1、摘要 扩频通信是近几年来迅速发展起来的一种通信技术。在早期研究这种技术的主要目的是为提高军事通信的保密和抗干扰性能，因此这种技术的开发和应用一直是处于保密状态。扩频技术在军事应用上的最成功范例可以以美国和俄国的全球定位系统（ GPS 和GLONASS）为代表；在民用上 GPS 和 GLONASS 也都得到了广泛的应用，这些系统的基础就是扩频技术。 全球定位系统 （ GPS） 用于对全球的民用及军用飞机、舰船、人员、车辆等提供实时导航定位服务。 GPS 系统采用典型的 CDMA 体制，这种扩频 调制信号具有低截获概率特性。该系统主要利用直接序列扩频调制技术，采用的伪码有 C/A 码和 P(Y)码
2、两种 。 本文讲述的是直接序列扩频通信技术在全球定位系统（ GPS）中的应用。 主要介绍扩频通信中的伪码仿真，简要论述 M 序列和 伪随机噪声码 （ P 码和 C/A 码） 及其产生，并使用 MATLAB7.0 仿真 M 序列、 P 码和 C/A 码的编码过程和仿真结果， 介绍直扩频技术伪码的相关 知识，重点介绍 P 码。 关键字： 全球定位系统 ； 直接 扩频通信；伪码仿真 沈阳理工大学学士学位论文 2 / 62 Abstract Spread spectrum communication is a communications technology developed rapidly in
3、 recent years. In early studies the main purpose of this technology is to improve the military communications confidential and anti-jamming performance, therefore the development and application of this technology is always in secret state. Spread spectrum technology in the most successful military
4、application examples are the United States and Russia could the global positioning system (GPS and GLONASS) for representative; In civil GPS and GLONASS also have been widely used， which foundation of system is the spread spectrum technology. Global positioning system (GPS) is used to provide real-t
5、ime navigation and positioning services for global civil and military aircraft, ships, personnel, vehicles and so on. GPS system adopts the typical CDMA system, which kind of spread spectrummodulation signals have low intercept probability characteristic. This system mainly used the direct sequence
6、spread spectrum modulation technology, using the PRN code including C/A code, P codes and Y codes. This article tells the direct sequence spread spectrum communication technology applied in global positioning system (GPS) .The article mainly introduces the pn code spread spectrum communication simul
7、ation, briefly discussing M sequence and pseudo random noise code (P yards and C/A yards) and its produce and use MATLAB7.0 simulate M series, P yards and C/A yards of encoding process and the simulation results, introducing pn code straight spread-spectrum technology knowledge, especially P yards.
8、Key: GPS; DS-SS;Pn code simulation 沈阳理工大学学士学位论文 3 / 62 目 录 引言 . 4 1 GPS 理论及其特性 . 5 1.1 GPS 系统概述 . 5 1.2 GPS 信号构成 . 7 1.2.1 M 序列 . 10 1.2.2 C/A 码 . 13 1.2.3 P 码 . 15 1.3 小结 . 20 2 MATLAB 软件 . 21 2.1 MATLAB 软件简介 . 21 2.2 MATLAB 应用概述 . 22 2.2.1 MATLAB 功能介绍 . 22 2.2.2 MATLAB 使用方法 . 24 3 GPS 卫星导航信号算法及其 M
9、ATLAB 仿真 . 31 3.1 C/A 码仿真代码及其仿真结果 . 31 3.2 P 码的仿真代码及其仿真结果 . 34 3.3 结果分析及其 相关性分析 . 38 结论 . 39 致谢 . 40 参考文献 . 41 附录 A 英文原文 . 42 附录 B 中文翻译 . 43 附录 C C/A 码源代码 . 44 附录 D P 码源代码 . 58 沈阳理工大学学士学位论文 4 / 62 引言 全球卫星定位系统，简称 GPS系统，可在全球范围内，全天候为用户连续地提供高精度的位置、速度和时间信息。文中目的就是搭建一个 GPS仿真平台，使得各种信号生成的算法能在该仿真平台上得以仿真实现，以验证
10、算法的性能，从而为信号模拟器的研制提供理论依据。因此对 GPS的卫星信号的仿真必将推动中国自主研制的卫星导航系统的发展。 目前，以 GPS为代表的卫星导航应用产业已成为当今国际公认的八大无线产业之一。随着技术的进步、应用需求的增加， GPS以全天候、高精度、自动化、高效率等显著特点及其所独具的定位导航、授时校频、精密测量等多方面的强大功能，已涉足众多的应用领域，使 GPS成为继蜂窝移动通信和互联网之后的全球第三个 IT经济新增长点。 GPS系统中 P码的捕获通常是先捕获到 C /A码，然后利用 C /A 码调制的导航电文中的转接字 (HOW )所提供的 P码信息对 P码进行捕获。然而， C /
11、A 码的码长短、码速率低，易受敌方干扰和欺骗 , 在强干扰和欺骗的战 争环境下，很难通过 C /A 码来捕获到 P码。因此，直接捕获 P码一直倍受美国军方的关注。产生 P码并对其特性进行分析对进一步研究直接 P码的捕获有着重要的意义。 本设计 所针对的是 GPS卫星信号的伪码仿真，主要是 M序列的生成方法和 P码的编码原理及其仿真。本课题研究思路是： 研究 GPS信号的生成原理和直扩频通信技术基础， M序列和 P码算法原理。 在理论研究的基础上，实现 MATLAB软件生成 M序列和 P码，并对其做简单的相关性分析。 文章最后对仿真过程中实现的功能及出现的为题做出总结，总结论文所做的工作和需要更
12、仔细研究的方向 。 沈阳理工大学学士学位论文 5 / 62 1 GPS 理论及其特性 1.1 GPS 系统概述 全球定位系统（ GPS）是美国政府于 20 世纪 70 年代开始研制，于 1994 年全面建成的高精度、高动态的星际导航定位系统 ，该系统全天候地向全球范围内具有 GPS 接收机用户提供精确、连续的三维位置、三维运动和时间需要。 GPS 信号分为民用的标准定位服务（ SPS， Standard Positioning Service）和军规的标准精确定位服务（ PPS， Precise Positioning Service）。 GPS 目前处于良好的运行状态，并满足 20 世纪 6
13、0 年代所提出的最佳定位系统标准。这个系统向有适当接收设备的全球范围内的用户提供精确、连续的三维位置和速度信息。 GPS 也向全球广播世界协调时（ UTC）。组成卫星星座的 24 颗卫星被安排在6 个轨道平面上，即每个平面上 4 颗。 这样的卫星星座配置确定了卫星某一时刻在轨道中的位置，而为 hi 与地平线以上的卫星数会随着时间和地点的不同而不同，最少可见到颗，最多可见到 11 颗，因此保证了在开放的天空下，地球上和近地空间 任一点在任何时刻均可以同时观测到至少 4 颗 GPS 卫星，为准确定位提供可能。 GPS 系统采用 CDMA（ Code Division Multiple Access
14、，码分多址）技术将在轨的 24 颗卫星分开，每颗卫星使用同样的调制方式在相同的载波频率上调制各自唯一的伪随机码和数据信息，然后使用星载卫星天线发射信号。卫星轨道分布如图 1.1 所示： 沈阳理工大学学士学位论文 6 / 62 图 1.1 卫星轨道分布 沈阳理工大学学士学位论文 7 / 62 1.2 GPS 信号构成 GPS 卫星向广大用户发送的用于导航定位的信号，是一种调制波，但有别于常用的无线电广播电台发送的调频调幅信号，它是利用伪随机噪声码传送导航电文的调相信号。 GPS 卫星信号是目前常用的两种违心导航定位信号之一，它包含有三种信号分量，即载波（ L1 和 L2）、测距码（ C/A 码和
15、 P 码）和数据码（ D 码，亦称基带信号或导航电文）。而这所有这些信号分量都是在同一个基本频率 f0=10.23MHz 的控制下产生的。 GPS卫星信号示意图如图 1.2 所示： 图 1.2GPS 卫星信号频率构成 GPS 卫星发送的 GPS 卫星信号采用 L 波段的两 种载频作载波，分别被称作 L1 的主频率和 L2 的次频率。这些载波频率由扩频码（每一颗卫星均有专门的伪随机序列）和导航电文所调制。所有卫星均在这两个相同的载波频率上发射，但由于伪随机码调制不同，因此无明显的相互干扰。 GPS 使用 L 频段的两种载频为（其中 f0 是卫星信号发生器L1 载波： fL1=154 f0=157
16、5.42 MHz，波长 1=19.032 cm； L2 载波： fL2=120 f0 =1227.6MHz，波长 2=24.42 cm。 选择 L (1）减少拥挤，避免 “ 撞车 ” 。目前 L 波段的频率占用率低于其他波段，与其他工作频率不易发生 “ 撞车 ” (2）适应扩频，传送宽带信号。 GPS 卫星采用扩频技术发送卫星导航电文，其频带高达 20 MHz 左右，在占用率较低的 L 波段上，易于传送扩频后的宽带信号。 在载波 L1 上 调制有 C/A 码、 P 码的数据码，而在载波 L2 上，只有调制有 P 码的数据码。 在无线通信技术中，为了有效地传播信息，一般均将频率较低的信号加载到频
17、率较高的载波上，而这时频率较低的信号成为调制信号。 GPS 信号是一种调 制波，它不仅采用 L 波段的载波，而且采用扩频技术传送卫星导沈阳理工大学学士学位论文 8 / 62 航电文。所谓 “ 扩频 ” ，是将原来打算发送的几十比特速率的电文变换成发送几兆甚至几十兆比特速率的由电文和伪随机噪声码组成的组合码。采用扩频技术时，若信号功率仅为噪声功率的 1/10，那么信号将深深地淹没在噪声之中而不易被他人捕获，从而使得信号具有极强的保密性。 GPS 信号的调制波，是卫星导航电文和伪随机噪声码（Code，简称 PRN 码，或称伪噪声码）的组合码。卫星导航电文是一种不归零二进制码组成的编码脉冲串，称之为
18、数 据码，记作 D(t)，其码率为 50 b/s。对于距离地面 20 000 km之遥的 GPS 卫星，扩频技术能有效地将很低码率的导航电文发送给用户。其方法是用很低码率的数据码作二级调制（扩频）。第一级，用 50 Hz 的 D 码调制一个伪噪声码，例如调制一个被叫做 P 码的伪噪声码，它的码率高达 10.23 MHz。 D 码调制 P 码的结果，便形成了一个组合码 P(t)D(t)，使得 D 码信号的频带宽度从 50 Hz 扩展到 10.23 MHz，也就是说， GPS 卫星从原来要发送 50 b/s 的 D 码，转变为发送 10 230 b/s 的组合码 P(t)D(t)。 在 D 码调制
19、伪噪声码以后，再用它们的组合码去调制 L 波段的载波，实现 D 码的第二级调制，而形成向广大用户发送的已调波。如图 4-1 所示， D 码的数据首先同伪噪声码 C/A 码和 P(Y)码模二相加后，形成组合码 C/A(t)D(t)和 P(t)D(t)，然后才调制 L1 载波。需要注意的是，组合码 C/A(t)D(t)和 P(t)D(t) BPSK）调制到 L1载波上的。在 L1 载波上， C/A(t)D(t)调制和 P(t)D(t)调制在相位上是正交的。因此在这两个合并的 L1 载波频率上的 C/A(t)D(t)调制和 P(t)D(t)调制之间有 90的相移。 L2 载波上的调制过程与 L1 载
20、波大致相同，不同的是 L2 载波可以用 C/A(t)D(t)码、 P(t)D(t)码或者 P(Y)码来调制。最后，卫星向地面发射这两种已调波 L1 和 L2。 沈阳理工大学学士学位论文 9 / 62 图 1.3 GPS 卫星信号的产生 需要注意的是， GPS 信号虽然有几种分量（ C/A 易捕 获 码、 P 精确码和 D 导航数据码），但是它们均来源于一个公共的 10.23MHz 的基准频率（见图 1-1）。它们的频率不仅与基准频率有一定的比例关系，而且相互之间也存在一定的比例关系，详细如表 4-1所示。这既有利于 GPS 卫星发送信号，又便于广大用户接收和测量 GPS 信号。从表 4-1中可
21、以看出，在 D 码的一个码元内，将有 20 460 个 C/A 码码元， 204 600 个 P 码码元，31 508 400 个 L1 周期和 24 552 000 个 L2 周期。 表 1.1 GPS 信号的频率关系 相关频率 基频 F 载频 fL1 载频 fL2 基准频率 F 10.23MHz 154F 120F C/A 码的码频 fg F/10 fL1/1540 fL2/1200 P 码的码频 fp F fL1/154 fL2/120 D 码的码频 fd F/204600 fL2/31508400 fL2/24552000 沈阳理工大学学士学位论文 10 / 62 1.2.1 M 序列
22、 码是一种表达信息的二进制数及其组合，是一组二进制的数码序列。例如，对 0， 1， 2，3 取两位二进制数的不同组合表示为： 00， 01， 10， 11。这些二进制数的组合形式称之为码。其中每一位二进制数称为 1 个码元或 1 比特（ bit）；每个码均含有两个二进制数，即两个码元或两个比特。比特是码的度量单位，也是信息量的度量单位。如果将各种信息，例如声音、图像以及文字等，按某种预定的规则表示为二进制数的组合形式，则这一过程就称为编码，也就是信息的数字化。 在二进制的数字化信息传输中，每秒所传输的比特数称为数码率，用以表示数字化信息的传输速度，其单位为 bit/s(简写为 b/s)。码可以
23、看作是以 0 和 1 为幅度的时间函数，用 u(t)表示。因此，一组码序列 u(t) ，对于某个时刻 t 而言，码元是 0 或 1 完全是随机的，但其出现的概率均为 1/2。这种码元幅 值是完全无规律的码序列，称为随机噪声码序列。它是一种非周期序列，无法复制。但是，随机噪声序列却有良好的自相关性， GPS测距码就是利用了其自身良好的自相关性才获得成功的。 这里，自相关性是指两个结构相同的码序列的相关程度，它由自相关函数描述。为了说明这一问题，可将随机噪声码序列 u(t)平移 k 个码元，获得具有相同结构的新的码序列 u(t)。比较这两个码序列，假定它们的对应码元中，码值（ 0 或 1）相同的码
24、元个数为 Su，而码元相异的码元个数为 Du，那么两者之差 Su-Du 与两者之和 Su+Du（即码元总数）的比值，即定义为 随机噪声码序列的自相关函数，用符号 R(t)表示： (4-1) 在实际应用中，可通过自相关函数 R(t)的取值判断两个随机噪声码序列的相关性。根据自相关函数 R(t)的取值，即可确定两个随机噪声码序列是否已经“相关”，或者说，两个码序列的对应码元是否已完全“对齐”。 假设 GPS 卫星发射一个随机序列 u(t)，而 GPS 信号接收机在收到信号的同时复制出结构与 u(t)完全相同的随机序列 u(t) ，由于信号传播延迟的影响，被接收的随机序列 u(t)与 u(t)之间产
25、生了平移，即对应码元已错开，因而 R(t)0。若通过一个时间延迟器来调整，使它们的码元相互完全对齐，即有 R(t)=1，那么就可以从 GPS 接收机的时间延迟器中，测出卫星信号到达用户接收机的准确传播时间，再乘以光速便可确定卫星至观测站的距离。所以，随机噪声码序列良好的自相关特性为 GPS 测距奠定了基础。 M 序列是 线行 反馈 移位寄存器 产生的周期最长的序列，是多级移位寄存器或其他延迟元件通过线性反馈产生的最长的码序列。 下面以一个四级反馈移位寄存器组成的 m 序列为例来说明，如图 1.4 所示。在时钟脉冲的驱动下，每个存储单元的内容，都按次序由上一级单元转移到下一单元，而最后一个存储单元的内容便为输出。同时，其中某两个存储单元，例如单元 3 和单元 4 的内容进行模二相加后，再反馈输入给第一个存储单元。 uuuu DS DStR )(
