基于simulink的擴頻測距電路研究

摘要：本文以擴頻通信系統為基礎，利用matlab可視化工具simulink，搭建了直擴通信系統測距模型，在給定的仿真環境下，對各仿真模塊進行了運行測試。測試結果在惡劣信道中，該系統誤比特率低，測量精度高，結果表明在信道噪聲和相關干擾下，該系統抗干擾能力強，抗噪聲能力穩定，具有很好的抗窄帶單音干擾的能力。

關鍵詞：擴頻測距 simulink 測量精度 測量距離

中圖分類號：TN914.42 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）10-0107-02

1 引言

擴頻通信是現代通信的一個重要分支和發展方向，信息在傳輸過程利用偽隨機序列對被傳輸信息進行頻譜擴展，使其具有遠遠大于信號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行解擴并恢復原始數據信息。它在抗噪聲干擾、抗多徑衰落、碼分多址等方面同傳統無線通信相比具有無可比擬的優勢。其自誕生之日起，就得到了廣泛重視，現逐步發展成為前景極為廣闊的一種通信方式。擴頻測距是利用擴頻通信來進行測距的一種測距方式，一般采用一個較長周期的pn碼序列做為發射信號，在接收端通過該pn碼與目標反射回來的pn碼序列的相位進行比較，通過兩個碼序列的碼片差，得出時間差，進而換算出所要測量的距離。

本文利用matlab的可視化工具simulink對擴頻測距系統進行了仿真，對該系統的擴頻增益、干擾噪聲與抑制及偽隨機碼的跟蹤與捕獲比進行了研究，為擴頻測距系統在實際環境下的應用提供了依據。

2 理論基礎

2.1 直接擴頻系統

2.1.1 直接擴頻系統的理論基礎及基本原理

直擴的基本工作原理是在發送端信源加入高速的偽隨機序列使得信號的頻譜得以擴寬，展寬后的信號再經過調制發送出去。在接收端使用相同的本地偽隨機序列對接收到的信號進行解擴并解調，恢復出原有信號。其理論基礎源于香農定理：在高斯白噪聲干擾條件下，系統的傳輸最大速率或信道容量為：

式中：C為信道容量；B為信號帶寬；S為信號平均功率；N為噪聲功率。

由香農公式可看出：

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

（2）針對一個指定的信道容量，可以通過信噪比和帶寬的適當互換來保證信道容量不變。

（3）當帶寬展寬時系統噪聲功率也會變大，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，信號功率和信號帶寬可以形成互換。當然并不是任意系統隨意擴展其傳輸帶寬后就一定會得到信噪比的互換，我們在實際通信系統的設計中，應選擇最有效的方式來實現這種信噪比和帶寬的互換，擴頻技術就是一種有效的方法，在強干擾的環境下它仍然可以保證良好的通信質量。

2.1.2 偽隨機序列

擴頻系統的擴頻是通過偽隨機序列乘上原信號來實現的，因此隨機序列具有良好的隨機特性和相關特性。本文選用的m序列是由移位寄存器加上反饋后產生的一種常用的偽隨機序列，其具有產生容易，自相關性好，互相關值小等優點，m序列特有的尖銳的自相關特性，正是碼捕獲時可選用滑動相關法進行捕獲。

2.2 直接擴頻測距的基本原理

直接擴頻測距系統利用目標反射回來的pn碼與接收端原pn碼的相位進行比較，得到兩個碼序列的相位差，進而得出與待測物體間的距離。直接擴頻測距系統包括發送端、信道、及接收端，發送端對信源出來的原始數據信號依次進行信道編碼、直接序列擴頻調制、BPSK調制，而后進入信道，在信道中加入了噪聲和干擾，在接收端進行碼同步后完成解擴及解調。其中在PN碼捕獲的時候，利用PN碼的自相關性而產生的峰峰值得到兩個碼同步所需要的時間，進而得到所測的距離。

3 系統設計

3.1 發送端

直接擴頻測距系統的發送端包括擴頻調制和bpsk調制。擴頻調制通常是將待傳輸的基帶數字信號與擴頻碼在時域相乘，源信號經過擴頻后，得到遠大于源信號帶寬的寬帶信號。本文選用n為8的m序列，周期為 。

載波調制是用基帶信號去改變載波信號的幅度、頻率等參數，進行信息傳送。這里使用的是BPSK調制。調制后輸出為，其中

3.2 信道

信道是通信傳輸的媒介，在無線電通信傳輸中存在許多干擾。信號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，使得干擾信號的能量全部落入有用信號頻帶內，對有用信號形成干擾。同時在系統加入干擾抑制模塊，干擾抑制的核心思想就是在直擴信號解擴前把強干擾能量消除，避免干擾進入接收端進而超過直擴系統的干擾容限。使其信噪比降低到直擴系統干擾容限范圍內，實現對信號的正確接收。其理論基礎是利用信號與干擾在時域和頻域的特性差別來檢測和消除干擾。本文應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，在頻域上形成很窄的尖峰，通過對頻域內的混合信號進行檢測，找到干擾的位置并將這些頻譜線去掉。

擴頻接收機的關鍵技術在于PN碼同步，在擴頻系統中，要正確地進行解擴，必須進行相應的偽碼同步。在接收端使用一個與發送端相同的PN碼，對反射回來的碼進行比較，實現碼同步。這也是測距的關鍵所在。這里使用的是滑動相關法進行偽隨機碼的捕獲。本地PN碼與反射回來PN碼進行互相關運算，利用其自相關特性和互相關特性，當兩個PN碼完全重合時出現尖峰值，即此刻兩碼組實現同步。若沒有同步，則本地碼延時一個碼片，繼續上步計算，則直到兩碼片重合為止。對延時的時間進行計數，就可得知兩個碼片同步所需要的時間，即通過此時間可換算出兩地之間的距離。

3.3 載波同步

接收信號在完成解擴之后要進行解調。在相干解調時，接收端需要用一個與所接收信號完全相同的相干載波進行提取，這個過程叫做載波同步。這里采用自同步的方法，載波同步是搭建Costas環完成載波同步的仿真。

3.4 距離測量

在PN碼同步時，計數器1在PN碼時鐘的觸發下由0到n-1計數，其中n是m序列的位數，若計數器計滿n時將計數器2清零進入下一輪計數。計數器2在時鐘觸發下對接收碼與本地碼互相關運算，門限判決電路的作用是將計數器2在n個碼元時間內與門限進行比較，若大于門限，輸出0，小于門限，輸出1。當輸出1時，時鐘產生電路則扣除掉本地偽碼產生的一個時鐘脈沖，本地偽碼發生器將延時一個碼片，就相當于本地碼在滑動，一直到無窄脈沖輸出時，碼相位就對齊了。計數器1則記錄了碼片延時的個數，通過碼片延時的個數能計算出延時時間，進而計算出所測的距離。

4 仿真與結果分析

直接擴頻系統采用n為8的m序列，擴展頻譜寬度為。采用BPSK調制，擴頻調制仿真模塊如圖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，系統的數碼率為1kb/s，擴頻碼率255kb/s，載波為510kHZ。

而后在系統中加入干擾抑制模塊后，FFT變換采樣點個數為8192，窗函數使用切比雪夫窗，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，經過加窗處理和重疊變換后，干擾大幅度降低，信號損傷大為減少。FFT的干擾抑制技術還能同時處理多個干擾，因此具有良好的抗多徑衰落的能力。

Pn碼同步時采用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在0.005s時出現尖峰值，仿真在兩個碼片周期內能夠得到明顯相關峰，PN碼同步完成。在載波同步仿真中通過構建Costas環完成解調，載頻為500kHz，與發送端調制時有10kHz頻差。其控制電壓大小與調制信號無關，只取決于相位差。從仿真結果圖4可見最終的包絡信息含有噪聲，符合解調要求，成功解調。

5 結語

本文在simulink中搭建了擴頻測距的仿真平臺，并在整個系統仿真中加入了常見的窄帶單頻干擾和高斯白噪聲，重點分析了擴頻調制和碼同步兩個關鍵步驟，系統設計中加入了窄帶干擾抑制模塊，接收并解擴后的信號與發出信號基本一致，誤比特率低。通過仿真驗證了系統的可行性。結果表明系統的頻帶擴展寬度符合預期，在信道中存在較大干擾的情況下，抗干擾能力良好。滑動捕獲碼同步法估算測距距離的算法簡單有效，滿足實際運用需求。

參考文獻

[1]Roger L.Peterson.擴頻通信導論[J].電子工業出版社，2006.

[2]Gordon.LStubber.移動通信原理[J].機械工業出版社出版社，2005，6.

[3]竇中兆.CDMA無線通信原理[J].清華大學出版社，2004，2.

[4]張欣.擴頻通信數字基帶信號處理算法及其vlsi實現[J].科學出版社，2004，8.

收稿日期：2016-08-23

作者簡介：顏克弦（1990—），男，漢族，四川內江人，碩士研究生在讀，研究方向為擴頻通信。