運用MATLAB及EPROM簡化擴頻電路設(shè)計

摘 要： 提出一種直接序列擴頻電路的設(shè)計方案，即利用MATLAB軟件的仿真功能來產(chǎn)生若干偽噪聲序列，然后以數(shù)據(jù)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(shè)計的具體擴頻電路，最后給出了仿真信號波形和實驗信號波形。

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(shù)字序列模2相加后成復(fù)合碼去調(diào)制載波1。在一些使用長序列PN碼擴頻的場合，如統(tǒng)一擴頻測控及圖象傳輸系統(tǒng)中，PN碼即用來對上行遙控指令進行擴頻，又用來作為上行測距碼2。為了實現(xiàn)無模糊測距所使用的PN 碼的碼長較長，若用寄存器及其反饋支路來構(gòu)成PN碼發(fā)生器，則所需寄存器級數(shù)較多，且電路做好后，所產(chǎn)生的PN碼就固定了。這一點對于某些保密性要求很高的通信或測控系統(tǒng)來說很不方便，因為在這種系統(tǒng)中往往需要多組PN碼序列備用，以便隨時更換擴頻碼增強保密性。解決這一問題的簡單方法就是將所有的PN碼存儲在EPROM中，以供隨時調(diào)用。但由于PN碼的碼長較長或個數(shù)較多，將這些數(shù)據(jù)燒錄進EPROM中也比較麻煩。如果利用MATLAB軟件來產(chǎn)生所需的PN碼序列，并通過簡單的矩陣變化，形成一個.hex文件，將其下載到EPROM中，就使得這一過程大大簡化。

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(shù)據(jù)流中提取位同步時鐘，經(jīng)分頻后送往計數(shù)器作為記數(shù)脈沖，計數(shù)器就是EPROM的地址產(chǎn)生器。由EPROM輸出的PN碼對數(shù)據(jù)進行擴頻。圖1(a)中各點波形如圖1(b)所示。

圖1(b)中波形a為輸入數(shù)據(jù)，波形b為從數(shù)據(jù)中提取的位同步時鐘，經(jīng)分頻后得到如波形c所示的PN碼chip時鐘(計數(shù)器的記數(shù)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(shù)器作為地址碼產(chǎn)生器所構(gòu)成的直接序列擴頻電路，其結(jié)構(gòu)非常簡單。

２ 用MATLAB產(chǎn)生PN碼及數(shù)據(jù)文件

若PN序列碼長較長，直接用手工錄入EPROM中容易出錯，且要花費較多的時間。如果用仿真軟件MATLAB中的SIMULINK模塊來構(gòu)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EPROM中，就可以大大簡化這一過程。SIMULINK是實現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真的一個集成環(huán)境。它的存在使MATLAB的功能得到進一步擴展，即實現(xiàn)了可視化建模和多工作環(huán)境間文件互用和數(shù)據(jù)交換。

下面以r =11的PN碼發(fā)生器為例加以說明。

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

PN碼的初始狀態(tài)可根據(jù)需要進行設(shè)置，即將移位寄存器設(shè)置為相應(yīng)的初始狀態(tài)(1或0)。若輸出到MATLAB工作空間的PN碼應(yīng)是完整的一周期序列，且將移位寄存器的取樣時間定為1單位時間，那么仿真時間就應(yīng)設(shè)為N-1個單位時間(Ｎ為碼長)，依上例則應(yīng)設(shè)為2046個單位時間進行仿真。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(xù)2r-1(r=11)個單元的同一BIT位，即可在計數(shù)器(地址產(chǎn)生器)的作用下從該BIT位輸出這個PN碼序列。那么一片EPROM就可以同時輸出8個PN碼，用n片EPROM就可以同時輸出nX8個PN碼。在實際中可選擇其一用來對信息數(shù)字序列進行擴頻。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(或者更多，視EPROM的存儲長度或數(shù)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。

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

用reshape指令將矩陣變維，得到一個(4094X4)的矩陣，再將每一個行向量用一個十六進制數(shù)表示，最后用fprintf指令形成一個 .hex文件3直接將該文件下載到EPROM中就可以由EPROM同時提供8個PN碼。

3 實際電路和波形

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

4040在5V電壓下最高輸入時鐘頻率為3.5MHz，在15V電壓下可達到12MHz，滿足一般情況下的PN碼速率要求。由于將PN碼碼長定為2047，因此當(dāng)Q1~Q11均為高電平時將計數(shù)器清0。圖中D觸發(fā)器的作用是對輸出數(shù)據(jù)起整形作用以去掉數(shù)據(jù)流中的毛刺。通過讓EPROM的高位地址線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(shè)計方案所得到的實驗電路輸出的PN碼波形(包括PN碼時鐘波形)，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特點：①PN碼的產(chǎn)生及固化迅速而準(zhǔn)確。②電路結(jié)構(gòu)簡單，幾乎不需要調(diào)試。③使用方便，即可根據(jù)實際需要同時輸出多組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．?dāng)U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(tǒng)．電子學(xué)報1998 26 4　
3 張志涌等編著．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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