基于MATLAB_GUI的Costas环性能演示软件实现学士学位论文.doc
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1、分类号:分类号:TD65+5.2TD65+5.2 U D C:D10621-408-D10621-408-(20102010) 0481-00481-0 密密 级:公级:公 开开 编编 号:号:20060210862006021086 成成 都都 信信 息息 工工 程程 学学 院院 学学 位位 论论 文文 基于基于 MATLABMATLAB GUIGUI 的的 CostasCostas 环性能演示软件实现环性能演示软件实现 论文作者姓名:论文作者姓名: 申请学位专业:申请学位专业:电子信息工程电子信息工程 申请学位类别:申请学位类别:工学学士工学学士 指指导导教教师师姓姓名名(职职称称) :
2、论文提交日期:论文提交日期: 独 创 性 声 明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。据我所知,除了文中特别加以标注和致谢的地方 外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为 获得成都信息工程学院或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 签名: 日期: 年 月 日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解成都信息工程学院有关保留、使用学位 论文的规定,有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘,允许论文被查阅和借阅。本人授权成都信息工程学
3、院可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 (保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名: 日期: 年 月 日 毕业设计(论文)原创性声明和使用授权说明毕业设计(论文)原创性声明和使用授权说明 原创性声明原创性声明 本人郑重承诺:所呈交的毕业设计(论文),是我个人在指导教师的 指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知,除文中特别加以标注 和致谢的地方外,不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果, 也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过 的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体,均已在文中 作了
4、明确的说明并表示了谢意。 作 者 签 名: 日 期: 指导教师签名: 日 期: 使用授权说明使用授权说明 本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计(论文) 的规定,即:按照学校要求提交毕业设计(论文)的印刷本和电子版本; 学校有权保存毕业设计(论文)的印刷本和电子版,并提供目录检索与 阅览服务;学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文; 在不以赢利为目的前提下,学校可以公布论文的部分或全部内容。 作者签名: 日 期: 学位学位论论文原文原创创性声明性声明 本人郑重声明:所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究 所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外,本论文不包
5、 含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做 出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本人完全意识 到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名: 日期: 年 月 日 学位学位论论文版文版权权使用授使用授权书权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允 许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 涉密论文按学校规定处理。 作者签名:日期: 年 月 日 导师签名: 日期: 年 月 日
6、基于基于 MATLABMATLAB GUIGUI 的的 CostasCostas 环性能演示软件实现环性能演示软件实现 摘摘 要要 Costas 环是用来解调双边带抑制载波信号的,也是二相或四相移相键控信号 解调的专用环路,如果使用码反转调制,则它是一种最好的选择方案,科斯塔斯 的工作频率就是载波频率。Costas 环路作为一种通用的 BPSK 载波恢复方法,其 实质是一个负反馈电路,从而决定了它具有使本地载波的相位或频率与信号载波 保持一致的能力。Costas 环有许多优良的特性,如:载波跟踪特性、调制跟踪特 性等,但是传统模拟 Costas 环路因为存在同相支路和正交支路不平衡性及不可 避
7、免的零点漂移,均使环路的性能受到影响,同时模拟的 Costas 环路调试困难, 而采用全数字的实现方式可以很好地解决以上问题。 本文采取了两种方式来实现Costas环载波的跟踪,一是直接采用Matlab软件 编程,通过手动改写参数的值来观察载波的跟踪情况,另一种方法是在Matlab GUI图形用户界面中进行仿真,通过拖动实信号频率和信噪比的拖动条来观察载 波跟踪情况。通过两种方式的比较,图形结果一致,达到了实验的预期结果和目 的。 关键词关键词:MATLAB GUI;Costas 环;载波跟踪 Performance Presentation Software For Costas Loop
8、Based On Matlab GUI Abstract Costas loop is the exclusive loop to decode BSB(Bothe Side-band) inhibition carrier signals and PSK(Phase Shifting Keying) signals like two-phase or four-phase ones. It will be a best choice if codes are demodulated in reverse, because Costas loop works in carrier freque
9、ncy. As a universal way to regain BPSK carrier waves, Costas loop is substantially a degenerative circuit, enable it to reconcile the local carrier waves phase or frequency with carrier signal. It has many good properties such as carrier tracking, demodulation tracking, etc. However, there exists un
10、-balance between in phase circuit branches and orthogonal ones as well as unavoidable zero drift in traditional analog Costas loop, so that those properties are affected. Meanwhile, it is difficult for analog Costas loop to demodulate, while the digital Costas loop can figure out the above problems
11、better. This text adopts two ways to realize the tracking of carrier ware for Costas loop.The first method is to program with the software system of Matlab,by altering the value of parameter to observe the situation which the tracking of carrier ware.An alternative method is to simulate during the M
12、atlab GUI, by driving the value of real signal frequency and snr to observe the situation which the tracking of carrier ware.Finally,compare with the two ways,the graph results are consistent.So,the research achive the expected result and objective. Key words: MATLAB ; Costas loop;Carrier Tracking 目
13、目 录录 1引言1 1.1背景和意义1 1.2本课题研究的意义1 1.3扩频技术的现状2 1.4论文结构安排2 2扩频通信3 2.1扩频通信技术3 2.2扩频通信原理3 2.2.1锁相环解调原理.5 2.2.2载波同步.6 2.3COSTAS锁相环7 3GUI 图形界面10 3.1图形用户界面(GUI)的优势 10 3.2GUI 界面简述.10 3.2.1GUI 的特点11 3.3图形用户界面(GUI)设计 11 3.3.1GUI 设计原理11 3.3.2图形用户界面设计窗口.11 4基于 MATLB GUI 的 COSTAS 环性能演示14 4.1基本思路14 5效果图及分析14 5.1CO
14、STAS环性能分析14 5.1.1信噪比系数影响.15 5.1.2实际信号频率参数影响.16 5.2GUI 的 COSTAS环的设计窗口 18 6结论20 参考文献.22 致 谢.23 附 录.24 1 1引言引言 1.1 背景和意义 所谓扩展频谱技术(简称扩频技术)一般是指用比信号带宽宽得多的频带宽 度来传输信息的技术。为了扩展发射信号的频谱,可能使用不同技术对所传的信 息进行处理,从而产生了不同的扩频调制类型。Costas 不仅能提取载波,而且能 解调信息,用相乘器实现了非线性作用,使用了正交两路的误差信息,工作频率 是载波频率本身,当频率较高时易于实现,是直接提取载波的一种,发端不专门
15、发送导频,效率比较高。 扩频通信是通信的一个重要分支和信道通信系统的发展方向。扩频技术具有 抗干扰能力强、保密性好、易于丝线多址通信等优点,因此该技术越来越受到人 们的重视。近年来,随着超大规模集成电路技术、微处理技术的飞速发展,以及 一些新兴元器件的应用,扩频通信在技术上已迈上了一个新的台阶,不仅在军事 通信中占有重要地位,而且正在迅速地渗透到了个人通信和计算机通信等民用领 域,成为新世纪最有潜力的通信技术之一。为了适应市场的发展和需要,例如移 动通信、卫星通信的迅速发展和通信设备的进一步向便捷化、多功能化、全数字 化和高集成化及器件组合化、功能集成化的发展进程,扩频技术也得到了很大的 重视
16、,因为它也是实现借条信号重要因素。因此,发展扩频技术是当前十分热门 的研究课题,具有很大的发展潜力,也具有十分重要的研究意义。 Costas 能提取载波,用相乘器实现了非线性作用,使用了正交两路的误差信 息,工作频率是载波频率本身,当频率较高时易于实现,是直接提取载波的一种, 发送端不专门发送导频,效率比较高。 1.2 本课题研究的意义 随着对扩频通信制备和物理特性等研究的深入,扩频技术不进在军事、天线测 量中应用广泛,而且在医学领域中也得到了非常广泛的重视,科斯塔斯环解调是 2 扩频技术中的重要组成部分。同样,科斯塔斯环也存在相位含糊问题,初看来这 种方法中没有二分频器,似乎没有含糊的问题,
17、但仔细分析起来同样存在相位含 糊的问题。 1.3 扩频技术的现状 频谱扩展的方式主要有以下几种:直序扩频(DSSS)使用高速伪随机码对要传 输的低速数据进行扩频调制;跳频系统则利用伪随机码控制载波频率在一个更宽 的频带内变化;跳时则是数据的传输时隙是伪随机的;线性调频系统中的频率扩 展则是一个线性变化的过程。几种方式组合的混合系统也经常得到应用。 衡量扩频系统最重要的一个指标就是扩频增益,又称为处理增益。正是因为 扩频系统本身具有的特征使其性能具有一系列的优势:低截获概率;抗干扰 能力强;高精度测距;多址接入;保密性强。也正是这些特性使其获得了 广泛的应用。 扩频技术由于其本身具备的优良性能而
18、得到广泛应用,到目前为止,其最主 要的两个应用领域仍是军事抗干扰通信和移动通信系统,而跳频系统与直扩系统则 分别是在这两个领域应用最多的扩频方式。一般而言,跳频系统主要在军事通信 中对抗故意干扰,在卫星通信中也用于保密通信,而直扩系统则主要是一种民用 技术。 对跳频系统的分析,现在仍集中在其对抗各种干扰的性能方面,如对抗部分 边带干扰以及多频干扰等。而直扩系统,即 DS-CDMA 系统,在移动通信系统中 的应用则成为扩频技术的主流。欧洲的 GSM 标准和北美的以 CDMA 技术为基础 的 IS-95 都在第二代移动通信系统(2G)的应用中取得了巨大的成功。而在目前 所有建议的第三代移动通信系统
19、(3G)标准中(除了 EDGE)都采用了某种形式 的 CDMA。因此 CDMA 技术成为目前扩频技术中研究最多的对象,其中又以码 捕获技术和多用户检测(MUD)技术代表了目前扩频技术研究的现状。 1.4 论文结构安排 论文的结构安排如下: 本论文所完成的任务是对基于MATLAB GUI 的Costas 环性能演示软件实现 3 的设计方法进行研究,并对扩展频谱信号的解扩和解调的研究并实行解调,在此 基础上进行修改,并且运用工具软件进行仿真与优化,得到最后跟踪结果,本论 文在总体结构上共分为5章。 第1章引言,本章主要介绍了扩频通信的背景和意义,以及它的现状。 第2章扩频通信,主要介绍了扩频技术及
20、Costas环的原理、基础知识及其发展。 第3章GUI图形界面,简要介绍GUI的优势及其窗口的创建。 第4章基于MATLAB GUI 的Costas环性能演示的设计与仿真,本章以上两章 的设计成果为基础,设计GUI 图形界面接口,并对模型进行仿真优化。并进行效 果图分析,将得出的结果与普通结构解调器进行比较,总结出Costas环的优点。 第5章总结,对全文进行总结,概括本论文的目的和内容。 2扩频通信 2.1 扩频通信技术 扩频通信,即扩展频谱通信技术,它的基本特点是传输信息所用信号的带宽 远大于信息本身的带宽。除此以外,扩频通信还有如下特征: (1)、数字传输方式; (2)、带宽的展宽是利用
21、与被传信息无关的函数(扩频函数)对被传信息进 行调制实现的; (3)、在接收端使用相同的扩频函数对扩频信息进行相关解调,还原出被传 信息。 2.2 扩频通信原理 由图2-1可见,一般的无线扩频通信系统都要进行三次调制。一次调制为信 息调制,二次调制为扩频调制,三次调制为射频调制。接收端有相应的射频解调, 扩频解调和信息解调。根据扩展频谱的方式不同,扩频通信系统可分为:直接序 4 列扩频(DS) 、跳频(FH) 、跳时(TH) 、线性调频以及以上几种调频的组合5。 图2-1 扩频通信原理 扩频通信技术在发端以扩频编码进行扩频调制,在收端以相关解调技术收信, 这一过程使其具有诸多优良特性: 1、
22、抗干扰性能好:它具有极强的抗人为宽带干扰、窄带瞄准式干扰、中继 转发式干扰的能力,有利于电子反对抗。如果再采用自适应对消、自适应天线、 自适应滤波,可以使多径干扰消除,这对军用和民用移动通信是很有利的。 2、隐蔽性强、干扰小:因信号在很宽的频带上被扩展,则单位带宽上的功 率很小,即信号功率谱密度很低。信号淹没在白噪声之中,别人难于发现信号的 存在,再加之不知扩频编码,就更难拾取有用信号。而极低的功率谱密度,也很 少对其它电讯设备构成干扰。扩频通信技术把被传送的信号带宽展宽,从而降低 了系统在单位频带内的电波“通量密度” ,这对空间通信大有好处。国际无线电 咨询委员会及国际电信联盟规定了空间通信
23、系统在地面上产生“通量密度”的国 际标准,以防止对地面通信的干扰。例如规定在 S 波段内每 4KHz 频带内“通量 密度”为-154dB/m2。 3、易于实现码分多址:扩频通信占用宽带频谱资源通信,改善了抗干扰能 力,是否浪费了频谱资源呢?其实正相反,是提高了频带的利用率。正是由于扩 频通信要用扩频编码进行扩频调制发送,而信号接收需要用相同的扩频编码之间 的相关解扩才能得到,这就给频率复用和多址通信提供了基础。充分利用不同码 型的扩频编码之间的相关特性,分配给不同用户不同的扩频编码,就可以区别不 同用户的信号,众多用户,只要配对使用自己的扩频编码,就可以互不干扰地同 5 时使用同一频率通信,从
24、而实现了频率复用,使拥挤的频谱得到充分的利用。 4、数模兼容:可以传输数字信号,也可以传输模拟信号。 常规的无线电通信是在频率上分配(称为频分)或从时间上分配(称为时分) 给通信用户,使之在频段上或时间上互不相同,以使彼此互不干扰共用频谱资源。 扩频通信是以各用户使用不同的扩频编码来共用同一频率。采用扩频通信多址方 式的频谱利用率高于采用频分多址方式的频谱利用率。而且扩频码分多址还易于 解决增加新用户的问题。 2.2.1锁相环解调原理 环路正常锁定后,Costas 环可直接获得解调输出,而平方环则没有这种功能。 图 2-2 是锁相环解调器解调已被接扩后的中频 PSK 信号的原理图23。 图 2
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