擴(kuò)頻通信中PN碼捕獲的SIMULINK仿真實(shí)現(xiàn)_圖文

1、第24卷第3期 2009年9月青島大學(xué)學(xué)報(bào)(工程技術(shù)版JOURNAL OF QINGDAO UNIVERSITY(E&TJV01.24No.3 Sep.2009文章編號(hào):10069798(200903005104擴(kuò)頻通信中PN碼捕獲的SIMULINK仿真實(shí)現(xiàn)許麗艷1,崔靈果2,莊曉東1,張 楠1(1。青島大學(xué)自動(dòng)化工程學(xué)院,山東青島266071;2.北京理工大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院,北京10008摘要:PN碼序列同步是擴(kuò)頻通信系統(tǒng)特有的技術(shù),也是決定系統(tǒng)性能的關(guān)鍵技術(shù)。為了研究PN碼同步,采用滑動(dòng)相關(guān)法進(jìn)行PN碼同步捕獲,并利用MATLAB平臺(tái)的SIMULINK可視化仿真工具構(gòu)建了通信系統(tǒng)

2、仿真模型。詳細(xì)論述了各功能模塊的設(shè)計(jì)方法及參數(shù)設(shè)置,給出了仿真波形及結(jié)果分析。仿真結(jié)果表明,該模型是正確的,實(shí)現(xiàn)了PN碼的捕獲。另外,采用SIMULINK構(gòu)建的模型原理清晰,具有良好的演示效果,為PN碼同步仿真提供了一個(gè)較好的軟件平臺(tái)。關(guān)鍵詞:擴(kuò)頻通信;PN碼捕獲;滑動(dòng)相關(guān)法;SIMULINK仿真中圖分類號(hào):TN914.42文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A自20世紀(jì)40年代后期,特別是80年代以來,擴(kuò)頻技術(shù)被廣泛應(yīng)用于各種軍事系統(tǒng)中。由于其性能獨(dú) 特,在移動(dòng)通信、衛(wèi)星通信中也獲得了廣泛的應(yīng)用。擴(kuò)頻通信在發(fā)射端采用偽隨機(jī)碼(又稱偽碼或PN碼對(duì) 信息碼進(jìn)行擴(kuò)頻,在接收端只有當(dāng)本地偽碼和接收信號(hào)中的偽碼在相位上達(dá)到同

3、步,才能實(shí)現(xiàn)對(duì)信息碼的解 擴(kuò)1。PN碼捕獲的作用是實(shí)現(xiàn)偽碼相位的粗同步,為后續(xù)的偽碼跟蹤環(huán)節(jié)提供相位初值。設(shè)計(jì)擴(kuò)頻通信 系統(tǒng)時(shí),PN碼捕獲跟蹤是擴(kuò)頻通信體制成敗的關(guān)鍵性問題,也是決定擴(kuò)頻通信體制成敗的關(guān)鍵凹.s。常用 的同步捕獲方法有滑動(dòng)相關(guān)法、同步頭法、跳頻同步法、發(fā)射參考信號(hào)法、匹配濾波器同步法等。滑動(dòng)相關(guān)法 是一種最簡單、最實(shí)用的捕獲方法。SIMULINK是MATLAB中的可視化仿真工具,具有完整的動(dòng)態(tài)系統(tǒng) 設(shè)計(jì)、分析和仿真的環(huán)境,支持線性和非線性系統(tǒng)、離散和連續(xù)系統(tǒng)i-引。本文借助SIMULINK中的模塊庫 構(gòu)造滑動(dòng)相關(guān)捕獲法的可視化交互仿真系統(tǒng),并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析。1滑動(dòng)相關(guān)捕獲法

4、原理PN碼同步捕獲一般有以下幾個(gè)步驟:確定要搜索的擴(kuò)頻碼相位的區(qū)域;調(diào)整本地參考擴(kuò)頻碼的相位; 求解擴(kuò)頻碼的相關(guān)函數(shù)值;對(duì)所求相關(guān)值進(jìn)行判決?；瑒?dòng)相關(guān)捕獲法原理5(如圖l所示是用本地信號(hào)與收到的信號(hào)相乘(即相關(guān)運(yùn)算,獲得兩者相似性的度量,并與一門限值相比較,以判斷其 一是否捕獲到有用信號(hào),如果確認(rèn)已捕獲到有用信號(hào),則開始跟蹤過程,使系統(tǒng)保持同步。否則,又開始繼續(xù)搜捕。這里利用了PN碼序列的相關(guān)特性(如圖2所示。當(dāng)兩個(gè)相同的碼序列相位上一致時(shí),其相圖1滑動(dòng)相關(guān)捕獲法原理關(guān)值有最大的輸出。接收信號(hào)和本地PN碼進(jìn)行相關(guān),然后將相關(guān)值送入門限比較器進(jìn)行比較,當(dāng)它低于設(shè) 定的某-I'-J限值時(shí)輸

5、出一個(gè)信號(hào)給控制時(shí)鐘電路,用于控制時(shí)鐘電路的工作狀態(tài),從而改變本地?cái)U(kuò)頻序列的 相位狀態(tài)。相位狀態(tài)改變后的本地?cái)U(kuò)頻偽碼再和輸入信號(hào)作相關(guān),直到相關(guān)值大于門限設(shè)定值,就表示已經(jīng) 收稿日期:2009一0429基金資助:青島大學(xué)青年科研基金項(xiàng)目(2006年作者簡介:許麗艷(1971一,女,內(nèi)蒙通遼人,碩士,講師,研究方向?yàn)樾盘?hào)處理及通信系統(tǒng)仿真等。52青島大學(xué)學(xué)報(bào)(工程技術(shù)版 第24卷完成對(duì)接收信號(hào)的相位捕獲,這時(shí)門限比較器的輸 出不再改變時(shí)鐘電路的工作狀態(tài)。2系統(tǒng)仿真模型的設(shè)計(jì)利用滑動(dòng)相關(guān)捕獲法原理,由SIMUI。INK仿 真丁具構(gòu)建的PN碼捕獲模型如圖3所示。該模型 主要包括以下幾個(gè)功能模塊:PN

6、碼產(chǎn)生模塊、相關(guān) 模塊、門限比較器模塊、相位搜索控制模塊。-尺(7勛j/弋 f 。/ 圖2PN碼自相關(guān)特性信號(hào)圖3PN碼捕獲仿真模型PN碼選用5級(jí)優(yōu)序列,其生成多項(xiàng)式為廠(z=1+X2+z5,采樣時(shí)間設(shè)為0.001s,則其周期為0.031 S。發(fā)端PN碼的產(chǎn)生可直接選用通信模塊庫中PN Sequences Generator,參數(shù)generator polynomial設(shè)為 E100l 01。參數(shù)initial states可任意設(shè)定,只要不是全零即可。參數(shù)Sample time設(shè)為0.001s。乘法器、積分器模塊用于獲得收、發(fā)兩端信號(hào)的相似性度量。比較器的門限值設(shè)為PN碼周期的一半, 即0.

7、031/2S。圖3模型工作過程如下:當(dāng)積分值大于門限值時(shí),門限比較器輸出控制信號(hào)為1,表示收端PN碼與發(fā)端 PN碼達(dá)到同步,此時(shí)相位搜索控制信號(hào)不再改變收端D觸發(fā)器時(shí)鐘信號(hào)。當(dāng)積分值小于門限值時(shí),門限比 較器輸出控制信號(hào)為0,表示收端PN碼與發(fā)端PN碼相位不同,此時(shí)相位搜索控制信號(hào)起作用,控制D觸發(fā) 器停止丁作(停止時(shí)常為一個(gè)碼片時(shí)間,即0.001s并保持當(dāng)前狀態(tài)。相位搜索控制模塊用于對(duì)收端PN碼相位的控制。收端PN碼發(fā)生器由5個(gè)D觸發(fā)器構(gòu)成(如圖4所示。由于觸發(fā)器的初始狀態(tài)無法確定,這里用階躍 信號(hào)輔助構(gòu)成,使其初始狀態(tài)為00001。圖4收端PN碼發(fā)生器第3期 許麗艷,等:擴(kuò)頻通信中PN碼捕

8、獲的SIMULINK仿真實(shí)現(xiàn) 533仿真結(jié)果及分析仿真所用MATLAB軟件版本為6.5。設(shè)發(fā)端PN碼發(fā)生器初始相位為00010,理論上計(jì)算達(dá)到同步 時(shí)間為一個(gè)PN碼周期,即0.031s。為觀察方便,仿真時(shí)間設(shè)為0.06s,仿真結(jié)果見圖5所示。圖5從上到 下依次是發(fā)端PN碼波形、收端PN碼波形、PN碼達(dá)到同步時(shí)刻的觀察波形?？捎^察到在0.031S時(shí),收、發(fā) 兩端PN碼達(dá)到同步。此時(shí)的相位控制信號(hào)及D觸發(fā)器時(shí)鐘信號(hào)見圖6所示。 圖5仿真結(jié)果(同步時(shí)間0.031s 圖6相位控制信號(hào)及D觸發(fā)器時(shí)鐘信號(hào)由圖6可見,系統(tǒng)產(chǎn)生一個(gè)控制信號(hào),D觸發(fā)器停止工作一個(gè)碼片時(shí)長。由圖5和圖6可知,仿真結(jié)果 與理論計(jì)算

9、值相同,表明該模型是正確的。改變發(fā)端PN碼發(fā)生器初始相位,例如設(shè)為01010。理論上計(jì)算達(dá)到同步時(shí)間為3個(gè)PN碼周期,即 0.093S。為觀察方便,仿真時(shí)間設(shè)為0.16S,仿真結(jié)果見圖7所示?？捎^察到在0.093s時(shí)收、發(fā)兩端PN 碼達(dá)到同步。相位控制信號(hào)及D觸發(fā)器時(shí)鐘信號(hào)見圖8所示,可見系統(tǒng)產(chǎn)生3個(gè)控制信號(hào)。 圖7仿真結(jié)果(同步時(shí)間0.093S 圖8相位控制信號(hào)及D觸發(fā)器時(shí)鐘信號(hào)另外,也可對(duì)門限值的選取進(jìn)行仿真分析。仿真表明,門限值過大或過小都不能實(shí)現(xiàn)PN碼正確捕捉, 合適的門限值為PN碼周期的一半左右。本模型PN碼選用5級(jí)m序列,也可擴(kuò)展到其他更高級(jí)數(shù)。需要改動(dòng)的是發(fā)端PN碼的生成多項(xiàng)式參

10、 數(shù)、收端D觸發(fā)器的個(gè)數(shù)及反饋線的聯(lián)接、積分器的積分時(shí)間、比較器門限值等。4結(jié)束語介紹了擴(kuò)頻通信中PN碼捕獲的SIMUI。INK仿真實(shí)現(xiàn)方法。采用簡單實(shí)用的滑動(dòng)相關(guān)捕獲法,構(gòu)建仿54青島大學(xué)學(xué)報(bào)(工程技術(shù)版 第24卷真模型,并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析。結(jié)果表明,該模型實(shí)現(xiàn)了PN碼的捕捉,理論分析與仿真結(jié)果是一致的。 另外,借助于SIMULINK可視化仿真工具,使系統(tǒng)分析變得更加方便、直觀,為PN碼同步仿真提供了較好 的軟件平臺(tái)。參考文獻(xiàn):13曾興雯。劉乃安,孫獻(xiàn)璞.擴(kuò)展頻譜通信及其多址技術(shù)M。西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2005.2劉麗,何加銘,陳志君,等.直接序列擴(kuò)頻接收機(jī)同步技術(shù)研究J.寧波大

11、學(xué)學(xué)報(bào)(理工版,2006,19(2:161165. 3陳濤。何培龍.擴(kuò)頻通信中PN碼串行捕獲的FPGA實(shí)現(xiàn)J.儀器儀表用戶,2008,15(2:105106.4鄧華.Matlab通信仿真及應(yīng)用實(shí)例詳解M.北京:人民郵電出版社,2003.5田日才.擴(kuò)頻通信M.北京:清華大學(xué)出版社,2007.SIMULINK Implementation of PN CodeAcquisition inSpread-Spectrum CommunicationsXU Liyanl,CUI Linggu02,ZHUANG Xiaodon91,ZHANG Nanl(1.School of Automation Eng

12、ineering,Qingdao University,Qingdao 266071,China;2.College of Information Science and Technology,Beijing University of Technology,Bering 100081,China Abstract:PN code synchronization is one of the key techniques in spreadspectrum communications.The sliding correlating is used to study PN code synchr

13、onization in the paper.The simulating model of PN code acquisition is built based on SIMULINK t001.The design method and parameter of each functional module are introduced in detail,and the simulation waves and results analyzing are given.It is showed that the model is correct and implements the PN code acquisition,Moreover,the principle of model,which is built by SIMULINK,is clear