運用MATLAB及EPROM簡(jiǎn)化擴頻電路設計

摘 要： 提出一種直接序列擴頻電路的設計方案，即利用MATLAB軟件的仿真功能來(lái)產(chǎn)生若干偽噪聲序列，然后以數據文件的形式將其存儲在EPROM中并在地址發(fā)生器的作用下輸出偽噪聲序列。還提供了運用該方案設計的具體擴頻電路，最后給出了仿真信號波形和實(shí)驗信號波形。

關(guān)鍵詞： 直接序列擴頻 MATLAB 仿真

目前，擴頻技術(shù)因其良好的隱蔽性和抗干擾性，從而在通信和測控領(lǐng)域得到了廣泛運用。直接序列擴頻是擴頻的一種主要方式，它是用PN碼和二元信息數字序列模2相加后成復合碼去調制載波1。在一些使用長(cháng)序列PN碼擴頻的場(chǎng)合，如統一擴頻測控及圖象傳輸系統中，PN碼即用來(lái)對上行遙控指令進(jìn)行擴頻，又用來(lái)作為上行測距碼2。為了實(shí)現無(wú)模糊測距所使用的PN 碼的碼長(cháng)較長(cháng)，若用寄存器及其反饋支路來(lái)構成PN碼發(fā)生器，則所需寄存器級數較多，且電路做好后，所產(chǎn)生的PN碼就固定了。這一點(diǎn)對于某些保密性要求很高的通信或測控系統來(lái)說(shuō)很不方便，因為在這種系統中往往需要多組PN碼序列備用，以便隨時(shí)更換擴頻碼增強保密性。解決這一問(wèn)題的簡(jiǎn)單方法就是將所有的PN碼存儲在EPROM中，以供隨時(shí)調用。但由于PN碼的碼長(cháng)較長(cháng)或個(gè)數較多，將這些數據燒錄進(jìn)EPROM中也比較麻煩。如果利用MATLAB軟件來(lái)產(chǎn)生所需的PN碼序列，并通過(guò)簡(jiǎn)單的矩陣變化，形成一個(gè).hex文件，將其下載到EPROM中，就使得這一過(guò)程大大簡(jiǎn)化。

1 擴頻電路框圖及波形

圖1(a)為PN碼直接序列擴頻電路框圖。首先從數據流中提取位同步時(shí)鐘，經(jīng)分頻后送往計數器作為記數脈沖，計數器就是EPROM的地址產(chǎn)生器。由EPROM輸出的PN碼對數據進(jìn)行擴頻。圖1(a)中各點(diǎn)波形如圖1(b)所示。

圖1(b)中波形a為輸入數據，波形b為從數據中提取的位同步時(shí)鐘，經(jīng)分頻后得到如波形c所示的PN碼chip時(shí)鐘(計數器的記數脈沖)，波形d為從EPROM中讀出的PN碼序列。從圖1中可以看出，用EPROM存儲PN碼序列，以計數器作為地址碼產(chǎn)生器所構成的直接序列擴頻電路，其結構非常簡(jiǎn)單。

２ 用MATLAB產(chǎn)生PN碼及數據文件

若PN序列碼長(cháng)較長(cháng)，直接用手工錄入EPROM中容易出錯，且要花費較多的時(shí)間。如果用仿真軟件MATLAB中的SIMULINK模塊來(lái)構成PN碼發(fā)生器(也可用編程的方法)，并將其產(chǎn)生的PN序列燒錄進(jìn)EPROM中，就可以大大簡(jiǎn)化這一過(guò)程。SIMULINK是實(shí)現動(dòng)態(tài)系統建模、仿真的一個(gè)集成環(huán)境。它的存在使MATLAB的功能得到進(jìn)一步擴展，即實(shí)現了可視化建模和多工作環(huán)境間文件互用和數據交換。

下面以r =11的PN碼發(fā)生器為例加以說(shuō)明。

圖2是一個(gè)用SIMULINK模塊組成的m序列發(fā)生器，對應的本原多項式為：F x =1+x2+x1

PN碼的初始狀態(tài)可根據需要進(jìn)行設置，即將移位寄存器設置為相應的初始狀態(tài)(1或0)。若輸出到MATLAB工作空間的PN碼應是完整的一周期序列，且將移位寄存器的取樣時(shí)間定為1單位時(shí)間，那么仿真時(shí)間就應設為N-1個(gè)單位時(shí)間(Ｎ為碼長(cháng))，依上例則應設為2046個(gè)單位時(shí)間進(jìn)行仿真。圖中To Workspace模塊的作用是將仿真后得到的PN序列以列向量的形式輸出到MATLAB工作空間。

PN= 10101010101110．．．　′2047

只要將該PN序列存儲到EPROM中連續2r-1(r=11)個(gè)單元的同一BIT位，即可在計數器(地址產(chǎn)生器)的作用下從該BIT位輸出這個(gè)PN碼序列。那么一片EPROM就可以同時(shí)輸出8個(gè)PN碼，用n片EPROM就可以同時(shí)輸出nX8個(gè)PN碼。在實(shí)際中可選擇其一用來(lái)對信息數字序列進(jìn)行擴頻。怎樣將PN碼序列組下載到一片EPROM中呢？如前所述，先用SIMULINK模塊分別組成8個(gè)(或者更多，視EPROM的存儲長(cháng)度或數量而定)PN碼發(fā)生器，仿真后將各自的PN碼序列輸出到MATLAB工作空間，得到8組列向量。

通過(guò)矩陣變換將這8個(gè)列向量合成一個(gè)新矩陣，矩陣的列就由這8個(gè)列向量組成。
PN＝PN1，PN2，PN3，PN4，PN5，PN6，PN7，PN8
PN＝

用reshape指令將矩陣變維，得到一個(gè)(4094X4)的矩陣，再將每一個(gè)行向量用一個(gè)十六進(jìn)制數表示，最后用fprintf指令形成一個(gè) .hex文件3直接將該文件下載到EPROM中就可以由EPROM同時(shí)提供8個(gè)PN碼。

3 實(shí)際電路和波形

在實(shí)際中采用了HC4040(12bit) 計數器和CD6740(EPROM)組成了一個(gè)PN碼發(fā)生器。發(fā)生器電路圖如圖3所示。

4040在5V電壓下最高輸入時(shí)鐘頻率為3.5MHz，在15V電壓下可達到12MHz，滿(mǎn)足一般情況下的PN碼速率要求。由于將PN碼碼長(cháng)定為2047，因此當Q1~Q11均為高電平時(shí)將計數器清0。圖中D觸發(fā)器的作用是對輸出數據起整形作用以去掉數據流中的毛刺。通過(guò)讓EPROM的高位地址線(xiàn)A12、A13分別接高、低電平，能夠使該電路產(chǎn)生32組不同的PN碼序列。

圖4(a)中的圖是運用本文提出的擴頻電路設計方案所得到的實(shí)驗電路輸出的PN碼波形(包括PN碼時(shí)鐘波形)，圖4 b 是SIMULINK仿真波形。二者選取了PN序列中的同一段以便對照。

本文所提出的直接序列擴頻電路方案有三個(gè)特點(diǎn)：①PN碼的產(chǎn)生及固化迅速而準確。②電路結構簡(jiǎn)單，幾乎不需要調試。③使用方便，即可根據實(shí)際需要同時(shí)輸出多組PN碼序列，也可以從若干PN碼序列中選取一組輸出。

參考文獻
1 沈允春編著(zhù)．擴譜技術(shù)．北京：國防工業(yè)出版社．1995年
2 楊士中．周祥生等．飛行器的測控及遙感圖象傳輸體制與系統．電子學(xué)報1998 26 4　
3 張志涌等編著(zhù)．掌握和精通MATLAB．北京：北京航空航天大學(xué)出版社．1997

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