本科毕业设计论文题目PN码产生器的理论研究及MATLAB仿真实现
毕业 任务书
一、题目
PN 码产生器研究及其MATLAB 仿真
二、研究主要内容
1、 了解PN 码的基本定义：PN 码（Pseudo-Noise Code ），是一具有与白噪
声类似的自相关性质的0和1所构成的编码序列，最广为人知的二位元P-N Code 是最大长度位移暂存器序列，简称m-序列， 他具有长 2的N 次方 - 1个位元，m 级暂存器来产生。同时PN 码分长码与短码，在CDMA 中的担当不同的角色。
2、主要研究内容：了解GPS 全球卫星导航定位系统及扩频通信的相关概念，
重点是研究GPS 信号结构，并设计GPS 信号的m 序列和C/A 码及P 码的生成算法，对GPS 的信号结构及特性进行深入了解并明确仿真要达到的目标，再通过对直接序列扩频通信等理论的研究及分析来确定GPS 信号的生成算法[9]，在此过程中，要掌握PN 码相关特性，最终实现GPS 信号的产生，最后在理论证明成立的情况下利用MATLAB 仿真验证他们的随机特性.具体以m 序列发生器为例。
三、主要技术指标
⑴了解GPS 卫星的相关概念及原理，分析GPS 信号的特性及其产生机制，并
掌握扩频通信中伪随机序列的概念和应用；
⑵掌握移位寄存器产生m 序列的基本知识，并熟悉伪随机序列的特性；
⑶掌握C/A 码发生器的原理，以及C/A 码的自相关性及其互相关性，并进行
性能仿真分析；
⑷了解P 码在GPS 系统中的重要地位，掌握俩个子码X1，X2的产生原理，
以及通过X1，X2复合构成的P 码的原理。
四、进度和要求
第1—5 周 查阅相关资料文献，完成开题报告。
第6—10周 进一步解析m 序列、C/A 码、P 码发生器的原理，完成方案设计设计
论文
并用MATLAB进行仿真验证；
第11—16周完成课程设计的全部内容，按要求编写课程设计毕业论文，制作电子演示文稿。
五、主要参考书及参考资料
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摘要
GPS（Global Positioning System）是基于卫星的定位系统，被认定为当前定位导航设备中最重要的发展方向，在军事和民用中有着广泛的应用，并且在日常生活方面是一个难以用数字预测的广阔领域。GPS像移动电话，传真机，计算机互联网对我们生活的影响一样，人们的日常生活也已离不开它。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[1]。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)码两种。目前，伪随机码在扩频通信中的应用非常广泛，这一技术也在卫星导航系统中得到了利用。在GPS中，导航卫星向用户发送的导航定位信号，就是利用伪随机码传送导航电文的调相信号。本文首先介绍了GPS卫星系统的组成，简要论述M序列和伪随机噪声码（P码和C/A码）及其产生，重点研究C/A码的产生原理并用MATLAB软件对C/A码的生成进行了仿真。
关键词：GPS，伪随机码，MATLAB，C/A码
ABSTRACT
GPS (Global Positioning System) satellite-based positioning system, is considered the most important development direction in the current positioning and navigation equipment, has been widely applied in military and civilian. Everyday life is a difficult figure for broad areas. GPS like mobile phones, fax machines, computers and the Internet in our lives, people's daily lives will do without it. The GPS system uses a typical CDMA system, such a spread spectrum modulation signal has a low probability of intercept characteristics. The system is mainly the use of direct sequence spread spectrum modulation techniques, the use of pseudo-code C / A code and P (Y) code two. At present, the pseudo-random code is widely used in spread spectrum communications using this technology is also satellite navigation system. In the GPS navigation satellite navigation and positioning signals sent to the user, it is using to send the navigation message of pseudo-random code phase modulation signal. This paper first describes the composition of the GPS satellite system, and briefly discusses the M sequences and pseudo-random noise code (P code and C / A code) and it focus on the principle of the C / A code and the MATLAB software, C / A code generate the simulation.
KEY WORDS: GPS，pseudo random noise code，MATLAB，C/A code
目录
第一章绪论 (1)
1.1 引言 (1)
1.2 课题研究的意义和目的 (2)
1.3 本文的内容和组织结构 (3)
第二章 GPS系统原理概述 (4)
2.1 GPS卫星信号 (4)
2.2 GPS卫星的载波信号 (7)
2.3 GPS卫星的导航电文 (8)
第三章 GPS信号构成 (9)
3.1 M序列 (9)
3.1.1 m序列产生的原理 (10)
3.1.2 m序列的性质 (11)
3.1.3 m序列特征多项式确定 (13)
3.1.4 GOLD组合码 (14)
3.2 C/A码 (15)
3.2.1 C/A码发生器原理 (16)
3.2.2 C/A码发生器实现结构 (18)
3.2.3 C/A码的自相关系数 (19)
3.2.4 C/A码的互相关系数 (20)
3.3 P码 (20)
3.3.1 P码产生原理 (22)
3.3.2 P码特性 (25)
第四章 GPS卫星导航算法及其MATLAB软件仿真 (26)
4.1 MATLAB软件简介 (26)
4.2 MATLAB功能介绍 (27)
4.3 M序列仿真及其仿真结果 (28)
4.4 C/A码仿真及其仿真结果 (30)
4.5 P码仿真及其仿真结果 (31)
4.6 本章小结 (32)
全文总结 (33)
致谢 (34)
参考文献 (35)
毕设总结 (37)
附录 (38)
第一章绪论
1.1 引言
全球定位系统简称GPS系统，可在全球范围内，全天候为用户连续提供高精度的位置、速度和时间信息。本课题的目的就是搭建一个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。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）。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。
在卫星定位系统领域，美国的技术可谓最常见和最成熟的，该系统是美国历时16年、耗资130亿美元，由军方控制并资助建成的。目前，全球众多国家都在使用这个系统对地面的汽车、海上的船只和天空的飞行器以及卫星、导弹进行全天候的和实时的准确定位，定位精度成10米。如今，GPS已经是全球性的系统，而且满足二十世纪六十年代提出的最佳定位标准。它能向有适当接收设备的全球范围用户提供精确、连续的三维位置和速度信息。而对于用户来说，最重要的就是GPS接收机，接收机根据同时收到的4—8颗卫星的位置信息，应用差分定位原理，每隔1—3秒向用户播报一次其位置(经纬度)、速度、高度和时间信息，以供用户或用户的系统使用[1][12]。
GPS由3个区段组成:卫星星座，地面控制/监视网络和用户接收设备。GPS 卫星星座由24颗分布于平均高度为20200km的6个轨道面的卫星组成，卫星运行周期为n小时58分(12恒星时)。地面监控系统由1个主控站、3个注入站和5个监测站组成，用于跟踪观测GPS卫星，计算卫星星历，监测和控制卫星的健康状况，保持精确的GPS时间系统，向卫星注入导航电文和控制命令。GPS用户设备的核心是GPS接收机，其主要功能是接收并处理GPS卫星发播的导航信号，计算出用户接收机的位置、速度和时间信息[3]。
目前，卫星导航定位系统中大多采用伪码扩频技术。GPS卫星发射的导航信号是将基带信号先经伪随机噪声码（也称伪随机码或者伪码）扩频，再对载频进行BPSK调制形成新的信号，采用这种信号格式，可使系统具有较高的抗干扰能力和保密性，其关键在于使用了自相关特性很强的伪随机码扩频技术，GPS系统中使用了两种伪随机码，一种是时钟速率为10.23MHz 用于精密测距的精确军用码，简称P码；另一种是时钟速率为1.023MHz 用于分址，搜捕卫星信号的粗捕获民用码，简称C/A码。它在一个周期中有1023个码位，周期为1ms。GPS的P 码序列捕获要求首先捕获C/A码序列导航电文中的转换码，以辅助完成捕获P 码。利用C/A码快速、粗略的进行测距，来引导P码进行精确测距。然而，C /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，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P码的捕获有着重要的意义。
1.2 课题研究的意义和目的
GPS系统采用的是直接序列扩频通信体制，在两个 L波段上，分别用伪随机噪声码P码和 C /A码扩频调制了导航电文D码。L1的中心频率为1575.42MHz，L2的中心频率为1227.6MHz。载波信号 L1上调制有 P码、C /A码和 D码，而载波信号L2上只调制P码和D码[6]。
GPS系统中P码的捕获通常是利用C/A码来完成的，用户首先捕获到C/A码，然后利用C/A码调制的导航电文中的握手字(HOW-handover word)所提供的P码信息对P码进行捕获。由于P码在战争中显得十分重要, 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P码的捕获有着重要的意义，而C/A码在民用中也发挥了很重要的作用。
1.3 本文的内容和组织结构
本文研究的题目是GPS卫星系统中PRN码（伪随机码）发生器的理论原理，主要研究的的是C/A码和P码的产生原理。
本文的组织结构如下：
第一章绪论，介绍了GPS全球定位系统的概况，概述了课题的背景、研究意义和目的、国内外研究现状以及伪随机码在GPS卫星系统的重要程度，给出了本文的主要内容和组织结构。
第二章 GPS系统原理概论，主要介绍了GPS系统的组成和GPS信号的组成，并对GPS载波信号和导航电文做了简单介绍，阐述了伪随机码信号。
第三章 GPS信号的构成。主要介绍构成GPS信号的m序列、C\A码、P码；通过了解其性质、原理及结构，深化对GPS信号的进一步认识。
第四章对MATLAB软件的运用做了简单的论述，并通过了解m序列的产生，研究C/A码及P码的产生原理及性质，在MATLAB中对其进行了仿真，这是本章重点。
第二章 GPS系统原理概述
2.1 GPS卫星信号
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f
=10.23MHz的控制下产生的[1][13]。GPS卫星信号示意图如图2.1所示：
基本频率
f0=10.23
MHz
L1 1575.42MHz
C/A码
1.023MHz
P码
10.23MHz
L2 1227.6MHz
P码10.23MHz
50BPS数据码（导航电文、或D
码）
1/10
×154
×120
图2.1 GPS卫星信号频率构成示意图
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[1][6]。GPS使用L频段的两种载频为（其中f
L1载波：f
L1=154×f
=1575.42 MHz，波长λ
1
=19.032 cm；
L2载波：f
L2=120×f
=1227.6MHz，波长λ
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
(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（Pseudo Random Noise 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，称之为数据码，记作D(t)，其码率为50 b/s。对于距离地面20000 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50Hz 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50Hz扩展到10.23 MHz，也就是说，GPS卫星从原来要发送50b/s的D码，转变为发送10230 b/s的组合码P(t)D(t)。
在D码调制伪噪声码以后，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。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。
L1载波
C/A码
导航电文
P码
L2载波
卫星时钟F=10.23MHz ΔΦ=90∑
∑
⊕模2和加法器；调制器；∑信号合成器
图2.1 GPS信号的产生框图
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。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2-1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2-1中可以看出，在D码的一个码元内，将有20460个C/A码码元，204600个P码码元，31508400个L1周期和24552000个L2周期。
相关频率基频F 载频f L1载频f L2
基准频率F 10.23MHz 154F 120F C/A码的码频fg F/10 f L1/1540 f L2/1200
P码的码频f p F f L1/154 f L2/120
D码的码频f d F/204600 f L2/31508400 f L2/24552000
表2.1 GPS信号的频率关系
2.2 GPS卫星的载波信号
GPS卫星的测距码信号和导航电文信号都属于低频信号，其中C/A码和P 码的数码率分别为1.023Mbit/s与10.23Mbit/s,而D码（数据码）的数码率仅为50bit/s。GPS卫星离地面约2×104km，其电能又非常紧张，因此很难将上述数码率很低的信号传输到地面。解决这一难题的办法，就是另外发射一种高频信号，并将低频的测距码信号和导航电文信号加载到这一高频信号上，构成一高频的调制波发射给地面。GPS卫星采用L频带的两种不同频率的电磁波作为高频信
号，分别称为L
1载波与L
2
载波[6]。
其中：L
1
载波的频率f1=1575.42MHz，波长λ1=19.03cm，其上调制C/A码、
P码以及导航电文；L
2
载波的频率f2=1227.6MHz，波长λ2=24.42cm，其上仅调制P码和导航电文。GPS卫星发射信号的频率，都要受卫星上原子钟的基准频率
的控制。GPS微星原子钟基准频率的1/10，而L
1
载波的频率f1为基准频率154
倍，L
2
载波的频率f2则取基准频率f0的120倍。