张和生地质力学系统理论D太原：太原理工大学，1998E. 报告序号 主要责任者文献题名R报告地：报告会主办单位，年份 例如：5 冯西桥核反应堆压力容器的LBB分析R. 北京：清华大学核能技术设计研究院，1997F. 专利文献序
25、号 专利所有者专利题名P专利国别：专利号，发布日期例如：6姜锡洲一种温热外敷药制备方案P中国专利：881056078，1983-08-12G. 国际、国家标准序号 标准代号，标准名称S出版地：出版者，出版年例如：7 GB/T 161591996，汉语拼音正词法基本规则S北京：中国标准出版社，1996.H.报纸文章序号 主要责任者文献题名N报纸名，出版日期(版次)例如：8 谢希德创造学习的思路N人民日报，1998-12-25(10)I.电子文献序号 主要责任者电子文献题名文献类型/载体类型电子文献的出版或可获得地址，发表或更新的期/引用日期(任选)例如：9 王明亮中国学术期刊标准化数据库系统工程
26、的建设EB/OL 10-2.html,1998-08-16/1998-10-04.（6）文献类型的标注方法根据GB3469-83文献类型与文献载体代码的规定，以下各种参考文献类型用英文大写字母方式标注：专著M，论文集C，报纸文章N，期刊文章J，学位论文D，报告R，标准S，专利P，单篇论文A，其它Z。电子文献类型：数据库（database）DB，计算机程序（computer program）CP，电子公告（electronic bulletin board）EB。（7）载体类型标识的标注方法以纸张为载体的文献在引做参考文献时不必注明其载体类型。对于非纸张型载体的电子文献，当被引用为参考文献时，需
27、在参考文献类型标识中同时标明其载体类型，用英文大写字母标注：磁带（magnetic）MT，磁盘（disk）DK，光盘CD，联机网络（online）OL。电子文献类型与载体类型标识基本格式为文献类型标识/载体类型标识例如：DB/OL联机网上数据(database online)；DB/MT磁带数据库(database on magnetic tape)；M/CD光盘图书(monograph on CD ROM)；CP/CK磁盘软件(computer program on disk)；J/OL网上期刊(serial online)；EB/OL网上电子公告(electronic bulletin b
28、oard online)。（8）参考文献示例：1 D.Spinellis,K.Raptis. Component mining: a process and its pattern languageJ. Information and Software Technology, 2006(42).2 杨芙清,梅宏,李克勤. 软件复用与软件构件技术J. 电子学报, 1999, 27(2).3 杨芙清.软件复用及相关技术J.计算机科学, 1999, 26(5).4 Nenad Medvidovic,Richard Taylor. A Classification and Comparison Fra
29、mework for Software Architecture Description LanguagesJ. IEEE Transactions on Software Engineering, 2005, 25(1).5 窦郁宏,陈松乔. 程序挖掘中需求描述的研究J. 计算机工程与应用, 2006, 10.6 杨瑞林,李力军.新型低合金高强韧性耐磨钢的研究J. 钢铁, 1999(7).7 贾名字.工程硕士论文撰写规范D. 硕士学位论文, 上海交通大学, 2007.8 胡海洋,杨玫.Cogent后组装技术研究与实现J. 电子学报, 2002, 30(12).9 袁庆龙，候文义Ni-P合金镀
30、层组织形貌及显微硬度研究J太原理工大学学报, 2001, 32(1).10 刘国钧，王连成图书馆史研究M. 北京：高等教育出版社, 197911 孙品一高校学报编辑工作现代化特征C中国高等学校自然科学学报研究会科技编辑学论文集(2)北京：北京师范大学出版社, 199812 张和生地质力学系统理论D太原：太原理工大学, 199813 冯西桥核反应堆压力容器的LBB分析R. 北京：清华大学核能技术设计研究院, 199714 姜锡洲一种温热外敷药制备方案P中国专利：881056078，1983-08-1215 GB/T 161591996，汉语拼音正词法基本规则S北京：中国标准出版社，1996.16 谢希德创造学习的思路N人民日报，1998-12-25(10)17 王明亮中国学术期刊标准化数据库系统工程的建设EB/OL18 10-2.html, 1998-08-16/1998-10-04.19 任洪敏,钱乐秋.构件组装及其形式化推导研究J. 软件学报, 2007, 14(6).附 录17
