畢業(yè)論文---基于MATLAB的GPS信號的仿真

1、沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文摘要擴頻通信是近幾年來迅速發(fā)展起來的一種通信技術(shù)。在早期研究這種技術(shù)的主要目的是為提高軍事通信的保密和抗干擾性能，因此這種技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用一直是處于保密狀態(tài)。擴頻技術(shù)在軍事應(yīng)用上的最成功范例可以以美國和俄國的全球定位系統(tǒng)（gps和glonass）為代表；在民用上gps和glonass也都得到了廣泛的應(yīng)用，這些系統(tǒng)的基礎(chǔ)就是擴頻技術(shù)。全球定位系統(tǒng)（gps）用于對全球的民用及軍用飛機、艦船、人員、車輛等提供實時導(dǎo)航定位服務(wù)。gps系統(tǒng)采用典型的cdma體制，這種擴頻調(diào)制信號具有低截獲概率特性。該系統(tǒng)主要利用直接序列擴頻調(diào)制技術(shù)，采用的偽碼有c/a碼和p(y)碼兩種。本文講述

2、的是直接序列擴頻通信技術(shù)在全球定位系統(tǒng)（gps）中的應(yīng)用。主要介紹擴頻通信中的偽碼仿真，簡要論述m序列和偽隨機噪聲碼（p碼和c/a碼）及其產(chǎn)生，并使用matlab7.0仿真m序列、p碼和c/a碼的編碼過程和仿真結(jié)果，介紹直擴頻技術(shù)偽碼的相關(guān)知識，重點介紹p碼。關(guān)鍵字：全球定位系統(tǒng)；直接擴頻通信；偽碼仿真abstractspread spectrum communication is a communications technology developed rapidly in recent years. in early studies the main purpose of this te

3、chnology is to improve the military communications confidential and anti-jamming performance, therefore the development and application of this technology is always in secret state. spread spectrum technology in the most successful military application examples are the united states and russia could

4、 the global positioning system (gps and glonass) for representative; in civil gps and glonass also have been widely used，which foundation of system is the spread spectrum technology.global positioning system (gps) is used to provide real-time navigation and positioning services for global civil and

5、military aircraft, ships, personnel, vehicles and so on. gps system adopts the typical cdma system, which kind of spread spectrummodulation signals have low intercept probability characteristic. this system mainly used the direct sequence spread spectrum modulation technology, using the prn code inc

6、luding c/a code, p codes and y codes.this article tells the direct sequence spread spectrum communication technology applied in global positioning system (gps) .the article mainly introduces the pn code spread spectrum communication simulation, briefly discussing m sequence and pseudo random noise c

7、ode (p yards and c/a yards) and its produce and use matlab7.0 simulate m series, p yards and c/a yards of encoding process and the simulation results, introducing pn code straight spread-spectrum technology knowledge, especially p yards.key: gps; ds-ss;pn code simulation目 錄引言41gps理論及其特性51.1gps系統(tǒng)概述51

8、.2gps信號構(gòu)成71.2.1m序列101.2.2c/a碼131.2.3p碼151.3小結(jié)202matlab軟件212.1matlab軟件簡介212.2matlab應(yīng)用概述222.2.1 matlab功能介紹222.2.2 matlab使用方法243 gps衛(wèi)星導(dǎo)航信號算法及其matlab仿真313.1 c/a碼仿真代碼及其仿真結(jié)果313.2 p碼的仿真代碼及其仿真結(jié)果323.3 結(jié)果分析及其相關(guān)性分析33結(jié)論34致謝35參考文獻36附錄a 英文原文37附錄b 中文翻譯38附錄c c/a碼源代碼38附錄d p碼源代碼52引言全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)，簡稱gps系統(tǒng)，可在全球范圍內(nèi)，全天候為用戶連續(xù)地提

9、供高精度的位置、速度和時間信息。文中目的就是搭建一個gps仿真平臺，使得各種信號生成的算法能在該仿真平臺上得以仿真實現(xiàn)，以驗證算法的性能，從而為信號模擬器的研制提供理論依據(jù)。因此對gps的衛(wèi)星信號的仿真必將推動中國自主研制的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展。目前，以gps為代表的衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用產(chǎn)業(yè)已成為當(dāng)今國際公認的八大無線產(chǎn)業(yè)之一。隨著技術(shù)的進步、應(yīng)用需求的增加，gps以全天候、高精度、自動化、高效率等顯著特點及其所獨具的定位導(dǎo)航、授時校頻、精密測量等多方面的強大功能，已涉足眾多的應(yīng)用領(lǐng)域，使gps成為繼蜂窩移動通信和互聯(lián)網(wǎng)之后的全球第三個 it經(jīng)濟新增長點。gps系統(tǒng)中p碼的捕獲通常是先捕獲到c /a碼，

10、然后利用c /a 碼調(diào)制的導(dǎo)航電文中的轉(zhuǎn)接字(how )所提供的p碼信息對p碼進行捕獲。然而，c /a 碼的碼長短、碼速率低，易受敵方干擾和欺騙, 在強干擾和欺騙的戰(zhàn)爭環(huán)境下，很難通過c /a 碼來捕獲到p碼。因此，直接捕獲p碼一直倍受美國軍方的關(guān)注。產(chǎn)生p碼并對其特性進行分析對進一步研究直接p碼的捕獲有著重要的意義。本設(shè)計所針對的是gps衛(wèi)星信號的偽碼仿真，主要是m序列的生成方法和p碼的編碼原理及其仿真。本課題研究思路是：研究gps信號的生成原理和直擴頻通信技術(shù)基礎(chǔ)，m序列和p碼算法原理。在理論研究的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)matlab軟件生成m序列和p碼，并對其做簡單的相關(guān)性分析。文章最后對仿真過程中

11、實現(xiàn)的功能及出現(xiàn)的為題做出總結(jié)，總結(jié)論文所做的工作和需要更仔細研究的方向。1 gps理論及其特性1.1 gps系統(tǒng)概述全球定位系統(tǒng)（gps）是美國政府于20世紀(jì)70年代開始研制，于1994年全面建成的高精度、高動態(tài)的星際導(dǎo)航定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)全天候地向全球范圍內(nèi)具有g(shù)ps接收機用戶提供精確、連續(xù)的三維位置、三維運動和時間需要。gps信號分為民用的標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù)（sps，standard positioning service）和軍規(guī)的標(biāo)準(zhǔn)精確定位服務(wù)（pps，precise positioning service）。gps目前處于良好的運行狀態(tài)，并滿足20世紀(jì)60年代所提出的最佳定位系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)。這個

12、系統(tǒng)向有適當(dāng)接收設(shè)備的全球范圍內(nèi)的用戶提供精確、連續(xù)的三維位置和速度信息。 gps也向全球廣播世界協(xié)調(diào)時（utc）。組成衛(wèi)星星座的24顆衛(wèi)星被安排在6個軌道平面上，即每個平面上4顆。這樣的衛(wèi)星星座配置確定了衛(wèi)星某一時刻在軌道中的位置，而為hi與地平線以上的衛(wèi)星數(shù)會隨著時間和地點的不同而不同，最少可見到顆，最多可見到11顆，因此保證了在開放的天空下，地球上和近地空間任一點在任何時刻均可以同時觀測到至少4顆gps衛(wèi)星，為準(zhǔn)確定位提供可能。gps系統(tǒng)采用cdma（code division multiple access，碼分多址）技術(shù)將在軌的24顆衛(wèi)星分開，每顆衛(wèi)星使用同樣的調(diào)制方式在相同的載波頻

13、率上調(diào)制各自唯一的偽隨機碼和數(shù)據(jù)信息，然后使用星載衛(wèi)星天線發(fā)射信號。衛(wèi)星軌道分布如圖1.1所示：圖1.1 衛(wèi)星軌道分布1.2 gps信號構(gòu)成gps衛(wèi)星向廣大用戶發(fā)送的用于導(dǎo)航定位的信號，是一種調(diào)制波，但有別于常用的無線電廣播電臺發(fā)送的調(diào)頻調(diào)幅信號，它是利用偽隨機噪聲碼傳送導(dǎo)航電文的調(diào)相信號。gps衛(wèi)星信號是目前常用的兩種違心導(dǎo)航定位信號之一，它包含有三種信號分量，即載波（l1和l2）、測距碼（c/a碼和p碼）和數(shù)據(jù)碼（d碼，亦稱基帶信號或?qū)Ш诫娢模６@所有這些信號分量都是在同一個基本頻率f0=10.23mhz的控制下產(chǎn)生的。gps衛(wèi)星信號示意圖如圖1.2所示：圖1.2gps衛(wèi)星信號頻率構(gòu)成

14、gps衛(wèi)星發(fā)送的gps衛(wèi)星信號采用l波段的兩種載頻作載波，分別被稱作l1的主頻率和l2的次頻率。這些載波頻率由擴頻碼（每一顆衛(wèi)星均有專門的偽隨機序列）和導(dǎo)航電文所調(diào)制。所有衛(wèi)星均在這兩個相同的載波頻率上發(fā)射，但由于偽隨機碼調(diào)制不同，因此無明顯的相互干擾。gps使用l頻段的兩種載頻為（其中f0是衛(wèi)星信號發(fā)生器的基準(zhǔn)頻率）： l1載波：fl1=154f0=1575.42 mhz，波長1=19.032 cm； l2載波：fl2=120f0 =1227.6mhz，波長2=24.42 cm。選擇l波段的好處是：(1）減少擁擠，避免“撞車”。目前l(fā)波段的頻率占用率低于其他波段，與其他工作頻率不易發(fā)生“撞車

15、”現(xiàn)象，有利于全球性的導(dǎo)航定位測量。(2）適應(yīng)擴頻，傳送寬帶信號。gps衛(wèi)星采用擴頻技術(shù)發(fā)送衛(wèi)星導(dǎo)航電文，其頻帶高達20 mhz左右，在占用率較低的l波段上，易于傳送擴頻后的寬帶信號。在載波l1上調(diào)制有c/a碼、p碼的數(shù)據(jù)碼，而在載波l2上，只有調(diào)制有p碼的數(shù)據(jù)碼。在無線通信技術(shù)中，為了有效地傳播信息，一般均將頻率較低的信號加載到頻率較高的載波上，而這時頻率較低的信號成為調(diào)制信號。gps信號是一種調(diào)制波，它不僅采用l波段的載波，而且采用擴頻技術(shù)傳送衛(wèi)星導(dǎo)航電文。所謂“擴頻”，是將原來打算發(fā)送的幾十比特速率的電文變換成發(fā)送幾兆甚至幾十兆比特速率的由電文和偽隨機噪聲碼組成的組合碼。采用擴頻技術(shù)時，

16、若信號功率僅為噪聲功率的1/10，那么信號將深深地淹沒在噪聲之中而不易被他人捕獲，從而使得信號具有極強的保密性。gps信號的調(diào)制波，是衛(wèi)星導(dǎo)航電文和偽隨機噪聲碼（pseudorandom noise code，簡稱prn碼，或稱偽噪聲碼）的組合碼。衛(wèi)星導(dǎo)航電文是一種不歸零二進制碼組成的編碼脈沖串，稱之為數(shù)據(jù)碼，記作d(t)，其碼率為50 b/s。對于距離地面20 000 km之遙的gps衛(wèi)星，擴頻技術(shù)能有效地將很低碼率的導(dǎo)航電文發(fā)送給用戶。其方法是用很低碼率的數(shù)據(jù)碼作二級調(diào)制（擴頻）。第一級，用50 hz的d碼調(diào)制一個偽噪聲碼，例如調(diào)制一個被叫做p碼的偽噪聲碼，它的碼率高達10.23 mhz。

17、d碼調(diào)制p碼的結(jié)果，便形成了一個組合碼p(t)d(t)，使得d碼信號的頻帶寬度從50 hz擴展到10.23 mhz，也就是說，gps衛(wèi)星從原來要發(fā)送50 b/s的d碼，轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)送10 230 b/s的組合碼p(t)d(t)。在d碼調(diào)制偽噪聲碼以后，再用它們的組合碼去調(diào)制l波段的載波，實現(xiàn)d碼的第二級調(diào)制，而形成向廣大用戶發(fā)送的已調(diào)波。如圖4-1所示，d碼的數(shù)據(jù)首先同偽噪聲碼c/a碼和p(y)碼模二相加后，形成組合碼c/a(t)d(t)和p(t)d(t)，然后才調(diào)制l1載波。需要注意的是，組合碼c/a(t)d(t)和p(t)d(t)是通過相移鍵控（bpsk）調(diào)制到l1載波上的。在l1載波上，c/

18、a(t)d(t)調(diào)制和p(t)d(t)調(diào)制在相位上是正交的。因此在這兩個合并的l1載波頻率上的c/a(t)d(t)調(diào)制和p(t)d(t)調(diào)制之間有90的相移。l2載波上的調(diào)制過程與l1載波大致相同，不同的是l2載波可以用c/a(t)d(t)碼、p(t)d(t)碼或者p(y)碼來調(diào)制。最后，衛(wèi)星向地面發(fā)射這兩種已調(diào)波l1和l2。圖1.3 gps衛(wèi)星信號的產(chǎn)生需要注意的是，gps信號雖然有幾種分量（c/a易捕獲碼、 p精確碼和d導(dǎo)航數(shù)據(jù)碼），但是它們均來源于一個公共的10.23mhz的基準(zhǔn)頻率（見圖1-1）。它們的頻率不僅與基準(zhǔn)頻率有一定的比例關(guān)系，而且相互之間也存在一定的比例關(guān)系，詳細如表4-1

19、所示。這既有利于gps衛(wèi)星發(fā)送信號，又便于廣大用戶接收和測量gps信號。從表4-1中可以看出，在d碼的一個碼元內(nèi)，將有20 460個c/a碼碼元，204 600個p碼碼元，31 508 400個l1周期和24 552 000個l2周期。表1.1 gps信號的頻率關(guān)系相關(guān)頻率基頻f載頻fl1載頻fl2基準(zhǔn)頻率f10.23mhz154f120fc/a碼的碼頻fgf/10fl1/1540fl2/1200p碼的碼頻fpffl1/154fl2/120d碼的碼頻fdf/204600fl2/31508400fl2/245520001.2.1 m序列碼是一種表達信息的二進制數(shù)及其組合，是一組二進制的數(shù)碼序列。

20、例如，對0，1，2，3取兩位二進制數(shù)的不同組合表示為：00，01，10，11。這些二進制數(shù)的組合形式稱之為碼。其中每一位二進制數(shù)稱為1個碼元或1比特（bit）；每個碼均含有兩個二進制數(shù)，即兩個碼元或兩個比特。比特是碼的度量單位，也是信息量的度量單位。如果將各種信息，例如聲音、圖像以及文字等，按某種預(yù)定的規(guī)則表示為二進制數(shù)的組合形式，則這一過程就稱為編碼，也就是信息的數(shù)字化。在二進制的數(shù)字化信息傳輸中，每秒所傳輸?shù)谋忍財?shù)稱為數(shù)碼率，用以表示數(shù)字化信息的傳輸速度，其單位為bit/s(簡寫為b/s)。碼可以看作是以0和1為幅度的時間函數(shù)，用u(t)表示。因此，一組碼序列u(t) ，對于某個時刻t而言

21、，碼元是0或1完全是隨機的，但其出現(xiàn)的概率均為1/2。這種碼元幅值是完全無規(guī)律的碼序列，稱為隨機噪聲碼序列。它是一種非周期序列，無法復(fù)制。但是，隨機噪聲序列卻有良好的自相關(guān)性，gps測距碼就是利用了其自身良好的自相關(guān)性才獲得成功的。這里，自相關(guān)性是指兩個結(jié)構(gòu)相同的碼序列的相關(guān)程度，它由自相關(guān)函數(shù)描述。為了說明這一問題，可將隨機噪聲碼序列u(t)平移k個碼元，獲得具有相同結(jié)構(gòu)的新的碼序列u(t)。比較這兩個碼序列，假定它們的對應(yīng)碼元中，碼值（0或1）相同的碼元個數(shù)為su，而碼元相異的碼元個數(shù)為du，那么兩者之差su-du與兩者之和su+du（即碼元總數(shù)）的比值，即定義為隨機噪聲碼序列的自相關(guān)函數(shù)

22、，用符號r(t)表示：(4-1) 在實際應(yīng)用中，可通過自相關(guān)函數(shù)r(t)的取值判斷兩個隨機噪聲碼序列的相關(guān)性。根據(jù)自相關(guān)函數(shù)r(t)的取值，即可確定兩個隨機噪聲碼序列是否已經(jīng)“相關(guān)”，或者說，兩個碼序列的對應(yīng)碼元是否已完全“對齊”。假設(shè)gps衛(wèi)星發(fā)射一個隨機序列u(t)，而gps信號接收機在收到信號的同時復(fù)制出結(jié)構(gòu)與u(t)完全相同的隨機序列u(t) ，由于信號傳播延遲的影響，被接收的隨機序列u(t)與u(t)之間產(chǎn)生了平移，即對應(yīng)碼元已錯開，因而r(t)0。若通過一個時間延遲器來調(diào)整，使它們的碼元相互完全對齊，即有r(t)=1，那么就可以從gps接收機的時間延遲器中，測出衛(wèi)星信號到達用戶接收

23、機的準(zhǔn)確傳播時間，再乘以光速便可確定衛(wèi)星至觀測站的距離。所以，隨機噪聲碼序列良好的自相關(guān)特性為gps測距奠定了基礎(chǔ)。m序列是線行反饋移位寄存器產(chǎn)生的周期最長的序列，是多級移位寄存器或其他延遲元件通過線性反饋產(chǎn)生的最長的碼序列。下面以一個四級反饋移位寄存器組成的m序列為例來說明，如圖1.4所示。在時鐘脈沖的驅(qū)動下，每個存儲單元的內(nèi)容，都按次序由上一級單元轉(zhuǎn)移到下一單元，而最后一個存儲單元的內(nèi)容便為輸出。同時，其中某兩個存儲單元，例如單元3和單元4的內(nèi)容進行模二相加后，再反饋輸入給第一個存儲單元。圖1.4 四級反饋移位寄存器示意圖所謂的模二相加，是二進制數(shù)的一種加法運算，常用符號表示，其運算規(guī)則如

24、下：當(dāng)移位寄存器開始工作時，置“1”脈沖使各級存儲單元處于全“1”狀態(tài)，此后在時鐘脈沖的驅(qū)動下，移位寄存器經(jīng)歷15種不同的狀態(tài)，然后再返回到“1”狀態(tài)，從而完成一個周期（見表1.2）。在四級反饋移位寄存器經(jīng)歷了上述15種狀態(tài)的同時，其最末級存儲單元輸出了一個具有15個碼元，且周期為15tu的二進制數(shù)碼序列，稱為m序列。tu表示時鐘脈沖的時間間隔，即碼元的寬度。表1.2 四級反饋移位寄存器狀態(tài)序列狀態(tài)編號各級狀態(tài)模二加反饋末級輸出的二進制數(shù)1111101211100131100014100011500010060010007010010810011190011001001101011110101

25、12101011130101101410111115011110由此可見，四級反饋移位寄存器所產(chǎn)生的m序列，其一個周期可能包含的最大碼元個數(shù)恰好等于24-1個。因此，一般來說，一個r級移位寄存器所產(chǎn)生的m序列，在一個周期內(nèi)其碼元的最大個數(shù)（1.2）與此相對應(yīng)，這時m序列的最大周期為：（1.3）式中，nu也稱為碼長。由于移位寄存器不容許出現(xiàn)全“0”狀態(tài)，因此2r-1碼元中，“1”的個數(shù)總比“0”的個數(shù)多一個。這樣，當(dāng)兩個周期相同的m序列其對應(yīng)碼元完全對齊時，自相關(guān)系數(shù)r(t)=1，而在其他情況則有（1.4）當(dāng)r足夠大時，就有r(t)0。所以，偽隨機噪聲碼與隨機噪聲碼一樣，具有良好的自相關(guān)性，而且

26、是一種結(jié)構(gòu)確定、可以復(fù)制的周期性序列。gps信號接收機就是利用這一特征使所接收的偽隨機噪聲碼和機內(nèi)產(chǎn)生的偽隨機噪聲碼達到對齊同步，進而捕獲和識別來自不同gps衛(wèi)星的偽隨機噪聲序列。由于受gps衛(wèi)星至用戶gps接收機的路徑信號傳播延遲的影響，被接收的偽隨機碼和復(fù)制的偽隨機碼之間產(chǎn)生了平移；如果通過一個時間延遲器來對復(fù)制的偽隨機碼進行移動，使兩者的相關(guān)函數(shù)值為1，則可以從時間延遲器中測出對齊碼元所用的時間，從而可以較準(zhǔn)確地確定由衛(wèi)星到接收機的距離。由此可知，偽隨機序列的良好的自相關(guān)特性，對于利用gps衛(wèi)星的測距碼進行精密測距是非常重要的。 m序列有下列特性:（1）均衡性：在一個周期中，“1”與“0

27、”的數(shù)目基本相等，“1”比“0”的數(shù)目多一個。它不允許存在全“0”狀態(tài)。（2）游程分布：在序列中，相同的碼元連在一起稱為一個游程。一般來說，長度為1的游程占總數(shù)的1/2，長度為2的游程占總數(shù)的1/4，依此類推。連“1”的游程和連“0”的游程各占一半。（3）移位相加特性：一個m序列mp與其經(jīng)過任意次延遲移位產(chǎn)生的另一個序列mr模二相加，得到的ms仍是m序列，即（1.5）（4）偽噪聲特性：如果對隨機噪聲取樣，并將每次取樣按次序排成序列，可以發(fā)現(xiàn)其功率譜為正態(tài)分布。由此形成的隨機碼具有噪聲碼的特性。m序列在出現(xiàn)概率、游程分布和自相關(guān)函數(shù)等特性上與隨機噪聲碼十分相似。正因為如此，我們將m序列稱為偽隨機

28、碼，或人工復(fù)制出來的噪聲碼。1.2.2 c/a碼c/a碼（coarse acquisition code）是gold碼，用于粗測距和捕獲gps衛(wèi)星信號。它是由兩個10級反饋移位寄存器組合產(chǎn)生的，其序列長度為1023（基數(shù)碼）。因為c/a碼的基碼速率是1.023mhz，因此偽隨機序列的重復(fù)周期是1023/1.023*106或1ms。圖1.5描述了gps c/a碼發(fā)生器的結(jié)構(gòu)方案。圖1.5 c/a碼發(fā)生器兩個移位寄存器于每星期日子夜零時，在置“1”脈沖作用下處于全“1”狀態(tài)，同時在頻率為f1=f0/10=1.023mhz時鐘脈沖驅(qū)動下，兩個移位寄存器分別產(chǎn)生碼長為n=210-1=1023、周期為1

29、ms的兩個m序列g(shù)1(t)和g2(t)。這時g2(t)序列的輸出不是在該移位寄存器的最后一個存儲單元，而是選擇其中兩個存儲單元進行二進制相加后輸出，由此得到一個與g2(t)平移等價的m序列g(shù)21（即與延時等價）。再將其與g1(t)進行模二相加，將可能產(chǎn)生1023種不同結(jié)構(gòu)的c/a碼。c/a碼不是簡單的m序列，而是由兩個具有相同碼長及數(shù)碼率，但結(jié)構(gòu)不同的m序列相乘所得到的組合碼，稱為戈爾德（gold）序列。（1.6）采用不同的it0值，可能產(chǎn)生1023個g2(t)，再加上g1(t)和g2(t)本身，共可能產(chǎn)生1025種結(jié)構(gòu)不同的c/a碼供選用。這些c/a碼具有相同的碼長n=210-1=1023b

30、it，相同的碼元寬tu=1/f1=0.98 s（相當(dāng)于293.1 m）和相同的周期tu=ntu=1 ms。從這些g(t)碼中選擇32個碼以prn1，prn2，prn32命名各種gps衛(wèi)星。由于c/a碼長很短，只有1023比特，易于捕獲。在gps定位中，為了捕獲c/a碼，以測定衛(wèi)星信號的傳播延時，通常需要對c/a碼逐個進行搜索。若以50個碼元每秒的速度搜索，對于只有1023個碼元的c/a碼，搜索時間只要20.5 s。通過c/a碼捕獲衛(wèi)星后，即可獲得導(dǎo)航電文，通過導(dǎo)航電文提供的信息，便可以很容易地捕獲gps的p碼。所以，c/a碼除了作為粗測碼外，還可作為gps衛(wèi)星信號p碼的捕獲碼。c/a碼的碼元寬

31、度較大。假設(shè)兩個序列的碼元對齊誤差為碼寬的1/101/100，則此時相應(yīng)的測距誤差為29.32.93 m。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，使得測距分辨力大大提高。一般最簡單的導(dǎo)航接收機的偽距測量分辨力可達0.1m。c/a碼的碼長、碼元寬度、周期和數(shù)碼率分別為：碼長nu=210-1=1023bit；碼元寬度tu0.977 52s，相應(yīng)的長度為293.1m；周期tu=nutu=1 ms；數(shù)碼率為1.023 mb/s。不同的gps衛(wèi)星所使用的c/a碼的上述四項指標(biāo)相同，但編碼規(guī)則不同，這樣既便于復(fù)制又便于區(qū)分。c/a碼具有以下特點：（1）由于c/a碼的碼長較短，易于捕獲，而通過捕獲c/a碼所得到的信息，又可

32、以方便地捕獲p碼，因此，通常稱c/a碼為捕獲碼。在gps導(dǎo)航和定位中，為了捕獲c/a碼以測定衛(wèi)星信號傳播的時間延遲，通常對c/a碼進行逐個搜索，而c/a碼總共只有1023個碼元，若以50碼元每秒的速度搜索，僅需20.5 s便可完成。（2）c/a碼的碼元寬度較大。若兩個序列的碼元相關(guān)誤差為碼元寬度的1/101/100, 則此時所對應(yīng)的測距誤差可達29.32.9 m。由于其精度較低，所以稱c/a碼為粗捕獲碼。1.2.3 p碼圖1.6給出了在gps中用于實現(xiàn)碼分多址技術(shù)的產(chǎn)生直接序列prn碼的高層方框圖。每個合成的prn碼由前面兩個另外的碼發(fā)生器導(dǎo)出。在每種情況下，第二個碼發(fā)生器的輸出在其與第一個的

33、輸出由異或電路合并之前要相對于第一個進行延時，延時的量是可變的。衛(wèi)星的prn碼與延時的量是相關(guān)聯(lián)的。在p碼的情況下，延時的基碼整數(shù)與prn碼相同。對于c/a碼來說，對每顆衛(wèi)星都有特別的延時。表1.3列出了這些延時。c/a碼延時可以由一種簡單而有效的技術(shù)來實現(xiàn)，這種技術(shù)不需要使用延時寄存器。圖1.6 gps碼發(fā)生器表1.3 c/a碼和p碼的碼相位分配和碼序列初始段p碼（precise code）是衛(wèi)星的精測碼，碼速率為10.23 mhz，它是由兩組各有兩個12級反饋移位寄存器結(jié)合產(chǎn)生的，其基本原理與c/a 碼相似，但其線路設(shè)計細節(jié)遠比c/a碼復(fù)雜，且嚴(yán)格保密。這四個移位寄存器稱為x1a，x1b，

34、x2a，x2b。圖1.7示出了這種移位寄存器方案的詳細方框圖。圖中未包括用于設(shè)定或讀出移位寄存器和計數(shù)器相位狀態(tài)所必須的控制。圖1.7 p碼發(fā)生器12級反饋移位寄存器產(chǎn)生的m序列的碼元總數(shù)為212-1=4095，采用截短法將兩個12級m序列截短為一周期中碼元數(shù)互為素數(shù)的截短碼。所有4個反饋移位寄存器的自然周期都是按如下方式截短的：x1a和x2a在4092個基碼之后復(fù)位，去掉了它們自然的4095個基碼序列的最后3個基碼，寄存器x1b和x2b再4093個基碼后復(fù)位，去掉了它們自然的4095個基碼的最后2個基碼，.這就導(dǎo)致x1b序列的相位相對于x1a學(xué)列在每一個x1a寄存器循環(huán)都滯后一個基碼。結(jié)果在

35、x1a和x1b之間有相對相位移動。在x2a和x2b之間也發(fā)生類似的相位移動。在gps星期的起始點所有移位寄存器均置于初始狀態(tài)。在每個x1a時元的末尾，x1a移位寄存器也復(fù)位到其初始狀態(tài)。在每個x1b時元的末尾，x1b移位寄存器復(fù)位到其初始狀態(tài)。在每個x2a時元的末尾，x2a移位寄存器復(fù)位到其初始狀態(tài)。在每個x2b時元的末尾，x2b移位寄存器復(fù)位到其初始狀態(tài)。a和b移位寄存器的輸出（第12級）用異或電路合并起來，由x1ax1b導(dǎo)出x1序列，由x2ax2b導(dǎo)出x2序列。x2序列被延遲i個基碼（相應(yīng)與svi）以形成x2i。svi的p碼是pi=x1x2i。在x1a 產(chǎn)生了4092 個碼片的時候, x1

36、a 完成了一個周期, 并產(chǎn)生了一個脈沖setx1aepoch 使x1a 復(fù)位, x1b 則需要產(chǎn)生4093 個碼片時才產(chǎn)生脈沖setx1bepoch. 當(dāng)x1b輸出了3749 個周期的時候, 它停止移位, 等待x1a 輸出了3750個周期后對它發(fā)送重新啟動的信號. 在x1a 完成了3750個周期后, 它又產(chǎn)生了一個叫做x1epoch 的脈沖. 所以, 在每一個x1epoch 周期中, x1b 要停止并等待x1a 4092- 3749= 343個碼片的時間. x2a 和x2b 的工作過程與x1a 和x1b 的工作過程類似. 同時x2a每經(jīng)歷3750個周期后都要比x1a 滯后37個時鐘周期. x1

37、b, x2a, x2b這3個線性反饋移位寄存器都要參照x1a。表1.4 gps碼發(fā)生器多項式和初始狀態(tài)在將x1a和x1b通過模二相加或波形相乘，得到周期為40924093的長周期碼。再對乘積碼截短，截出周期為1.5s、碼元數(shù)n1=15.345106的x1。同樣的方法，在另外一組中，兩個12級移位寄存器產(chǎn)生x2，只是x2碼比x1碼周期略長一些。總之，兩個子碼n1和n2均是由兩個12級移位寄存器產(chǎn)生的截短碼。其碼速率均為10.23 mb/s，n2的碼長比n1的多37個碼元。兩個子碼的碼長分別為：（4.7）（4.8）因此p碼的碼元數(shù)為：（4.9）相應(yīng)的周期為：（4.10）在乘積pn1(t)pn2(t

38、+ni)，ni可取0，1，2，36。這樣可得到37種p碼。在實際應(yīng)用中，p碼采用7天的周期，即在pn1(t)pn2(t+ni)中截取一段周期為7天的p碼，并規(guī)定每星期六午夜零點使p碼置“1”狀態(tài)作為起始點。在這37個p碼中，32個供gps衛(wèi)星使用，5個供地面站使用。這樣，每顆衛(wèi)星所使用的p碼便具有不同的結(jié)構(gòu)，但碼長和周期相同。 p碼的特征是：碼長nu=2.351014bit；碼元寬度tu0.097 752s，相應(yīng)長度為29.3m；周期tu=nutu267天；數(shù)碼率為10.23 mb/s。因為p碼的碼長約為6.191012bit，所以如果仍采用搜索c/a碼的辦法來捕獲p碼，即逐個碼元依次進行搜索

39、，當(dāng)搜索的速度仍為50碼元每秒時，那將是無法實現(xiàn)的（約需14105天）。因此，一般都是先捕獲c/a碼，然后根據(jù)導(dǎo)航電文中給出的有關(guān)信息，便可捕獲p碼。另外，由于p碼的碼元寬度為c/a碼的1/10，這時若取碼元的相關(guān)精度仍為碼元寬度的1/101/100，則由此引起的距離誤差約為2.930.29 m，僅為c/a碼的1/10。所以p碼可用于較精密的導(dǎo)航和定位，稱為精碼。目前美國政府對p碼保密，不提供民用，因此一般gps用戶實際只能接收到c/a碼。1.3 小結(jié)全球定位導(dǎo)航系統(tǒng)隨著技術(shù)的發(fā)展和用戶對系統(tǒng)功能的需求改變，也在不斷進行現(xiàn)代化改進，本章主要介紹gps的總體結(jié)構(gòu)，整體分析gps信號的組成和調(diào)制所

40、用頻率，繼而全面分析了m序列、c/a碼、p碼的結(jié)構(gòu)，詳細解釋了信號發(fā)生器的工作流程，為仿真的實現(xiàn)奠定基礎(chǔ)。2 matlab軟件2.1 matlab軟件簡介matlab原意為“矩陣實驗室matrixlaboratory”，它是目前控制界國際上最流行的軟件，它除了傳統(tǒng)的交互式編程之外，還提供了豐富可靠的矩陣運算、圖形繪制、數(shù)據(jù)和圖象處理、windows編程等便利工具。matlab還配備了大量工具箱，特別是還提供了仿真工具軟件simulink。matlab在80年代一出現(xiàn)，首先是在控制界得到研究人員的矚目。隨著matlab軟件的不斷完善，特別是仿真工具simulink的出現(xiàn)，使matlab的應(yīng)用范圍

41、越來越廣。隨著matlab庫函數(shù)和仿真工具箱的不斷擴充，使其在系統(tǒng)仿真與分析、信號處理、圖像處理等方面的應(yīng)用越來越廣泛。matlab具有 3 大特點：（1）功能強大，包括數(shù)值計算和符號計算，計算結(jié)果和編程可視化，數(shù)學(xué)和文字統(tǒng)一處理，離線和在線皆可計算；（2）界面友好，語言自然。matlab以復(fù)數(shù)矩陣為計算單元，指令表達與標(biāo)準(zhǔn)教科書的數(shù)學(xué)表達式相近；（3）開放性強。matlab有很好的可擴充性，可以把它當(dāng)作一種更高級的語言去使用，可容易地編寫各種通用或?qū)Ｓ脩?yīng)用程序。正是由于matlab的這些特點，使它獲得了對應(yīng)用學(xué)科（特別是邊緣學(xué)科和交叉學(xué)科）的極強適應(yīng)力，并很快成為應(yīng)用學(xué)科計算機輔助分析設(shè)計、

42、仿真、教學(xué)乃至科技文字處理不可缺少的基礎(chǔ)軟件，成為歐美高等院校、科研機構(gòu)教學(xué)與科研必備的基本工具。在matlab中，simulink 是一個比較特別的工具箱，它具有兩個顯著的功能：simu（仿真）與 link（鏈接），是實現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真的一個集成環(huán)境。具有模塊化、可重載、可封裝、面向結(jié)構(gòu)圖編程及可視化等特點，可大大提高系統(tǒng)仿真的效率和可靠性；同時進一步擴展了matlab的功能，可實現(xiàn)多工作環(huán)境間文件互用和數(shù)據(jù)交換。simulink 提供了友好的圖形用戶界面（gui），模型由模塊組成的框圖來表示，用戶建模通過簡單的單擊和拖動鼠標(biāo)的動作就能完成。simulink 的模塊庫為用戶提供了多種多樣

43、的功能模塊，其中有連續(xù)系統(tǒng)（continuous）、離散系統(tǒng)（discrete）、非線性系統(tǒng)（nonlinear）等幾類基本系統(tǒng)構(gòu)成的模塊，以及連接、運算模塊。而輸入源模塊（sources）和接收模塊（sinks）則為模型仿真提供了信號源和結(jié)果輸出設(shè)備。本文就是利用編制matlab 7.0仿真m文件進行ds擴頻通信系統(tǒng)的性能仿真及其分析。2.2 matlab應(yīng)用概述2.2.1 matlab功能介紹matlab包含兩個部分：核心部分和各種可選的工具箱。核心部分中有數(shù)百個核心內(nèi)部函數(shù)。其工具箱又可分為兩類：功能性工具箱和學(xué)科性工具箱。功能性工具箱主要用來擴充其符號計算功能、圖示建模仿真功能、文字處

44、理功能以及與硬件實時交互功能。功能性工具箱能用于多種學(xué)科。而學(xué)科性工具箱是專業(yè)性比較強的，如control、toolbox、signal processing toolbox、communication toolbox等。這些工具箱都是由該領(lǐng)域內(nèi)的學(xué)術(shù)水平很高的專家編寫的，所以用戶無需編寫自己學(xué)科范圍內(nèi)的基礎(chǔ)程序，而直接進行高、精、尖的研究。下表列出了matlab的核心部分及其工具箱等產(chǎn)品系列的主要應(yīng)用領(lǐng)域。表2.1matlab的工具箱及主要應(yīng)用領(lǐng)域工具箱名稱應(yīng)用領(lǐng)域系統(tǒng)控制數(shù)據(jù)分析信號處理通信系統(tǒng)金融系統(tǒng)工程數(shù)學(xué)土木工程圖形可視化matlab核心notebookmatlab complier

45、matlab c math librarysimulinksymbolic mathsimulink acceleratorchemometricscommunicationcontrol systemfinancesystem identificationfuzzy logicalhigh-order spectral analysis續(xù)表工具箱名稱應(yīng)用領(lǐng)域系統(tǒng)控制數(shù)據(jù)分析信號處理通信系統(tǒng)金融系統(tǒng)工程數(shù)學(xué)土木工程圖形可視化image processingmodel predictive controlnga foundationneural networkmmle3 identificati

46、onlmi controlmodel predictive controlqft control designrobust controlsplinestatisticsdsp blocksetfixed-point blocksetnonlinear control design blocksetreal-time workshoprtw ada extentionwaveletpartial differential equationoptimizationstateflowsignal processingmu analysis and synthesisfrequency domain

47、 identificaionmap tools下面給出在使用matlab過程中高效創(chuàng)建程序和函數(shù)的一些建議。(1) 盡可能使用幫助文件。它將減少語法錯誤，以及由于不正確或者不恰當(dāng)?shù)匾胢atlab函數(shù)而產(chǎn)生的錯誤。(2) 在文本編輯器中編寫程序和函數(shù)并保存為“.m”文件。這將節(jié)省時間，減少代碼。當(dāng)使用matlab編輯器時，將極大地簡化調(diào)試過程。(3) 盡量減少由程序或函數(shù)組成的表達式的數(shù)目。在易讀性和簡潔性之間采用折中的辦法，并充分考慮到函數(shù)和調(diào)用過程的執(zhí)行速度以及直接性。(4) 程序和函數(shù)應(yīng)盡可能使用圖形化開發(fā)手段。這種方法可以檢測出隱含的代碼錯誤，從而縮短代碼的開發(fā)過程，并可使被分析和模型

48、化的物理過程變得容易理解。(5) 采用另一種手段驗證程序或者函數(shù)輸出結(jié)果的正確性。 (這是最為重要的一條)。2.2.2 matlab使用方法matlab的功能包括：數(shù)值分析，數(shù)值和符號計算，工程和科學(xué)繪圖，通訊和控制系統(tǒng)的設(shè)計與仿真，數(shù)字圖像與信號處理，財務(wù)與金融工程等。本課程簡單介紹matlab的最基本內(nèi)容及使用方法，下面介紹所用版本是matlab7.0版，對一些基本的命令的使用格式作了簡單的說明，并配備了例題加以說明其用法，并安排了兩個數(shù)學(xué)實驗供初學(xué)者實習(xí)。matlab啟動后，呈現(xiàn)在我們面前的有這樣幾個基本的窗口：命令窗口、命令歷史窗口、工作空間等，如圖2.1所示。窗口的風(fēng)格和布局，會因w

49、indows環(huán)境不同而不同。圖2.1 matlab運行界面用戶可以通過下列途徑獲取matlab軟件自帶的幫助信息： 單欄的“help”按鈕； 工具欄的按鈕； 命令窗口中的matlab help鏈接； 命令窗口中的demos鏈接。用戶可以嘗試點擊matlab界面上的各個按鈕，看看它們的功能。如果不小心關(guān)閉了當(dāng)前路徑窗口、命令歷史記錄窗口或命令窗口，可以通過菜單欄的“desktop”菜單中“desktop layout default”恢復(fù)，如下圖所示：圖2.2 matlab恢復(fù)默認圖示使用matlab，可以用來對變量進行算術(shù)運算、三角運算、冪運算等。如果沒有給出變量名，運算的結(jié)果就會賦給通用的變

50、量名ans。例如，要計算/3的正弦值，可以執(zhí)行命令sin(pi/3)。除了上述基本運算之外，matlab還提供了大量的函數(shù)來完成復(fù)雜的計算，同時matlab也支持用戶自定義函數(shù)。如果在命令窗口中反復(fù)輸入多個表達式，用戶會感到很麻煩。為避免這個問題，matlab定義了這樣一種文件，它包含一組命令，文件中每一個命令的執(zhí)行都和在命令窗口中執(zhí)行一樣，該文件可以由matlab提供的編輯器、操作系統(tǒng)的文本編輯器創(chuàng)建及編輯、保存。這就是m文件，后綴名為“.m”。如果要執(zhí)行m文件，則按下f5鍵或者選擇debug菜單下的run命令即可。如果我們想調(diào)用某函數(shù)或者某m文件，可以直接在matlab命令窗口中輸入其文件

51、名而不必帶.m擴展名。但是，matlab必須首先知道文件保存的路徑。路徑信息的輸入可以通過file菜單下的set path子菜單實現(xiàn)。單擊set path子菜單，將打開path browser窗口，可以在該窗口中添加一個或者多個路徑。退出path browser窗口前要點擊save命令按鈕，該操作將保存添加的路徑以備下次使用。如果不定義變量，那么運算結(jié)果就會自動地賦給通用變量ans。例如，計算2*5.3，命令窗口會顯示結(jié)果：ans= 10.6000 matlab規(guī)定，用戶創(chuàng)建的變量名不可超過31個字符，多余部分將會被忽略掉。變量名要以大寫或小寫字母開頭，后面可以跟大小寫字母、下劃線或者數(shù)字。字符間不允許有空格，且變量名區(qū)分大小寫。例如，要創(chuàng)建變量a并給它賦初值5.3，可以在命令窗口中輸入“a=5.3”。為了提高變量名和函數(shù)名的可讀性，matlab中有兩個一般的約定：使用下劃線和首字母大寫。比如，exit pressure是要計算的數(shù)值，那么在matlab命令行中它可以被定義為exit-pressure或者exitpressure。matlab的幫助信息也是相當(dāng)豐富的，用戶可以直接點擊help菜單里的matlab help項或者黃色的問號按鈕，來打開matlab的幫助瀏覽器。用戶也可以直接查閱分類信息或者在search欄里查