摘要：本文以擴(kuò)頻通信系統(tǒng)為基礎(chǔ)，利用matlab可視化工具simulink，搭建了直擴(kuò)通信系統(tǒng)測(cè)距模型，在給定的仿真環(huán)境下，對(duì)各仿真模塊進(jìn)行了運(yùn)行測(cè)試。測(cè)試結(jié)果在惡劣信道中，該系統(tǒng)誤比特率低，測(cè)量精度高，結(jié)果表明在信道噪聲和相關(guān)干擾下，該系統(tǒng)抗干擾能力強(qiáng)，抗噪聲能力穩(wěn)定，具有很好的抗窄帶單音干擾的能力。

關(guān)鍵詞：擴(kuò)頻測(cè)距 simulink 測(cè)量精度 測(cè)量距離

中圖分類號(hào)：TN914.42 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2016）10-0107-02

1 引言

擴(kuò)頻通信是現(xiàn)代通信的一個(gè)重要分支和發(fā)展方向，信息在傳輸過程利用偽隨機(jī)序列對(duì)被傳輸信息進(jìn)行頻譜擴(kuò)展，使其具有遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于信號(hào)自身傳輸過程中所需要的帶寬，在接收過程中使用相同的序列進(jìn)行解擴(kuò)并恢復(fù)原始數(shù)據(jù)信息。它在抗噪聲干擾、抗多徑衰落、碼分多址等方面同傳統(tǒng)無線通信相比具有無可比擬的優(yōu)勢(shì)。其自誕生之日起，就得到了廣泛重視，現(xiàn)逐步發(fā)展成為前景極為廣闊的一種通信方式。擴(kuò)頻測(cè)距是利用擴(kuò)頻通信來進(jìn)行測(cè)距的一種測(cè)距方式，一般采用一個(gè)較長(zhǎng)周期的pn碼序列做為發(fā)射信號(hào)，在接收端通過該pn碼與目標(biāo)反射回來的pn碼序列的相位進(jìn)行比較，通過兩個(gè)碼序列的碼片差，得出時(shí)間差，進(jìn)而換算出所要測(cè)量的距離。

本文利用matlab的可視化工具simulink對(duì)擴(kuò)頻測(cè)距系統(tǒng)進(jìn)行了仿真，對(duì)該系統(tǒng)的擴(kuò)頻增益、干擾噪聲與抑制及偽隨機(jī)碼的跟蹤與捕獲比進(jìn)行了研究，為擴(kuò)頻測(cè)距系統(tǒng)在實(shí)際環(huán)境下的應(yīng)用提供了依據(jù)。

2 理論基礎(chǔ)

2.1 直接擴(kuò)頻系統(tǒng)

2.1.1 直接擴(kuò)頻系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)及基本原理

直擴(kuò)的基本工作原理是在發(fā)送端信源加入高速的偽隨機(jī)序列使得信號(hào)的頻譜得以擴(kuò)寬，展寬后的信號(hào)再經(jīng)過調(diào)制發(fā)送出去。在接收端使用相同的本地偽隨機(jī)序列對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行解擴(kuò)并解調(diào)，恢復(fù)出原有信號(hào)。其理論基礎(chǔ)源于香農(nóng)定理：在高斯白噪聲干擾條件下，系統(tǒng)的傳輸最大速率或信道容量為：

式中：C為信道容量；B為信號(hào)帶寬；S為信號(hào)平均功率；N為噪聲功率。

由香農(nóng)公式可看出：

（1）可以通過增加傳輸信號(hào)的帶寬或增加信噪比的方式，來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)信息傳輸速率的增加，使系統(tǒng)信道容量增加。

（2）針對(duì)一個(gè)指定的信道容量，可以通過信噪比和帶寬的適當(dāng)互換來保證信道容量不變。

（3）當(dāng)帶寬展寬時(shí)系統(tǒng)噪聲功率也會(huì)變大，信道容量不能通過增加帶寬而無限制增大。

由此可知在信道容量一定的條件下，信號(hào)功率和信號(hào)帶寬可以形成互換。當(dāng)然并不是任意系統(tǒng)隨意擴(kuò)展其傳輸帶寬后就一定會(huì)得到信噪比的互換，我們?cè)趯?shí)際通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，應(yīng)選擇最有效的方式來實(shí)現(xiàn)這種信噪比和帶寬的互換，擴(kuò)頻技術(shù)就是一種有效的方法，在強(qiáng)干擾的環(huán)境下它仍然可以保證良好的通信質(zhì)量。

2.1.2 偽隨機(jī)序列

擴(kuò)頻系統(tǒng)的擴(kuò)頻是通過偽隨機(jī)序列乘上原信號(hào)來實(shí)現(xiàn)的，因此隨機(jī)序列具有良好的隨機(jī)特性和相關(guān)特性。本文選用的m序列是由移位寄存器加上反饋后產(chǎn)生的一種常用的偽隨機(jī)序列，其具有產(chǎn)生容易，自相關(guān)性好，互相關(guān)值小等優(yōu)點(diǎn)，m序列特有的尖銳的自相關(guān)特性，正是碼捕獲時(shí)可選用滑動(dòng)相關(guān)法進(jìn)行捕獲。

2.2 直接擴(kuò)頻測(cè)距的基本原理

直接擴(kuò)頻測(cè)距系統(tǒng)利用目標(biāo)反射回來的pn碼與接收端原pn碼的相位進(jìn)行比較，得到兩個(gè)碼序列的相位差，進(jìn)而得出與待測(cè)物體間的距離。直接擴(kuò)頻測(cè)距系統(tǒng)包括發(fā)送端、信道、及接收端，發(fā)送端對(duì)信源出來的原始數(shù)據(jù)信號(hào)依次進(jìn)行信道編碼、直接序列擴(kuò)頻調(diào)制、BPSK調(diào)制，而后進(jìn)入信道，在信道中加入了噪聲和干擾，在接收端進(jìn)行碼同步后完成解擴(kuò)及解調(diào)。其中在PN碼捕獲的時(shí)候，利用PN碼的自相關(guān)性而產(chǎn)生的峰峰值得到兩個(gè)碼同步所需要的時(shí)間，進(jìn)而得到所測(cè)的距離。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 發(fā)送端

直接擴(kuò)頻測(cè)距系統(tǒng)的發(fā)送端包括擴(kuò)頻調(diào)制和bpsk調(diào)制。擴(kuò)頻調(diào)制通常是將待傳輸?shù)幕鶐?shù)字信號(hào)與擴(kuò)頻碼在時(shí)域相乘，源信號(hào)經(jīng)過擴(kuò)頻后，得到遠(yuǎn)大于源信號(hào)帶寬的寬帶信號(hào)。本文選用n為8的m序列，周期為 。

載波調(diào)制是用基帶信號(hào)去改變載波信號(hào)的幅度、頻率等參數(shù)，進(jìn)行信息傳送。這里使用的是BPSK調(diào)制。調(diào)制后輸出為，其中

3.2 信道

信道是通信傳輸?shù)拿浇椋跓o線電通信傳輸中存在許多干擾。信號(hào)傳輸過程中要盡量消除和減少干擾。本論文在信道中加入了單頻窄帶干擾，這種干擾在頻率上與通信頻率相同，可形成同頻干擾，且頻帶很窄，使得干擾信號(hào)的能量全部落入有用信號(hào)頻帶內(nèi)，對(duì)有用信號(hào)形成干擾。同時(shí)在系統(tǒng)加入干擾抑制模塊，干擾抑制的核心思想就是在直擴(kuò)信號(hào)解擴(kuò)前把強(qiáng)干擾能量消除，避免干擾進(jìn)入接收端進(jìn)而超過直擴(kuò)系統(tǒng)的干擾容限。使其信噪比降低到直擴(kuò)系統(tǒng)干擾容限范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的正確接收。其理論基礎(chǔ)是利用信號(hào)與干擾在時(shí)域和頻域的特性差別來檢測(cè)和消除干擾。本文應(yīng)用傅里葉重疊變換抑制干擾，利用窄帶干擾集中在很窄的頻帶范圍內(nèi)，在頻域上形成很窄的尖峰，通過對(duì)頻域內(nèi)的混合信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，找到干擾的位置并將這些頻譜線去掉。

擴(kuò)頻接收機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)在于PN碼同步，在擴(kuò)頻系統(tǒng)中，要正確地進(jìn)行解擴(kuò)，必須進(jìn)行相應(yīng)的偽碼同步。在接收端使用一個(gè)與發(fā)送端相同的PN碼，對(duì)反射回來的碼進(jìn)行比較，實(shí)現(xiàn)碼同步。這也是測(cè)距的關(guān)鍵所在。這里使用的是滑動(dòng)相關(guān)法進(jìn)行偽隨機(jī)碼的捕獲。本地PN碼與反射回來PN碼進(jìn)行互相關(guān)運(yùn)算，利用其自相關(guān)特性和互相關(guān)特性，當(dāng)兩個(gè)PN碼完全重合時(shí)出現(xiàn)尖峰值，即此刻兩碼組實(shí)現(xiàn)同步。若沒有同步，則本地碼延時(shí)一個(gè)碼片，繼續(xù)上步計(jì)算，則直到兩碼片重合為止。對(duì)延時(shí)的時(shí)間進(jìn)行計(jì)數(shù)，就可得知兩個(gè)碼片同步所需要的時(shí)間，即通過此時(shí)間可換算出兩地之間的距離。

3.3 載波同步

接收信號(hào)在完成解擴(kuò)之后要進(jìn)行解調(diào)。在相干解調(diào)時(shí)，接收端需要用一個(gè)與所接收信號(hào)完全相同的相干載波進(jìn)行提取，這個(gè)過程叫做載波同步。這里采用自同步的方法，載波同步是搭建Costas環(huán)完成載波同步的仿真。

3.4 距離測(cè)量

在PN碼同步時(shí)，計(jì)數(shù)器1在PN碼時(shí)鐘的觸發(fā)下由0到n-1計(jì)數(shù)，其中n是m序列的位數(shù)，若計(jì)數(shù)器計(jì)滿n時(shí)將計(jì)數(shù)器2清零進(jìn)入下一輪計(jì)數(shù)。計(jì)數(shù)器2在時(shí)鐘觸發(fā)下對(duì)接收碼與本地碼互相關(guān)運(yùn)算，門限判決電路的作用是將計(jì)數(shù)器2在n個(gè)碼元時(shí)間內(nèi)與門限進(jìn)行比較，若大于門限，輸出0，小于門限，輸出1。當(dāng)輸出1時(shí)，時(shí)鐘產(chǎn)生電路則扣除掉本地偽碼產(chǎn)生的一個(gè)時(shí)鐘脈沖，本地偽碼發(fā)生器將延時(shí)一個(gè)碼片，就相當(dāng)于本地碼在滑動(dòng)，一直到無窄脈沖輸出時(shí)，碼相位就對(duì)齊了。計(jì)數(shù)器1則記錄了碼片延時(shí)的個(gè)數(shù)，通過碼片延時(shí)的個(gè)數(shù)能計(jì)算出延時(shí)時(shí)間，進(jìn)而計(jì)算出所測(cè)的距離。

4 仿真與結(jié)果分析

直接擴(kuò)頻系統(tǒng)采用n為8的m序列，擴(kuò)展頻譜寬度為。采用BPSK調(diào)制，擴(kuò)頻調(diào)制仿真模塊如圖1所示。

在信道中加入信噪比為10dB的高斯白噪聲和中心頻率為510kHZ的單音窄帶干擾，系統(tǒng)的數(shù)碼率為1kb/s，擴(kuò)頻碼率255kb/s，載波為510kHZ。

而后在系統(tǒng)中加入干擾抑制模塊后，F(xiàn)FT變換采樣點(diǎn)個(gè)數(shù)為8192，窗函數(shù)使用切比雪夫窗，阻帶衰減度為80dB。加入干擾抑制模塊后，波形輸出如圖2所示，從圖中可以看出，經(jīng)過加窗處理和重疊變換后，干擾大幅度降低，信號(hào)損傷大為減少。FFT的干擾抑制技術(shù)還能同時(shí)處理多個(gè)干擾，因此具有良好的抗多徑衰落的能力。

Pn碼同步時(shí)采用255bit、速率為255kb/s的本地pn碼，碼同步后輸出波形圖3可以看出中間一路信號(hào)在0.005s時(shí)出現(xiàn)尖峰值，仿真在兩個(gè)碼片周期內(nèi)能夠得到明顯相關(guān)峰，PN碼同步完成。在載波同步仿真中通過構(gòu)建Costas環(huán)完成解調(diào)，載頻為500kHz，與發(fā)送端調(diào)制時(shí)有10kHz頻差。其控制電壓大小與調(diào)制信號(hào)無關(guān)，只取決于相位差。從仿真結(jié)果圖4可見最終的包絡(luò)信息含有噪聲，符合解調(diào)要求，成功解調(diào)。

5 結(jié)語

本文在simulink中搭建了擴(kuò)頻測(cè)距的仿真平臺(tái)，并在整個(gè)系統(tǒng)仿真中加入了常見的窄帶單頻干擾和高斯白噪聲，重點(diǎn)分析了擴(kuò)頻調(diào)制和碼同步兩個(gè)關(guān)鍵步驟，系統(tǒng)設(shè)計(jì)中加入了窄帶干擾抑制模塊，接收并解擴(kuò)后的信號(hào)與發(fā)出信號(hào)基本一致，誤比特率低。通過仿真驗(yàn)證了系統(tǒng)的可行性。結(jié)果表明系統(tǒng)的頻帶擴(kuò)展寬度符合預(yù)期，在信道中存在較大干擾的情況下，抗干擾能力良好?；瑒?dòng)捕獲碼同步法估算測(cè)距距離的算法簡(jiǎn)單有效，滿足實(shí)際運(yùn)用需求。

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收稿日期：2016-08-23

作者簡(jiǎn)介：顏克弦（1990—），男，漢族，四川內(nèi)江人，碩士研究生在讀，研究方向?yàn)閿U(kuò)頻通信。