基于simulink的扩频测距电路研究

摘要：本文以扩频通信系统为基础，利用matlab可视化工具simulink，搭建了直扩通信系统测距模型，在给定的仿真环境下，对各仿真模块进行了运行测试。测试结果在恶劣信道中，该系统误比特率低，测量精度高，结果表明在信道噪声和相关干扰下，该系统抗干扰能力强，抗噪声能力稳定，具有很好的抗窄带单音干扰的能力。

关键词：扩频测距 simulink 测量精度 测量距离

中图分类号：TN914.42 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2016）10-0107-02

1 引言

U频通信是现代通信的一个重要分支和发展方向，信息在传输过程利用伪随机序列对被传输信息进行频谱扩展，使其具有远远大于信号自身传输过程中所需要的带宽，在接收过程中使用相同的序列进行解扩并恢复原始数据信息。它在抗噪声干扰、抗多径衰落、码分多址等方面同传统无线通信相比具有无可比拟的优势。其自诞生之日起，就得到了广泛重视，现逐步发展成为前景极为广阔的一种通信方式。扩频测距是利用扩频通信来进行测距的一种测距方式，一般采用一个较长周期的pn码序列做为发射信号，在接收端通过该pn码与目标反射回来的pn码序列的相位进行比较，通过两个码序列的码片差，得出时间差，进而换算出所要测量的距离。

本文利用matlab的可视化工具simulink对扩频测距系统进行了仿真，对该系统的扩频增益、干扰噪声与抑制及伪随机码的跟踪与捕获比进行了研究，为扩频测距系统在实际环境下的应用提供了依据。

2 理论基础

2.1 直接扩频系统

2.1.1 直接扩频系统的理论基础及基本原理

直扩的基本工作原理是在发送端信源加入高速的伪随机序列使得信号的频谱得以扩宽，展宽后的信号再经过调制发送出去。在接收端使用相同的本地伪随机序列对接收到的信号进行解扩并解调，恢复出原有信号。其理论基础源于香农定理：在高斯白噪声干扰条件下，系统的传输最大速率或信道容量为：

式中：C为信道容量；B为信号带宽；S为信号平均功率；N为噪声功率。

由香农公式可看出：

（1）可以通过增加传输信号的带宽或增加信噪比的方式，来实现系统信息传输速率的增加，使系统信道容量增加。

（2）针对一个指定的信道容量，可以通过信噪比和带宽的适当互换来保证信道容量不变。

（3）当带宽展宽时系统噪声功率也会变大，信道容量不能通过增加带宽而无限制增大。

由此可知在信道容量一定的条件下，信号功率和信号带宽可以形成互换。当然并不是任意系统随意扩展其传输带宽后就一定会得到信噪比的互换，我们在实际通信系统的设计中，应选择最有效的方式来实现这种信噪比和带宽的互换，扩频技术就是一种有效的方法，在强干扰的环境下它仍然可以保证良好的通信质量。

2.1.2 伪随机序列

扩频系统的扩频是通过伪随机序列乘上原信号来实现的，因此随机序列具有良好的随机特性和相关特性。本文选用的m序列是由移位寄存器加上反馈后产生的一种常用的伪随机序列，其具有产生容易，自相关性好，互相关值小等优点，m序列特有的尖锐的自相关特性，正是码捕获时可选用滑动相关法进行捕获。

2.2 直接扩频测距的基本原理

直接扩频测距系统利用目标反射回来的pn码与接收端原pn码的相位进行比较，得到两个码序列的相位差，进而得出与待测物体间的距离。直接扩频测距系统包括发送端、信道、及接收端，发送端对信源出来的原始数据信号依次进行信道编码、直接序列扩频调制、BPSK调制，而后进入信道，在信道中加入了噪声和干扰，在接收端进行码同步后完成解扩及解调。其中在PN码捕获的时候，利用PN码的自相关性而产生的峰峰值得到两个码同步所需要的时间，进而得到所测的距离。

3 系统设计

3.1 发送端

直接扩频测距系统的发送端包括扩频调制和bpsk调制。扩频调制通常是将待传输的基带数字信号与扩频码在时域相乘，源信号经过扩频后，得到远大于源信号带宽的宽带信号。本文选用n为8的m序列，周期为 。

载波调制是用基带信号去改变载波信号的幅度、频率等参数，进行信息传送。这里使用的是BPSK调制。调制后输出为，其中

3.2 信道

信道是通信传输的媒介，在无线电通信传输中存在许多干扰。信号传输过程中要尽量消除和减少干扰。本论文在信道中加入了单频窄带干扰，这种干扰在频率上与通信频率相同，可形成同频干扰，且频带很窄，使得干扰信号的能量全部落入有用信号频带内，对有用信号形成干扰。同时在系统加入干扰抑制模块，干扰抑制的核心思想就是在直扩信号解扩前把强干扰能量消除，避免干扰进入接收端进而超过直扩系统的干扰容限。使其信噪比降低到直扩系统干扰容限范围内，实现对信号的正确接收。其理论基础是利用信号与干扰在时域和频域的特性差别来检测和消除干扰。本文应用傅里叶重叠变换抑制干扰，利用窄带干扰集中在很窄的频带范围内，在频域上形成很窄的尖峰，通过对频域内的混合信号进行检测，找到干扰的位置并将这些频谱线去掉。

扩频接收机的关键技术在于PN码同步，在扩频系统中，要正确地进行解扩，必须进行相应的伪码同步。在接收端使用一个与发送端相同的PN码，对反射回来的码进行比较，实现码同步。这也是测距的关键所在。这里使用的是滑动相关法进行伪随机码的捕获。本地PN码与反射回来PN码进行互相关运算，利用其自相关特性和互相关特性，当两个PN码完全重合时出现尖峰值，即此刻两码组实现同步。若没有同步，则本地码延时一个码片，继续上步计算，则直到两码片重合为止。对延时的时间进行计数，就可得知两个码片同步所需要的时间，即通过此时间可换算出两地之间的距离。

3.3 载波同步

接收信号在完成解扩之后要进行解调。在相干解调时，接收端需要用一个与所接收信号完全相同的相干载波进行提取，这个过程叫做载波同步。这里采用自同步的方法，载波同步是搭建Costas环完成载波同步的仿真。

3.4 距离测量

在PN码同步时，计数器1在PN码时钟的触发下由0到n-1计数，其中n是m序列的位数，若计数器计满n时将计数器2清零进入下一轮计数。计数器2在时钟触发下对接收码与本地码互相关运算，门限判决电路的作用是将计数器2在n个码元r间内与门限进行比较，若大于门限，输出0，小于门限，输出1。当输出1时，时钟产生电路则扣除掉本地伪码产生的一个时钟脉冲，本地伪码发生器将延时一个码片，就相当于本地码在滑动，一直到无窄脉冲输出时，码相位就对齐了。计数器1则记录了码片延时的个数，通过码片延时的个数能计算出延时时间，进而计算出所测的距离。

4 仿真与结果分析

直接扩频系统采用n为8的m序列，扩展频谱宽度为。采用BPSK调制，扩频调制仿真模块如图1所示。

在信道中加入信噪比为10dB的高斯白噪声和中心频率为510kHZ的单音窄带干扰，系统的数码率为1kb/s，扩频码率255kb/s，载波为510kHZ。

而后在系统中加入干扰抑制模块后，FFT变换采样点个数为8192，窗函数使用切比雪夫窗，阻带衰减度为80dB。加入干扰抑制模块后，波形输出如图2所示，从图中可以看出，经过加窗处理和重叠变换后，干扰大幅度降低，信号损伤大为减少。FFT的干扰抑制技术还能同时处理多个干扰，因此具有良好的抗多径衰落的能力。

Pn码同步时采用255bit、速率为255kb/s的本地pn码，码同步后输出波形图3可以看出中间一路信号在0.005s时出现尖峰值，仿真在两个码片周期内能够得到明显相关峰，PN码同步完成。在载波同步仿真中通过构建Costas环完成解调，载频为500kHz，与发送端调制时有10kHz频差。其控制电压大小与调制信号无关，只取决于相位差。从仿真结果图4可见最终的包络信息含有噪声，符合解调要求，成功解调。

5 结语

本文在simulink中搭建了扩频测距的仿真平台，并在整个系统仿真中加入了常见的窄带单频干扰和高斯白噪声，重点分析了扩频调制和码同步两个关键步骤，系统设计中加入了窄带干扰抑制模块，接收并解扩后的信号与发出信号基本一致，误比特率低。通过仿真验证了系统的可行性。结果表明系统的频带扩展宽度符合预期，在信道中存在较大干扰的情况下，抗干扰能力良好。滑动捕获码同步法估算测距距离的算法简单有效，满足实际运用需求。

参考文献

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[4]张欣.扩频通信数字基带信号处理算法及其vlsi实现[J].科学出版社，2004，8.

收稿日期：2016-08-23

作者简介：颜克弦（1990―），男，汉族，四川内江人，硕士研究生在读，研究方向为扩频通信。