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MATLAB 实现一种快跳频通信系统

2013-10-14 16:29   来源:未知 人参与在线咨询

  本毕业设计编号为Matlab_005,由Matlab开发
  内容:程序代码,毕业设计网(20495字),中英文资料,原理图,答辩PPT
  摘要:快跳频通信是扩频通信的一种实现方式,它有很多的特点和有点,尤其在抗干扰和实现保密通信方面有着独特的优势,因而在军事通信领域有着广泛的应用。近年来,在民用领域的应用也正在兴起。
  开发在介绍快跳频系统的基本理论和技术的基础上,着重介绍了Gold序列和频率合成器的实现。在设计中,用MATLAB实现快跳频通信系统的仿真。主要应用了SIMULINK和COMMUNICATION BLOCKETS两个模块。整个设计包括了信源产生部分、发送部分、跳频调制部分、信道部分、接收部分和结果分析部分共六个模块,核心技术是伪随机序列的产生和频率合成器的设计,而关键技术是收发两端的伪随机码元的同步。伪随机码的产生用S-函数编程来开发自己的SIMULINK模块。同步的实现是收发两端采用相同的扩频脉冲触发。而且在设计中每个模块都采用了模块封装技术,从而简化了框图结构。
  本文实现的是一个简单的跳频通信系统仿真,它为以后更复杂的快跳频系统的DSP实现提供了一种前提准备和仿真实现。
  关键词:快跳频;伪随机码;解跳;MATLAB语言
  目录
  第一章 绪论
  1.1 概述
  1.2 扩频通信的基本概念和理论基础
  1.2.1 扩频通信的定义
  1.2.2 扩频通信的理论基础
  1.3 扩频通信的主要特点
  1.4 扩频通信的几种方式
  第二章 快跳频通信系统的性能分析
  2.1 跳频系统概述
  2.1.1 系统结构及信号传输过程
  2.1.2 跳频系统的几个概念
  2.2 跳频信号的发送和接收
  2.2.1 跳频信号的发送
  2.2.2 跳频信号的接收
  2.2.3 正确接收跳频信号的条件
  2.2.4 跳频信号的波形
  2.3  快跳频系统的扩频码序列和跳频图案的设计
  2.3.1 引言
  2.3.2  Gold序列的实现
  2.3.3 跳频图案的设计
  第三章 快跳频通信系统的仿真实现
  3.1  MATLAB语言与仿真环境介绍
  3.1.1 MATLAB仿真环境
  3.1.2 MATLAB语言介绍
  3.1.3 SIMULINK的核心-S-函数
  3.2 快跳频系统的仿真框图及功能
  3.3 快跳频通信模型各部分介绍
  第四章 快跳频系统仿真程序及仿真结果
  4.1 程序设计和及仿真
  4.1.1 伪随机码序列的程序设计
  4.1.2  Gold码仿真结果
  4.1.3 伪随机码的第二种实现方式
  4.1.4 伪随机整数序列的仿真结果
  4.2 快跳频通信系统的仿真结果
  4.2.2 快跳频系统的误码率仿真结果
  第五章 结论
  5.1 设计小结
  5.2 致谢
  5.3 参考文献
  附 英文资料及中文翻译
  3.1.3 SIMULINK的核心-S-函数
  MATLAB最受人们欢迎的特点之一是其具有开放性,也就是说用户可以通过对工具包源文件的修改或加入自己编写的文件去构成新的用户专用工具包,为了修改和编写源文件,就必须熟悉和掌握SIMULINK中的S-函数(s-function).
  S-函数是SIMULINK的核心,它具有的表现形式有三种:
  (1)框图形式
  (2)M文件形式
  (3)MEX文件形式(C语言或FORTRAN语言子程序)
  一旦SIMULINK窗口中的仿真框图建立好,SIMULINK即利用该框图的信息生
  成一个S-函数,用来代表SIMULINK模型。有时标准模块库中现有的模块不能满足用户的需要,为了完成某个特定的功能或进行一种特定的数学运算,我们可以用标准的MATLAB语言编写M文件,也可以用C语言,但是如果用C语言必须用matlab/bin目录下的批处理comex.bat将其编译成MS-Windows下的动态链接文件,才可以在MATLAB下直接调用。
  1 S-函数的仿真工作原理
  S-函数与SIMULINK非线性库中的S-函数模块配合使用。将S-函数模块从非线性库中拷贝到用户自己的模块框图中,然后在模块的对话框中定义调用的S-函数的名称,则该模块完成的功能由调用的S-函数决定。
  在每个SIMULINK模块中都有三个基本参数,输入矢量u,输出矢量y和状态矢量x。三者的连接关系如图3-3所示
  2. S-函数的仿真流程
  在仿真的特定阶段,SIMULINK反复调用模型文件中的每个模块,控制它们完成特定的功能,如计算输出、更新离散状态值和计算状态导数等,为了执行初始化或中止仿真任务,在仿真的开始部分和结束部分还要调用一些附加过程。下图给出了SIMULINK进行一次仿真的完整流程。
  3 SIMULINK的设计和开发
  SIMULINK模型具有层级结构,非常有利于建造和管理一个大型系统。为了便于实现分层设计,在SIMULINK模块库中的非线性字库中含有一种专用的模块子系统模块,同时SIMULINK还为子系统模块提供了封装(MASK)功能。
  1)子系统模块
  当一个动态模型包含许多环节时,可以把系统按功能分块,每一块建立一个子系统。在设计中使用子系统,可以降低模型的复杂度,减少窗口中的模块数,并易于对模型进行扩充和修改。具体而言,可以采用“自顶向下”的设计方式,也可以采用“自底向上”底设计方式。详细的设计步骤将在快跳频系统设计中介绍
  2) 封装功能
  具有封装功能是SIMULINK模块一个非常有用的特点,通过封装可以为子系统建立用户自定义的对话框和图标,可以在当前窗口中隐藏子系统的设计内容,用简单的图标来代替子系统。另一方面,由于子系统中的每个模块都有一个对话框,进行仿真的时候要分别定义参数,比较麻烦。而封装功能可以简化用户定义仿真参数的过程,同时也可以使仿真模型有一个更友好的界面。
  3)设计用户自定义模块
  创建一个用户自定义的SIMULINK模块的步骤为:
  (1)根据算法和公式编写核心部分的S-函数。
  (2)S-函数经过通用S-函数模块处理后,转化为用户自创建的模块。
  (3)根据要求的功能构造用户子系统,包括输入端口、输出端口、S-函
  数模块和其它一些附加功能模块。
  (4) 利用SIMULINK中的封装功能将子系统封装起来,生成用户自定义的封装对话框和图标,为整个子系统提供统一的设置。
  这样就完成了用户自定义的SIMULINK模块,并能完成所要求的功能。
  如图3,3所示,该跳频通信系统按功能可以划分为六个部分,信号产生部分、发送部分、跳频扩频调制部分、信道部分、接收部分和结果分析部分。各部分的具体结构都封装在子系统中,各部分的详细结构和设计将在下面的叙述中给予介绍
  信号在系统中的处理过程为:
  (1)由信源端生成准备传送的有用信号。
  (2)由伪随机码序列控制MFSK部分,然后与有用信号进行相乘运算。伪
  随机码元控制MSFK部分的载波的频率(在设计中使得载波的相位为零)。从而实现信号的跳频通信。
  (3)将经过跳频调制的信号经过信道传输(信道是Rayleigh&Awgn信道)
  叠加上信道噪声,信道噪声为加性高斯噪声。
  (4) 接收端的相关器对接收信号进行相关处理,相关处理时采用的伪随机码与发送端的随机码字保持严格的同步,未随机码仍然由伪随机生成模块来长生
  (5) 利用一个计数器对相关器的输出结果进行统计,然后完成比较,判决过程,恢复出原始信号。
  (6) 将恢复出的有用信号与发送端的原始信号同时送入误码仪进行比较,计算出误码率。
  第五章结论
  5.1 设计小结
  近年来,通信技术发展日新月异,快调频通信以其优越的性能更是得到了迅速的发展。本文就是针对快跳频通信系统,在介绍了扩频通信尤其是重点介绍了跳频通信的技术原理的基础上,在MATLAB环境下实现快跳频通信系统的仿真。
  首先,因为快跳频通信是扩频通信的一种实现方式,所以首先介绍了扩展频谱通信(扩频通信)的理论基础和基本技术,简单介绍了扩频通信的发展和扩频通信的基本理论和基本概念、扩频通信的主要特点和应用以及在实际中几种常见的扩频频通信的实现方式。
  其次,在第二章中,重点对与本次毕业设计密切相关的快跳频系统进行了比较详细的阐述。在这章中首先介绍了在快跳频通信系统中信号的传输过程。给出了快跳频系统的设计框图,这是下面在MATLAB环境中实现仿真的原理框图。然后重点介绍了在跳频系统中,伪随机码(Gold码)的实现原理和设计以及调频图案的设计。
  在经过上两章的理论分析和准备以后,在第三章中,详细的对整个快跳频系统在MATLAB环境下如何实现仿真进行了分析和介绍。首先简单介绍了本次设计使用的MATLAB软件的介绍,介绍了SIMULINK模块和COMMUNICATION BLOCKETS 两个模块的使用,比较详细的介绍了如何利用S-函数创建自己的仿真模块。在快跳频通信系统的仿真中,有两个关键的技术。具体的说首先设计由伪随机序列控制的频率合成器是整个系统的核心,在设计中我很好的实现了在一个码元内实现两次跳频,其实是发送端和接收端如何实现同步,这是跳频系统的关键。在本次设计中,发送端和接收端的伪随机码元采用同一个扩频脉冲序列触发,保证了收发端码元的完全同步。
  最后,在第四章中,给出了快跳频系统仿真设计中用到的源程序和系统仿真的结构图,并且对仿真结果进行了分析。基本达到了设计的初衷。但是在信号的接收端,对于信号的接收的仿真结果还不是很理想,这是需要进一步改进的地方。
  参考文献
  1《 CDMA通信技术》,朱近康编著。人民邮电出版社。2001年9月
  2 《扩频通信》,查光明,熊贤祚编著 。西安电子科技大学出版社。1997年
  3 《数字通信》(第三版)(Digital communication The third edition)
  John G。Proakis著张力军, 张宗橙,郑宝玉等译。电子工业出版社。2001年。
  4 《精通MATLAB5.3版》,北京航空航天大学出版社。
  5 《MATLAB于通信仿真》,王立宁、乐光新、詹菲编著。人民邮电出版社。
  6 《现代通信系统分析与仿真____MATLAB通信工具箱》,李建新、刘乃安、刘继平编著。西安电子科技大学出版社。2000年11月

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