卫星扩频信号捕获与跟踪方案分析
GPS信号捕获与跟踪策略确定及实现
收稿日期: 1997211226第一作者 女 29岁 博士生 100083 北京 1)国家重点科技攻关(9621302205202)资助项目 GPS 信号捕获与跟踪策略确定及实现 1) 孙 礼 王银锋 何 川 张其善 (北京航空航天大学电子工程系) 摘 要 为了检测GPS(Global Positioning System)信号,设计了码环及载波环捕获与跟踪数字系统.序贯搜索与窄间隔超前2滞后型数字延迟锁相环的采用,保证了码相位的可靠捕获与精确跟踪,四相鉴频器、叉积自动频率跟踪算法及科思塔环载波相位跟踪算法的结合,既保证了载波频率(多普勒频移)的捕获速度,又使环路能有效地跟踪频率/相位变化,获得较好的动态性能与噪声性能.控制算法及参数确定的软化实现使系统具有较好的灵活性.基于扩频相关器与数字信号处理器的数字系统验证了上述方案的正确性及有效性. 关键词 接收机;捕获;跟踪;全球定位系统分类号 TN 12;TN 915 GPS 信号捕获与跟踪控制策略的确定与实现是GPS 接收机研制的核心.由于GPS 导航数据经过了直接序列扩频调制及载波调制,信号发射功率小,故必须首先对信号进行码相关解扩.由于接收机载体的动态性,多普勒频移不定,因此码捕获须在整个码相位及频域上以固定间隔进行二维搜索.信号解扩发生后,即采用/虚拟暂态0窄间隔超前2滞后型数字延迟锁相环对码相位进行精确跟踪.载波频率(多普勒频移)的粗略估计包含在GPS 码同步过程中,四相鉴频器进一步将多普勒频移牵引到载波跟踪的线性范围.载波跟踪主要采用科斯塔环相位跟踪与叉积自动频率相结合 的跟踪算法,二者随载体动态以软件方式进行切换,以保证载波跟踪环的噪声性能与动态性能.最后利用科斯塔环软件算法解调出导航电文. 1 GPS 信号捕获与跟踪数字系统 接收机中信号捕获与跟踪数字系统软硬件接口如图1所示.硬件主要包括解扩相关器,完成本地载波和C/A 码的产生与混频、信号处理等功能;软件由码环算法、载波环算法及数据解调算法等组成,完成捕获与跟踪闭合控制及数据解调等功能. 基于TM C/图1GPS 接收机中信号捕获与跟踪数字系统软硬件接口 载波辅助 S 320C31 的软件算法 解调数据 载波环算法 码环算法 GPS 扩频相关器 正交 同相 输入信号 A 码发生器 积分清除器 积分清除器 码数控振荡器 载波数控振荡器 积分清除器 积分清除器 1999年4月第25卷第2期北京航空航天大学学报 Jour nal of Beijing University of Aeronaut ics and Astronaut ics April 1999Vol.25 No 12
扩频编码M序列和gold序列
M序列 由n级移位寄存器所能产生的周期最长的序列。这种序列必须由非线性移位寄存器产生,并且周期为2n（n 为移位寄存器的级数）。例如，考察图中a的非线性反馈移位寄存器,其状态转移关系如表：
状态(a k-3，a k-2，a k-1)的接续状态是(a k-2,a k-1，a k)，其中a k＝a k-3嘰a k-1嘰1嘰a k-2a k-1是一种非线性逻辑。从任一状态出发，例如从(000)出发,其接续状态恰好构成一个完全循环(图b)，由此产生一个周期为23＝8的3级序列。M序列最早是用抽象的数学方法构造的。它出现于组合数学的一些数学游戏中，例如L.欧拉关于哥尼斯堡的七桥问题等。后来发现这种序列具有某些良好的伪随机特性。例如,M序列在一个周期中，0与1的个数各占一半。同时,同样长度的0游程与1游程也各占一半。所有这些性质在数据通信、自动控制、光学技术和密码学诸领域中均有重要应用。 隐蔽通信内容的通信方式。为了使非法的截收者不能理解通信内容的含义，信息在传输前必须先进行各种形式的变化，成为加密信息，在收信端进行相应的逆变化以恢复原信息。电报通信、电话通信、图像通信和数据通信,都有相应的保密技术问题。另一方面,为了从保密通信中获得军事、政治、经济、技术等机密信息，破译技术也在发展。保密技术和破译技术是在相互对立中发展起来的。 1881年世界上出现了第一个电话保密专利。电话保密开始是采用模拟保密或置乱的方法，即把话音的频谱或时间分段打乱。置乱后的信号仍保持连续变化的性质。在第二次世界大战期间，频域和时域的置乱器在技术上已基本成熟。70年代以来，由于采用集成电路，电话保密通信得到进一步完善。但置乱器仍是有线载波和短波单边带电话保密通信的主要手段。模拟保密还可以采用加噪声掩盖、人工混响或逆向混响等方法，但因恢复后话音的质量大幅度下降或保密效果差，这些方法没有得到推广应用。数字保密是由文字密码发展起来的。数字信号（包括由模拟信号转换成的数字信号），由相同速率的密码序列加密，成为数字保密信号；保密信号传输到收信端后由同一密码序列去密，恢复原数字信号。随着集成电路的发展，数字保密通信已成为保密通信的主要发展方向。话音、图像等模拟信号都可以用数字保密方式。一般来说，数字破译要比模拟破译困难得多。数字保密的主要限制是传输数字信号所需带宽要比传输模拟信号的带宽大好多倍。 模拟保密通信话音信号置乱后的带宽基本保持不变，这是模拟保密通信的一个特点。但是，置乱后恢复的话音质量有所下降。置乱的过程越复杂，则话音质量下降的程度越大。 倒频用倒频器（图1）把话音频谱颠倒过来，使高频变为低频,低频变为高频,这是最简单的一种频域置乱方法。频域置乱器的基本电路是平衡调制器和带通滤波器。平衡调制器可以搬移和倒置频谱，而滤波器可以滤取所需要的频谱成分。输入的话音信号经过平衡调制器后输出上、下两个边带。适当地选择
北斗卫星导航信号串行捕获算法MATLAB仿真报告材料(附MATLAB程序)
北斗卫星导航信号串行捕获算法MATLAB仿真报告 一、原理 卫星导航信号的串行捕获算法如图1所示。 图1 卫星导航信号的串行捕获算法 接收机始终在本地不停地产生对应某特定卫星的本地伪码，并且接收机知道产生的伪码的相位，这个伪码按一定速率抽样后与接收的GPS中频信号相乘，然后再与同样知晓频率的本地产生的载波相乘。GPS中频信号由接收机的射频前端将接收到的高频信号下边频得到。实际产生对应相位相互正交的两个本地载波，分别称为同相载波和正交载波，信号与本地载波相乘后的信号分别成为，产生同相I支路信号和正交的Q 支路信号。 两支路信号分别经过一个码周期时间的积分后，平方相加。分成两路是因为C/A码调制和P码支路正交的支路上，假设是I支路。当然由于信号传输过程中引入了相位差，解调时的I支路不一定是调制时的I支路，Q支路也一样，二者不一定一一对应，因此为了确定是否检测到接收信号，需要同时对两支路信号进行研究。相关后的积分是为了获取所有相关数据长度的值的相加结果，平方则是为了获得信号的功率。最后将两个支路的功率相加，只有当本地伪码和本地载波的频率相位都与中频信号相同时，最后得到的功率才很大，否则结果近似为零。
根据这个结论考虑到噪声的干扰，在实际设计时应该设定一个判定门限，当两路信号功率和大于设定的门限时则判定为捕获成功，转入跟踪过程，否则继续扫描其它的频率或相位。 二、MATLAB仿真过程及结果 仿真条件设置：抽样频率16MHz，中频5MHz，采样时间1ms， 频率搜索步进1khz，相位搜索步进1chip，信号功率-200dBW，载 噪比55dB （1）中频信号产生 卫星导航信号采用数字nco的方式产生，如图2所示。 载波nco控制字为：carrier_nco_word=round(f_carrier*2^N/fs); 伪码nco控制字为：code_nco_word=round(f_code*2^N/fs); 图 2 其中载波rom存储的是正弦信号的2^12个采样点，伪码rom存储长度为2046的卫星伪码。这样伪码采用2psk的方式调制到射频，加性噪声很小是理想接收中频信号如图3所示。
基于m序列的直接序列扩频
扩频通信实验 实验名称：基于m序列的直接序列扩频 专业班级：通信111501班 学生姓名：穆琦沈傲立孙琳王瑞学熊晓倩
学号：201115040111 13 16 20 27 指导教师：郑秀萍 时间：2014.10.29 1 需求分析 在通信发射端将载波信号展宽到较宽的频段上;在接收端,用同样的扩频码序列进行解扩和解调,把展宽的信号还原成原始信息.通过扩展频谱的相关处理,大大降低了频谱的平均能量密度,可在负信噪比条件下工作,获得了高处理增益,从而降低了被截获和检测的概率,避免了干扰影响.通过仿真模型结果分析抗噪声性能结果。 2 概要设计 扩频通信系统分为直接序列扩频系统、跳频扩频系统、跳时扩频系统和混合式扩频系统。直接序列扩频系统，又称“平均”系统或伪噪声系统，就是采用高码率的扩频码序列PN 码(伪随机码),在发送端与编码数据信号进行模2 加,产生一扩频序列,这一码序列由于码元很窄,占用了很宽的频带,达到扩频的目的,然后用扩频序列去调制载波并予以传输。在接收端接收到的扩频信号经高频放大混频之后,用与发端相同且同步的伪随机码对扩频信号进行相关解扩,由于收发端伪随机码的相关系数为1,故可以完全恢复所传的信息,而干扰和噪声由于与接收机伪
随机码不相关,在相关解调时大大降低进入信号通频带内的干扰。它是目前应用较广泛的一种扩展频谱系统。在国外已获得成功的空间探测器“喷气推进实验室（JPL）测距技术”就是一种直接序列调制，TATS-1 军用卫星中的扩展频谱多址(SSMA)系统等都使用DSSS。 直接序列扩频系统的接收一般采用相关接收，并分成两步，即解扩和解调。在接收端，接收信号经过数控振荡器放大混频后，用与发射端相同且同步的由M 序列发生器产生的伪随机码对中频信号进行相关解扩，把扩频信号恢复成窄带信号，然后再由基带滤波器进行解调，最后恢复出原始信息序列。扩频与解扩过程中,利用PN序列生成器模块( PN Sequence Generator ) ,产生6级、传输速率500b/s的PN伪随机序列来达到扩频和多址接入效果,这里扩频增益为50倍.扩频的运算是信息流与PN码相乘或模二加的过程.解扩的过程与扩频过程完全相同,即将接收的信号用PN码进行第二次扩频处理.要求使用的PN码与发送端扩频用PN码不仅码字相同,而且相位相同.否则会使有用信号自身相互抵消.解扩处理将信号压缩到信号频带内,由宽带信号恢复为窄带信号.同时将干扰信号扩展,降低干扰信号的谱密度,使之进入到信息频带内的功率下降,从而使系统获得处理增益,提高系统的抗干扰能力.调制与解调使用二相相移键控PSK方式. 为了方便分析, 我们可对系统作如下假设: 系统各用户同步;系统各用户功率相同;仅考虑系统MAI和白噪声干扰引起的误码, 忽略信号传输、调制解调过程中的误码。 3 开发工具和编程语言 开发工具：
北斗卫星导航信号串行捕获算法MATLAB仿真报告(附MATLAB程序)
北斗卫星导航信号串行捕获算法MATLAB仿真报告(附MATLAB 程序)
北斗卫星导航信号串行捕获算法MATLAB仿真报告 一、原理 卫星导航信号的串行捕获算法如图1所示。 × × ∑∫( )2 本地PRN发生器 ∫( )2 本地载波发 生器 GPS中频信号 × 判决检 波 器 ≥VT？ Yes 转跟 踪 NO 继续搜索 图1 卫星导航信号的串行捕获算法 接收机始终在本地不停地产生对应某特定卫星的本地伪码，并且接收机知道产生的伪码的相位，这个伪码按一定速率抽样后与接收的GPS中频信号相乘，然后再与同样知晓频率的本地产生的载波相乘。GPS中频信号由接收机的射频前端将接收到的高频信号下边频得到。实际产生对应相位相互正交的两个本地载波，分别称为同相载波和正交载波，信号与本地载波相乘后的信号分别成为，产生同相I支路信号和正交的Q 支路信号。 两支路信号分别经过一个码周期时间的积分后，平方相加。分成两路是因为C/A码调制和P码支路正交的支路上，假设是I支路。当然由于信号传输过程中引入了相位差，解调时的I支路不一定是调制时的I支路，Q支路也一样，二者不一定一一对应，因此为了确定是否检测到接收信号，需要同时对两支路信号进行研究。相关后的积分是为了获取所有相关数据长度的值的相加结果，平方则是为了获得信号的功率。最后将两个支路的功率相加，只有当本地伪码和本地载波的频率相位都与中频信号相同时，最后得到的功率才很大，否则结果近似为零。根据这个结论考虑到噪声的干扰，在实际设计时应该设定一个判定门限，当两路信号功率和大于设定的门限时则判定为捕获成功，转入跟踪过程，
否则继续扫描其它的频率或相位。 二、 MATLAB 仿真过程及结果 仿真条件设置：抽样频率16MHz ，中频5MHz ，采样时间1ms ，频率搜索步进1khz ，相位搜索步进1chip ，信号功率-200dBW ，载噪比55dB （1） 中频信号产生 卫星导航信号采用数字nco 的方式产生，如图2所示。 载波nco 控制字为：carrier_nco_word=round(f_carrier*2^N/fs); 伪码nco 控制字为：code_nco_word=round(f_code*2^N/fs); 32位Adder 12位载波rom 模2046计数器 伪码rom 32位Adder Divide by 2^20 溢出时输出 脉冲 carrier_nco_word code_nco_word fsample × × ＋ 幅度 加性噪声 图 2 其中载波rom 存储的是正弦信号的2^12个采样点，伪码rom 存储长度为2046的卫星伪码。这样伪码采用2psk 的方式调制到射频，加性噪声很小是理想接收中频信号如图3所示。
m序列产生及其特性
一、实验目的 通过本实验掌握m 序列的特性、产生方法及应用。 二、实验内容 1、观察m 序列，识别其特征。 2、观察m 序列的自相关特性。 三、基本原理 m 序列是有n 级线性移位寄存器产生的周期为21n -的码序列，是最长线性移位寄存器序列的简称。码分多址系统主要采用两种长度的m 序列：一种是周期为1521-的m 序列，又称短PN 序列；另一种是周期为 4221-的m 序列，又称为长PN 码序列。m 序列主要有两个功能：①扩展调制信号的带宽到更大的传输带宽， 即所谓的扩展频谱；②区分通过多址接入方式使用同一传输频带的不同用户的信号。 3、m 序列的互相关函数 两个码序列的互相关函数是两个不同码序列一致程度（相似性）的度量，它也是位移量的函数。当使 用码序列来区分地址时，必须选择码序列互相关函数值很小的码，以避免用户之间互相干扰。 研究表明，两个长度周期相同，由不同反馈系数产生的m 序列，其互相关函数（或互相关系数）与自 相关函数相比，没有尖锐的二值特性，是多值的。作为地址码而言，希望选择的互相关函数越小越好，这 样便于区分不同用户，或者说，抗干扰能力强。 在二进制情况下，假设码序列周期为P 的两个m 序列，其互相关函数R xy (τ)为 ()xy R A D τ=- （9-9） 式中，A 为两序列对应位相同的个数，即两序列模2加后“0”的个数；D 为两序列对应位不同的个数， 即两序列模2加后“1”的个数。 为了理解上述指出的互相关函数问题，在此以5n =时由不同的反馈系数产生的两个m 序列为例计算它 们的互相关系数，以进一步讲述m 序列的互相关特性。将反馈系数为8(45)和8(75)时产生的两个5级m 序 列分别记做：1m ：1000010010110011111000110111010和2m ：111110111000101011010000110100，序列1m 和 2m 的互相关函数如表9-3所示。 表9-3序列1m 和2m 的互相关函数表
GPS信号捕获原理
二、GPS 信号的捕获 2.1 GPS 信号模型 GPS 的射频信号L1频段是1575.42MHz, 对其进行下变频到中频后，以s f 为采样率得到的采样信号可以表示如下： ()()()()(){} ()2,0,01,,,,cos 2sat N k sat sat k sat dsat sat k sat dsat nk sat IF dsat k sat k k sat r t A d t f C t f f f t t n t ττθθππα== +++++∑ 其粗略的中频信号模型可以如下表示： ()()()[] t T t C T t D P S dopp IF d d r ??+--=cos 2 2.2 GPS 信号的捕获 2.2.1信号捕获原理 信号捕获的目的是使本地产生的复制C/A 码与接收到的调制在载波上的C/A 码同步，以实现相关解扩与码相位精确跟踪。GPS 天线所接收到的 GPS 信号淹没在热噪声中，不易于捕获和跟踪。GPS 信号的捕获利用 C/A 码的强自相关特性，在对应不同码相位偏移、不同多普勒偏移的相关值中找出相关峰值，从而确定卫星信号的存在及其码相位偏移和载波频率(包括载波多普勒频移)的信息。当接收机产生的码相位和载波频率必须与接收到的码相位和载波频率相匹配，使得相关值高于信号检测阈值，完成伪码捕获和载波频率捕获，进而对信号进行跟踪。 根据导航卫星信号的特点，其信号的捕获常采用二维的搜索方
式。在二维搜索法中，信号的捕获基于时域(伪码相位)和频域(多普勒频移)的二维空间进行（见图1）。 图1 GPS信号捕获中的二维搜索 2.2.2信号搜索方法 2.2.2.1步进相关法 本地码生成器以C/A码标称频率(6 Hz)产生C/A码与接收 1.02310 到的采样信号相关累加，一个积分周期（通常1个码周期）后，相关峰与检测门限比较，如果相关峰大于门限，则认为捕获成功，得到对应的码相位估计；如果相关峰小于门限，码发生器自动将本地码码相位向前或向后跳动1/2或1/4个码片，然后继续相关累加检测，最多在2L或4L个伪码周期后找到与本地伪码同步的输入伪码的相位状态（L即为一个码周期内码片的数目），以实现伪码的捕获。下面对步进相关法进行简单介绍，其原理图见图2。
阵列信号处理中DOA算法分类总结(大全)
阵列信号处理中的DOA（窄带） 空域滤波 波束形成：主要研究信号发射/接收过程中的信号增强。 空间谱估计 空域参数估计：从而对目标进行定位/给空域滤波提供空域参数。 测向波达方向估计(DOA) 空间谱：输出功率P关于波达角θ的函数，P(θ). 延迟——相加法/经典波束形成器注，延迟相加法和CBF法本质相同，仅仅是CBF法的最优权向量是归一化了的。
1、传统法常规波束形成CBF/Bartlett波束形成器 常规波束形成（CBF：Conventional Beam Former） Capon最小方差法/Capon 波束形成器/MVDR波束形成器 最小方差无畸变响应（MVDR：minimum variance distortionless response）Root-MUSIC算法
多重信号分类法解相干的MUSIC算法（MUSIC） 基于波束空间的MUSIC算法 2、[object Object]
TAM 旋转不变子空间法 LS-ESPRIT （ESPRIT） TLS-ESPRIT 确定性最大似然法（DML：deterministic ML） 3、最大似然法 随机性最大似然法（SML：stochastic ML）
4、综合法：特性恢复与子空间法相结合的综合法，首先利用特征恢复方案区分多个信号，估计空间特征，进而采用子空间法确定波达方向 最大似然估计法是最优的方法，即便是在信噪比很低的环境下仍然具有良好的性能，但是通常计算量很大。同子空间方法不同的是，最大似然法在原信号为相关信号的情况下也能保持良好的性能。 阵列流形矩阵（导向矢量矩阵）只要确定了阵列各阵元之间的延迟τ，就可以很容易地得出一个特定阵列天线的阵列流形矩阵A。 传统的波达方向估计方法是基于波束形成和零波导引概念的，并没有利用接收信号向量的模型（或信号和噪声的统计特性）。知道阵列流形 A 以后，可以对阵列进行电子导引，利用电子导引可以把波束调整到任意方向上，从而寻找输出功率的峰值。 ①常规波束形成(CBF)法 CBF法，也称延迟—相加法/经典波束形成器法/傅里叶法/Bartlett波束形成法,是最简单的DOA 估计方法之一。这种算法是使波束形成器的输出功率相对于某个信号为最大。 （参考自：阵列信号处理中DOA估计及DBF技术研究_赵娜）注意：理解信号模型
M序列的产生和性能分析
M序列的产生和性能分析 摘要 在扩频函数中，伪随机信号不但要求具有尖锐的互相关函数，互相关函数应接近于零，而且具有足够长的码周期，以确保抗侦破、抗干扰的要求；由足够多的独立地址数，以实现码分多址的要求。M序列是伪随机序列的一种，可由m序列添加全0状态而得到。m序列与M序列对比得出在同级移位寄存器下M序列的数量远远大于m序列数量，其可供选择序列数多，在作跳频和加密码具有极强的抗侦破能力。 本文在matlab中的Simulink下用移位寄存器建立了4级、5级、6级M 序列的仿真模型，进行了仿真，画出其时域图、频谱图、互相关性图。通过时域图和频域图可看出，经过扩频后的信号频带明显的被扩展；由M序列互相关性图，得出M序列有较小的互相关性，较强的自相关性，但相关性略差于m序列。最后，本文又将M序列应用于CDMA扩频通信仿真系统中，得到下列结论：当使用与扩频时相同的M序列做解扩操作与用其他序列做解扩的输出有巨大的差别。使用相同的序列进行解扩时系统输出值很大，而使用其他序列解扩时输出值在零附近变化。这就是扩频通信的基础。 关键词：伪随机编码, 扩频通信自相关函数，互相关函数
M SEQUENCE GENERATION AND PERFORMANCE ANALYSIS ABSTRACT In spread-spectrum communication, pseudo-random sequence must have high autocorrelation value, low cross correlation, long code period and lots of dependent address to satisfy code division multiple access(CDMA). M sequence is one kind of the pseudo-random sequences. It can be may obtained through adding entire 0 states to m sequence. The number of M sequence is greater than the m-sequence under the same level shift register. It may supply the more choice. The M-sequence is often applied to the frequency hopping and adds the password to have greatly strengthened anti- solves the ability. At first, M sequences which has n=4、5、7 levels of shift registers are produced under Simulink of Matlab. The time domain chart, the spectrograph, the mutual correlation chart are plotted. Through the time domain chart and the spectrograph, we could see how the bandwidth of the information signal is expanded. The pseudo-random symbol speed rate higher noise signal frequency spectrum is proliferated widely, the output power spectrum scope is lower. This can explain the spread-spectrum communication system principle from the frequency range. Through the M sequence’s auto correlation chart we can see that the auto correlation of M-sequence is quite good but is inferior to the m sequence. Finally, the M sequence is applied to the code division multiple access (CDMA) communication system. This is the spread-spectrum communication foundation. KEY WORDS：Pseudo-random code, auto-correlation, cross-correlation
浅谈扩频通信技术[文献综述]
文献综述 电子信息工程 浅谈扩频通信技术 摘要：扩频通信技术是一种信息处理传输技术，它是利用与被传输数据无关的扩频码对被传输信号进行频谱扩展，使得扩展后的频谱占有远远超过被传送信息所必需的最小带宽。扩频通信技术用于各种原因包括增强自然干扰和干扰，以防止检测，并限制功率流密度的安全通信设立的。本文简要阐述了扩展频谱通信技术的基本原理、历史、现状以及发展趋势。 关键词：扩频通信；CDMA 1、前言 扩展频谱通信具有很强的抗干扰性，其多址能力、保密、抗多径等功能也倍受人们的关注，它与光纤通信、卫星通信，一同被誉为进入信息时代的三大高技术通信传输方式。扩频通信技术自50年代中期美国军方便开始研究，一直为军事通信所独占，广泛应用于军事通信、电子对抗以及导航、测量等各个领域。直到80年代初才被应用于民用通信领域。2、扩频通信技术 2、1扩频通信简介 所谓扩展频谱通信，可以简单的描述成:“扩频通信技术是一种信息传输方式，其信号所占有的频带宽度远大于所传信息必需的最小带宽；频带的扩展是通过一个独立的序列码来完成的，用编码及调制的方法来实现的，与所传信息数据无关；在接收端则用同样的码进行相关同步接收、解扩及恢复所传信息数据[1]。”扩频通信是一种数字传输方式，扩频信号的带宽被展宽了，其带宽的扩展是通过扩频序列对被传信息进行调制实现的，在接收端使用相同的扩频序列对扩频信号进行相关解调，还原出被传信号[2]。 扩频通信的一般工作原理如图1所示。其中信道编码器、信道解码器、调制器和解调器是传统数字通信系统的基本构成单元。在扩频通信系统中除去了这些单元外，应用了相同的伪随机序列发生器，分别作用在发送前端的调制器与接收前端的解调器。这两个序列发生器产生伪随机噪声(PN)二值序列，在调制端将传送信号在频域进行扩展，在解调端解扩该扩频发送信号。
GNSS软件接收机的结构和信号捕获跟踪算法
https://www.wendangku.net/doc/a913546216.html, GNSS软件接收机的结构和信号捕获跟踪算法 汪伟1，郭际明1 (武汉大学测绘学院，武汉市珞瑜路129号，430079) Email: wangwei_sgg@https://www.wendangku.net/doc/a913546216.html, , jmguo@https://www.wendangku.net/doc/a913546216.html, 摘要：GNSS软件接收机具有模块化、可编程性、灵活性和强适应性的特点，是兼容将来多导航系统的发展需要。通过对GNSS软件接收机的研究，可以找到改正和消除多路径的数学模型和抗干扰的 方法，提高接收机的环境适应能力。本文对GNSS软件接收机结构和捕获、跟踪环路算法等做了较详 细的说明和讨论。 关键词：GNSS；软件接收机；信号跟踪；信号捕获； 0 引言 自从1992年5月，在美国电信系统会议上，来自Mitre公司的Joe Mitola首先提出了“Software Radios” 概念[1]以来，软件接收机就被受到广泛的关注。1995年5月，IEEE Communication Magazine 专题讨论了 Software Radios 的详细架构和关键技术[2]。由于软件接收机的开放性、全面可编程性、和灵活性的特点，在不需要更改硬件的前提下，通过对软件模块的调整和升级就可以满足不同用户的需要，因此，在整合的GNSS各种导航数据接收中，有很深远的意义。本文讨论说明了GNSS软件接收机的系统结构和信号的捕获、跟踪算法。 1 GNSS软件接收机发展背景和特点及系统构成 在过去的10年中，有很多国外学者研究了GNSS软件接收机，并取得了长足的进步。1997年8月，Ohio大学的Dennis M. Akos在他的博士论文中讨论了GNSS软件接收机前端模拟信号的接收和模数转化（Front-End）的两种设计方案[3]，并且事后处理并验正了卫星信号捕获的FFT算法的可行性和跟踪环路的稳定性。而后，James.B.Y.T写了一本书，介绍了GPS 软件接收机的系统结构和信号捕获以及跟踪的算法细节[4]，并且提出了一种新的信号跟踪方法——BASS(Block Adjustment of Synchronizing Signal)[5]。美国Cornell大学的很多学者也都相继发表了有关实时多通道GPS软件接收机的相关文章，并实现了软件接收机的功能[6][7][8]。 GNSS软件接收机的特点表现在：随着GPS系统、GLONASS系统和Galileo系统的不断发展和完善，如果不对硬件进行升级，现有的GPS接收机很难做到多种信号的兼容接收。跟这点相比，GNSS软件接收机有很大的优势，只要其RF前端能接收到多种波段的卫星信号，只对软件相应模块做修改，就可以实现多种测距信号的捕获和跟踪，从而节约成本；另外，用软件算法代替硬件实现，从而避免了由于电子器件发热等因素引起的信号捕获、跟踪环节中的噪声污染，同时，还可以分析原始信号数据，为有效抑制多路径的影响和电子干扰找到有效的解决方法[9]。 传统的GNSS接收机（以GPS接收机为例），其主要的捕获和跟踪运算由专门ASIC （Application Specific Integrated Circuit）实现，一旦设计定型，就很难更改。其由接收卫星
基于Matlab产生m序列
目录 前言 (1) 第一章设计任务 (2) 1.2设计内容 (2) 1.2设计要求 (2) 1.3系统框图 (2) 第二章m序列的分析 (4) 2.1m序列的含义 (4) 2.2m序列产生的原理 (5) 2.2m序列的性质 (6) 2.3自相关特性 (7) 第三章m序列的设计 (8) 3.1特征多项式确定 (8) 3.2本原多项式的确定 (9) 3.3m序列的发生 (10) 第四章程序调试及结果分析 (11) 4.1m序列的仿真结果及分析 (12) 4.2该设计的序列相关性仿真结果及分析 (13) 结论 (14) 参考文献 (15) 附录：程序代码 (16)
前言 扩频通信因其具有抗干扰、抗多径衰落、抗侦察等优点在通信领域中得到广泛应用。扩频序列的设计和选择是扩频通信的关键技术，扩频序列性能的优劣在很大程度上决定了通信系统的多址干扰和符号间干扰的大小，从而直接影响到系统的性能。因此，深入研究扩频序列的性质，构造设计具有良好相关性的扩频序列，来满足扩频系统的要求，是直接序列扩频系统的核心课题。白噪声是一种随机过程，它有极其优良的相关特性。但至今无法实现白噪声的放大、调制、检测、同步及控制等，而只能用类似于白噪声统计特性的伪随机序列来逼近它，并作为扩频系统的扩频码。 常见的伪随机序列有m 序列、GOLD 序列、M 序列、Walsh 序列等。m 序列是目前研究最为彻底的伪随机序列，m 序列容易产生，有优良的自相关和互相关特性。序列是伪随机序列的一种情况。他可以在很多领域中都有重要应用。由n级移位寄存器所能产生的周期最长的序列。这种序列必须由非线性移位寄存器产生,并且周期为2n（n为移位寄存器的级数）。 通过对伪随机码中常用的m序列的结构和性质进行了分析，本文给出了基于MATLAB平台的m序列生成算法及代码伪随机序列分析。
M序列的产生
M 序列的产生 1. 对象或参数 数学模型如下： )()2(5.0)1()2(7.0)1(5.1)(k v k u k u k z k z k z +-+-=-+-- 其中，)(k v 是白噪声N （0,1）（服从正态分布），输入信号采用4阶M 序列，幅度为1. 辨识模型如下： )()2()1()2()1()(2121k v k u b k b k z a k z a k z +-+-=-+-- 设输入信号的取值为k=1到k=16的M 序列，则待辨识参数L L L L LS z H H H ττθ1-）（= ∧。 ????????????=∧4321a a a a LS θ????????????=)16(...)4()3(z z z z L ????? ???????---=)14()15()14()15(......)2()3(z(2)-)3(-)1()2()1()2(-u u z z u u z u u z z H L 编制仿真程序，，获取输入输出数据，运用最小二乘法对系统的参数进行辨识，并将辨识结果与实际参数进行对比。 2. 程序框图
3. 程序实现 function [] = JM-232() %--------------------------------------------------------实验题目及初始化定义 disp('最小二乘法的实现') disp(' ') disp('数学模型为：z(k)-1.5z(k-1)+0.7z(k-2)=u(k-1)+0.5u(k-2)+v(k).') disp(' 所选择的辨识模型为：z(k)+a1*z(k-1)+a2*z(k-2)=b1*u(k-1)+b2*u(k-2)+v(k).') disp(' 故实际参数a1=-1.5, a2=0.7, b1=1, b2=0.5. ') disp(' ') disp('系统输入采用4 阶M 序列且其幅度为1，输出受到白噪声序列v(k)干扰.') ds = input(' 假设白噪声序列v(k)服从正态分布，均值为0，请输入方差ds = '); disp(' ') disp(' ') a0=65539;M=2147483647;x=123456;b=10000; U=[];V=[];Z=[];T=[]; P=zeros(20,4);H=zeros(14,4);LS=zeros(4,1);ZL=zeros(14,1); %------------------------------------------------产生4 阶M 序列作为输入信号u(k) fori=1:4 P(1,i)=1; U(1)=-2*(P(1,4)-0.5); end for j=2:16 fori=2:4 P(j,i)=P(j-1,i-1); end P(j,1)=mod(P(j-1,3)+P(j-1,4),2); U(j)=-2*(P(j,4)-0.5); end disp('** 通过仿真获得：')
移动通信课程设计实验报告-利用matlab进行m序列直接扩频仿真(DOC)
目录 一、背景 (4) 二、基本要求 (4) 三、设计概述 (4) 四、Matlab设计流程图 (5) 五、Matlab程序及仿真结果图 (6) 1、生成m序列及m序列性质 (6) 2、生成50位随机待发送二进制比特序列，并进行扩频编码 (7) 3、对扩频前后信号进行BPSK调制，观察其时域波形 (9) 4、计算并观察扩频前后BPSK调制信号的频谱 (10) 5、仿真经awgn信道传输后，扩频前后信号时域及频域的变化 (11) 6、对比经信道前后两种信号的频谱变化 (12) 7、接收机与本地恢复载波相乘，观察仿真时域波形 (14) 8、与恢复载波相乘后，观察其频谱变化 (15) 9、仿真观察信号经凯萨尔窗低通滤波后的频谱 (16) 10、观察经过低通滤波器后无扩频与扩频系统的时域波形 (17) 11、对扩频系统进行解扩，观察其时域频域 (18) 12、比较扩频系统解扩前后信号带宽 (19) 13、比较解扩前后信号功率谱密度 (20) 14、对解扩信号进行采样、判决 (21) 15、在信道中加入2040~2050Hz窄带强干扰并乘以恢复载波 (24) 16、对加窄带干扰的信号进行低通滤波并解扩 (25) 17、比较解扩后信号与窄带强干扰的功率谱 (27) 六、误码率simulink仿真 (28) 1、直接扩频系统信道模型 (28) 2、加窄带干扰的直扩系统建模 (29) 3、用示波器观察发送码字及解扩后码字 (30) 4、直接扩频系统与无扩频系统的误码率比较 (31) 5、不同扩频序列长度下的误码率比较 (32) 6、扩频序列长度N=7时，不同强度窄带干扰下的误码率比较 (33) 七、利用Walsh码实现码分多址技术 (34) 1、产生改善的walsh码 (35) 2、产生两路不同的信息序列 (36) 3、用两个沃尔什码分别调制两路信号 (38)
第4章 扩频序列底捕获与同步
第四章 扩频序列底捕获与同步 扩频通信属数字通信，因此载波同步，比特同步（位同步），帧同步，还有特有的扩频码同步。 表现为： 同步时延差＝ ，表示同步 为此接收机扩频码同步系统必须： 先搜索捕获，驱使本地扩频序列 与接收序列取得起始相位基本一致，即：；然后进入同步跟踪，保持相位同步。 接收机组成 <未同步 扩频码同步要求收发双方 时钟频率对准 码序列起点对齐（初始相位一致） 双方时钟不稳 若时钟由载频分频产生，载频不稳导致时钟不稳 双方启动序列有时差 电波传播时延，多径时延，双方时钟不稳
一、直扩序列的捕获 1.1 单积分顺序搜索捕获（或称为滑动相关捕获法） 所谓顺序搜索捕获：不断地改变本地序列相位，并在每个相位进行相关检测，判断该相位是否同步，原理电路如图所示： 相关器 设 相关（相乘、带通）输出： 由于存在，需要平方―――利用积分器收集能量作检测 积分运算 \ 相干低通平滑―――>起到时间统计平均作用（各态历经） 设门限为A ： ：取得同步 ：未取得同步―――>不断改变本地码序列相位 设每搜索一次控制一次，本地码序列相位改变量为，每控制一次所需时间为统计平均时间长度―――即积分间隔 因此，若设积分间隔为，且序列长度 一般，，为寄存器级数 则捕获时间： ， 搜索完整个序列长度才搜索到 无需搜索就已同步
∴平均捕获时间： 检测概率―――实际已经同步时，判决为同步的概率 虚警概率―――未同步时，判决为同步的概率 以上分析过程没有考虑噪声和干扰，即检测概率，虚警概率 实际存在噪声干扰，必产生 显然，与积分时间有关 俞大，表示噪声被平滑（平均），必然，而，但捕获事件长！ 搜索捕获过程，理论上可用一个马尔可夫链来描述，由马尔可夫链地生成函数信号流图，可得： ――为使本地序列 同步 接收序列所需的最大相位改变量， 当： ――证实电路（证明同步真假），积分时间的检测器(经k 次证明是真的！) 显然――对于单积分： 为此可采用多积分方式来减小 假设有n 个积分器，积分时间各不相同， 捕获开始，用积分时间短先积分，若输出大于门限，判决同步，由于――>可 能误判，为此，再用时间长积分器去检测证实去除虚警―――> 这样：可在较短时间内去除非同步――> 串行多积分方式 多积分又分为 并行多积分方式 如图所示： ，相位已对齐，但误判为未同步 ，相位未对齐，但误判为同步
m序列扩频
下面是直扩系统仿真程序，第一段是扩频和调制，第二段是m序列生成，求第一段程序接着编写解扩和解调的程序~ （1）clc clear %.............................生成待传输信息，码元宽度为切普宽度的10倍................... message=randint(1,4);%随机生成4个0 1码 code=[]; for i=1:length(message) if message(1,i)==0 code1=zeros(1,10); else code1=ones(1,10); end code=[code,code1]; end %...............................生成m序列...................................... a=[ 0 1 0 0 1 1 1 ]; %m序列特征多项式 b=[0 0 0 0 0 0 1]; %移位寄存器初始状态 c=length(code); %生成m序列长度 m_sequence=mseq(a,b,c); dsss=code.*m_sequence;%扩频%.............................BPSK调制....................................... f=20; %载波频率，为码元速率二倍 t=0:1/(f-1):1; cp=[]; mod=[]; for j=1:length(dsss) if dsss(j)==0 cp1=-ones(1,20); else cp1=ones(1,20); end c=cos(2*pi*f*t); cp=[cp,cp1]; mod=[mod,c]; end bpsk=cp.*mod; plot(bpsk,'linewidth',1.5);grid on ylabel('bpsk modulation'); axis([0 20*length(dsss) -2 2]); （2） function[seq]=mseq(connections,registers,len) m=length(connections);
三种常用扩频码序列产生及其特性仿真实验报告
三种常用扩频码序列产生及其特性仿真实验报告一、三种扩频码序列简介 M序列（即De Bruijn序列）又叫做伪随机序列、伪噪声(PN)码或伪随机码。可以预先确定并且可以重复实现的序列称为确定序列；既不能预先确定又不能重复实现的序列称随机序列；不能预先确定但可以重复产生的序列称伪随机序列。 对于一个n级反馈移位寄存器来说，最多可以有2^n 个状态，对于一个线性反馈移位寄存器来说，全“0”状态不会转入其他状态，所以线性移位寄存器的序列的最长周期为2^n-1。当n级线性移位寄存器产生的序列{ai}的周期为T= 2^n-1时，称{ai}为n级m序列。 当反馈函数f（a1,a2,a3,…an）为非线性函数时，便构成非线性移位寄存器，其输出序列为非线性序列。输出序列的周期最大可达 2^n ，并称周期达到最大值的非线性移位寄存器序列为M序列。 1.2 Gold序列
Gold序列是1967年R.Gold在m序列基础上提出并分析的一种特性较好的伪随机序列，它是由两个码长相等、码时钟速率相同的m 序列优选对通过模2相加而构成的。 其产生的电路示意图如下图所示，通过设置m序列发生器B的不同初始状态，可以得到不同的Gold序列，由于总共有m-1个不同的相对移位(Q为m序列的级数)，加上原有的两个m序列，可以产生共m+1个Gold序列。 1.3OVSF序列 对于TD-SCDMA来说，选择的扩频码称为正交可变扩频因子（Orthogonal Variable Spreading Factor，简称OVSF）。 又叫正交可变扩频因子，系统根据扩频因子的大小给用户分配资源，数值越大，提供的带宽越小，是一个实现码分多址(CDMA)信号传输的代码，它由Walsh函数生成，OVSF码互相关为零，相互完全正交。 OVSF序列的特点