基于MATLABGUI的Costas环性能演示软件实现学士学位论文.docx
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基于MATLABGUI的Costas环性能演示软件实现学士学位论文
分类号：
TD65+5.2UDC：
D10621-408-（2010）0481-0
密级：
公开编号：
2006021086
成都信息工程学院
学位论文
基于MATLABGUI的Costas环性能演示软件实现
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申请学位专业：
电子信息工程
申请学位类别：
工学学士
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毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明
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本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。
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导师签名：
日期：
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基于MATLABGUI的Costas环性能演示软件实现
摘要
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MatlabGUI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：
MATLABGUI；Costas环；载波跟踪
PerformancePresentationSoftwareForCostasLoopBasedOnMatlabGUI
Abstract
CostasloopistheexclusivelooptodecodeBSB（BotheSide-band）inhibitioncarriersignalsandPSK（PhaseShiftingKeying）signalsliketwo-phaseorfour-phaseones.Itwillbeabestchoiceifcodesaredemodulatedinreverse,becauseCostasloopworksincarrierfrequency.AsauniversalwaytoregainBPSKcarrierwaves,Costasloopissubstantiallyadegenerativecircuit,enableittoreconcilethelocalcarrierwaves’phaseorfrequencywithcarriersignal.Ithasmanygoodpropertiessuchascarriertracking,demodulationtracking,etc.However,thereexistsun-balancebetweeninphasecircuitbranchesandorthogonalonesaswellasunavoidablezerodriftintraditionalanalogCostasloop,sothatthosepropertiesareaffected.Meanwhile,itisdifficultforanalogCostaslooptodemodulate,whilethedigitalCostasloopcanfigureouttheaboveproblemsbetter.
ThistextadoptstwowaystorealizethetrackingofcarrierwareforCostasloop.ThefirstmethodistoprogramwiththesoftwaresystemofMatlab,byalteringthevalueofparametertoobservethesituationwhichthetrackingofcarrierware.AnalternativemethodistosimulateduringtheMatlabGUI,bydrivingthevalueofrealsignalfrequencyandsnrtoobservethesituationwhichthetrackingofcarrierware.Finally,comparewiththetwoways,thegraphresultsareconsistent.So,theresearchachivetheexpectedresultandobjective.
Keywords:
MATLAB;Costasloop；CarrierTracking
目录
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MATLBGUI的Costas环性能演示14
4.1基本思路14
5效果图及分析14
5.1Costas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，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，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：
①低截获概率；②抗干扰能力强；③高精度测距；④多址接入；⑤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（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MATLABGUI的Costas环性能演示软件实现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MATLABGUI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、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时使用同一频率通信，从而实现了频率复用，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[2][3]。
图2-2锁相环解调器原理图
输入到锁相环解调器a点的信号为
，经锁相环锁定且同步了的压控振荡器（VCO）输出（
）相乘，滤波器输出为
。
在二进制移相键控信号中，当
时，符号检测器输出“1”码；当
时，符号检测器输出“0”码，这样基带数字信号恢复出来了。
如果锁相环跟踪输入信号的频率而不是它的相位，它就变成了一个调频解调器或FSK解调器，再稍加扩展就可构成为一个相干调幅检测器。
如图2-2所示，虚线上部为调频信号（或FSK）解调器，虚线下部是附加电路的输出振幅信号的解调器。
当环路锁定时，输入信号与压控振荡器（VCO）信号相差
。
在附加电路中，移相器把压控振荡器输出信号再相移
送到第二个鉴相器。
经一项后的信号就与输入信号同相，两个信号相乘的结果，在低通滤波器后的输出就是所要求的振幅信号A；而未加附加电路的锁相环解调器从P点输出调频信息
。
解调振幅信息时，
为已知值；解调调频信息时A为已知值。
图2-3调频信号锁相环解调器和附加有完成振幅相干解调器原理图
尽管在基带解调器之前的相关解扩过程中，对输入到扩频接收机的各种干扰已进行了处理，但解调器之前的中频滤波是带通型的，落到铜带内的噪声和干扰信号，必然要进入解调器中，环路在有干扰条件下能否完成最佳解调任务，取决于锁相环路的参数和部件的设计。
2.2.2载波同步
载波同步是指在相干解调时，接收端需要获得一个与发送端同频同相的相干载波。
这个载波的获取称为载波提取或载波同步。
图2-4载波同步
载波同步的方法可分为：
插入导频法和直接法。
直接法也称自同步法。
这种方法是设法从接收信号中提取同步载波。
直接法可分为：
平方变换法、平方环法和Costas环法。
而平方变换法和平方环法存在很大的问题：
1、载波提取的方框图中用了一个二分频电路，由于分频器点的不确定性，使其输出的载波相对于接收信号相位有
的相位模糊。
2、相位模糊对模拟通信关系不大，因为人耳听不出相位的变化。
3、相位模糊对数字通信的影响有可能使2PSK相干解调后出现“反向工作”的问题，克服相位模糊度对相干解调影响的最常用而又有效的方法使采用相对移相（2DPSK），并且在解调后进行差分译码恢复信息。
Costas环中，压控振荡器（VCO）提供两路互为正交的载波，与输入接收信号分别在同相和正交两个鉴相器中进行鉴相，经低通滤波之后的输出均含调制信号，两者相乘后可以消除调制信号的影响，经环路滤波器得到仅与相位差有关的控制压控，从而准确地对压控振荡器进行调整。
2.3Costas锁相环
该方法也称同相正交环法，加于两个相乘器的本地信号分别为压控振荡器器的输出信号
和它的正交信号
，一般设置为与要提取的载波频率非常接近的频率值，因此通常称这种环路为同相正交环，有时也称这种环路为科斯塔斯（Costas）环。
通信系统中常使用多相位移相调制，同样可以使用多项Costas环的方法实现载波信号的提取。
图2-5costas锁相环原理图
科斯塔斯的基本结构图如图2-5所示，它类似图2-3有附加电路的普通锁相环，而且在某些方面这两者确实一样，压控振荡器（VCO）也用来产生载波参考信号，它与输入信号同相相乘及相移
再相乘，相乘器再经过低通滤波器输出。
它们的差别在于增加了第三个相乘器，而两路低通滤波器的输出都加到第三个相乘器上，用它的输出经环路滤波后去控制环路的压控振荡器[1]。
先不考虑噪声时，输入信号为
（双向调制）加到I和Q两个相乘器，它们分别和环路VCO产生的
和
相乘，则这两个相乘器输出，对I相乘器为
[1]（2-1）
对Q相乘器为
（2-2）
其中，
当它们通过低通滤波器后，就变为
和
。
这两个包含相移键控信息和载波相位的信号再加到第三个相乘器相乘就得到
，并经过滤波之后，这个信号就用来校正环路VCO的振荡频率和相位，使它跟踪输入载波（实际上没有输入载波信号，科斯塔斯解调器的目的正是用于教条双边带抑制载波信号）。
信息可以从两个地方得到，这取决于调制方法，有数据传输产生的PSK信息在相乘器I的数据滤波器的输出端得到；调制信息由环路内低通滤波器输出端得到。
科斯塔斯环没有幅度输出，也不能得到“存在信号”“锁定”或相干自动增益控制信号。
滤波器I的输出为
，当
很小时，输出等于
，而
就是所要的二进制信号，要着重指出的是，这时环路不知道，也无法知道哪个是“1”码，哪个是“0”码。
因此必须使用本身不会模糊的DPSK或确定性比特字传输调制方式。
科斯塔斯环性能超过一般锁相环的主要优点是它能够解调相移键控和抑制了载波的信号[1][2]。
科斯塔斯环又称“I-Q”环，它在噪声性能上与平方环完全等效，为说明这一点，我们采用与平方环一样的分析方法。
在考虑噪声对环路影响时，我们假设输入到环路的信号为
（2-3）
加性窄带噪声为
（2-4）
在
的作用下，图2-5中，相乘器I的输出
经低通滤波器后为
；相乘器Q的输出为
，经低通滤波器后输出的
。
和
在第三个相乘器相乘输出为
。
如同平方环一样的分析方法，鉴相器I的输出为
（2-5）
经低通滤波器后成为
（2-6）
同理
（2-7）
（2-8）
第三个相乘器输出为
（2-9）
3GUI图形界面
3.1图形用户界面（GUI）的优势
MATLAB是当今科研领域最常用的应用软件之一，它具有强大的矩阵计算、符号运算和数据可视化功能，是一种简单易用、可扩展的系统开发环境和平台。
MATLAB GUI设计使读者不必深入掌握面向对象的编程语言，也能设计出精美的人机界面。
与Visual C++相比，MATLAB GUI具有学习起点低（只需要了解MATLAB的基本操作和C语言的基础知识）、易学易懂、开发周期短的优点，设计出来的界面，完全可与Visual C++编写的界面媲美。
纵观国际相关产业在图形化用户界面设计方面的发展现状，许多国际知名公司早已意识到GUI在产品方面产生的强大增值功能，以及带动的巨大市场价值，因此在公司内部设立了相关部门专门从事GUI的研究与设计，同业间也成立了若干机构，以互相交流GUI设计理论与经验为目的。
随着中国IT产业，移动通信产业，家电产业的迅猛发展，在产品的人机交互界面设计水平发展上日显滞后，这对于提高产业综合素质，提升与国际同等业者的竞争能力等等方面无疑起了制约的作用。
3.2GUI界面简述
GUI是GraphicalUserInterface图形用户界面的意思，像很多高级编程语言一样，Matlab也有图形用户界面开发环境，随着计算机技术的飞速发展，人与计算机的通信方式也发生的很大的变化，从原来的命令行通信方式（例如很早的DOS系统）变化到了现在的图形界面下的交互方式，而现在绝大多数的应用
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