直接序列扩频通信仿真实现毕业设计

沈阳理工大学

毕业设计（论文）成绩评定

学生姓名：专业：通信工程学号：

题目：直接序列扩频通信仿真实现

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*注：阶段成绩分A、B、C三级：A为全面完成任务、B为完成任务、C为完成

摘要

直接序列扩频通信系统因其抗干扰性强、隐蔽性好、易于实现码分多址（CDMA）、抗多径干扰、直扩通信速率高等众多优点，在个人通信网、无线局域网、第三代移动通信、卫星通信以及军事战术通信等领域得到广泛应用。

本文以扩频通信理论为基础，用MATLAB工具箱中的Simulink通信仿真模块和MATLAB函数对直接序列扩频通信系统进行了仿真分析，在给定条件下运行了仿真程序，得到了预期的结果。本文具体介绍了扩频通信的国内外发展背景和发展趋势，阐明了扩频通信在当今社会的重要性，扩频通信是70年代中期迅速发展起来的一种新型的通信系统，它抗干扰能力、抗衰落能力、抗多径的能力是上述其它通信系统无与伦比的。根据扩频通信的特点和原理，对扩频通信进行具体分析如扩频同步，扩频码序列，扩频增益和抗干扰容限等相关问题进行了具体研究，同时介绍了扩频通信在各个领域的应用，说明了其重要性所在。

关键词：扩频通信；同步；调制；Simulink仿真；解调

Abstract

The direct sequence spread spectrum communication system is widely used in various areas, such as personal communication, networks, wireless local area network, the third generation mobile communications, satellite communications and military tactical communications, because of its many advantages: strong anti-interference, good for hiding, easy to implement code division multiple access (CDMA), anti-multipath interference, and higher DSSS communication rate.

Based on spread spectrum communication theory, By using Simulink, and MATLAB function,the direct sequence spread frequency communication was simulated, and under the given conditions, the simulation program running the expected results. The article specifically on the spread-spectrum communications background and the development of domestic and international development trends, clarify the spread spectrum communication in today's society of the importance of spread spectrum communication is the mid-1970s up to the rapid development of a new type of communications system, and its anti-interference capability, Anti-Fading capacity, multi-path resistance is the ability of these other communication systems incomparable. According to spread-spectrum communications features and principles of spread spectrum communications for a specific analysis such as spread spectrum synchronization, the spreading code sequences, Spreading Gain and interference tolerance, and other issues related to the specific research, Meanwhile on the spread spectrum communication in various fields of application, shows its importance lies. Finally, based on the simulation software MATLAB Simulink tools for dynamic simulation, come out with a complete simulation results, using Simulink summed up the basic methods and steps.

Keywords: Spread spectrum communication; Synchronization; Modulation; Simulink;

Demodulation

目录

1 绪论 (1)

1.1 直接序列扩频通信系统的发展 (1)

1.2 直接序列扩频通信应用背景 (2)

1.3 直接序列扩频通信的特点 (3)

1.4 课题介绍 (4)

2 直接序列扩频通信技术及其理论基础 (5)

2.1 直接序列扩频通信的定义 (5)

2.2 直接序列扩频通信的基本概念 (8)

2.3 直接序列扩频通信的扩频和解扩过程 (9)

3 直接序列扩频通信原理 (11)

3.1 直扩系统的同步 (11)

3.2 扩频码序列的相关性 (18)

3.3 m序列 (20)

3.4 扩频增益和抗干扰容限 (24)

3.5 直扩信号的抗截获性 (25)

3.6 直扩系统的抗多径干扰性能 (25)

3.7 直扩测距定时系统 (26)

3.8 扩频通信的应用领域 (26)

4 直接序列扩频通信系统的Simulink仿真 (29)

4.1 Simulink的介绍 (29)

4.2 Simulink简单建模 (30)

4.3 Simulink仿真技术 (33)

4.3.1 Simulink窗口环境 (33)

4.3.2 功能模块的设置 (36)

4.3.3 Simulink对通信系统的仿真 (38)

4.4 MATLAB源程序设计 (40)

5 仿真结果及分析 (48)

5.1 扩频与解扩的Simulink仿真图 (48)

5.2 BPSK调制的Simulink仿真图 (50)

5.3 编码信道的Simulink仿真图 (52)

5.4 先扩频后调制的扩频通信系统Simulink仿真图 (53)

5.4.1 各模块的主要参数设置 (55)

5.4.2 各示波器所显示的仿真波形 (59)

致谢 (63)

参考文献 (64)

附录A 英文原文 (65)

附录B 汉语翻译 (71)

1 绪论

1.1 直接序列扩频通信系统的发展

直接序列扩频(DSSS— Direct Sequence Spread Spectrum)技术是二战期间开发的，最初的用途是为军事通信提供安全保障, 是美军重要的无线保密通信技术。这种技术使敌人很难探测到信号。即便探测到信号，如果不知道正确的编码，也不可能将噪声信号重新汇编成原始的信号。有关扩频通信技术的观点是在1941年由好莱坞女演员Hedy Lamarr和钢琴家George Antheil提出的。基于对鱼雷控制的安全无线通信的思路，他们申请了美国专利#2.292.387。不幸的是，当时该技术并没有引起美国军方的重视，直到十九世纪八十年代才引起关注，将它用于敌对环境中的无线通信系统。在40年代至50年代，主要进行了信息论的研究，抗干扰理论的研究和编码理论的研究。

在70年代中期这种新型的通信系统迅速发展起来，由于它的抗噪声的特性，直接序列扩频技术非常适合商业应用。在容许无线设备公开使用的电磁环境里，它对其他传统微波设备造成最小的干扰，同时对附近其他设备有更高的抗扰性。同时1977年，IEEE 发表了扩频通信文集。1978年，在日本京都召开的国际无线通信咨询委员会公布了研究成果。

1982年，美国召开第一次军事通信会议，两次报告在军事中的应用。在1985年，美国又提出CDMA(码分多址)的概念同年美国联邦通信委员会(FCC)制定扩频通信的标准和规范，逐步转入民用的商业化研究。上世纪80年代末，晶体电子技术的先进程度已经足以提供商用的、成本效益好的直接序列扩频系统。进入90年代，美国国家航空和航天管理局提出CDMA方式的频谱利用率高于FDMA方式，对扩频通信的研究产生深远影响，其后各公司逐步生产商业产品。

我国自80年代以来亦开展了扩频通信系统的研制工作，在中波和超短波的扩频通信也已有产品用于军事通信上，而短波跳频通信正处于理论探讨和实验阶段随着移动通信的迅猛发展，目前3G系统由研制开发逐步进入商用并且向第四代无线多媒体通信飞速发展。根据ITU的标准，世界各大电信公司联盟均提出了自己的第三代移动通信系统方案，虽然第三代移动通信系统的标准差异很大，但采用码分多址技术已经达成共识。目前国外扩频通信系统发展相当迅速，尤其是中、长波和超短波已相当成熟，已生产出各种类型的扩频通信系统，并广泛地用于多个领域，尤其是资源探测，交通管理部门（如GPS系统）和军事部门，（如海湾战争）均用到这种通信系统。现在直扩技术被广泛应

用于包括计算机无线网等许多领域。扩频技术在发展的初始阶段，就已经实现了理论和技术上的重大突破，在此后的发展过程中主要是硬件的改善和性能的提高。它抗干扰能力、抗衰落能力、抗多径的能力是其它通信系统无与伦比的。随着科技的发展，扩频技术必将获得更加广阔的应用空间。

1.2 直接序列扩频通信应用背景

直接序列扩频(DSSS— Direct Sequence Spread Spectrum)技术是当今人们所熟知的扩频技术之一。这种技术是将要发送的信息用伪随机码（PN码）扩展到一个很宽的频带上去，在接收端，用与发端扩展用的相同的伪随机码对接收到的扩频信号进行相关处理，恢复出发送的信息。

序扩频通信系统的工作原理如图1.1所示。

在发端输入的数字信号信息，先由扩频码发生器产生的扩频码序列去调制数字信号以展宽信号的频谱，扩频码序列一般采用PN码。展宽后的信号再调制到射频发送出去。调制多采用BPSK、DPSK、MPSK等调制方式。

在接收端收到的信号进行解调（一般采用相干解调）。然后由本地产生的与发端相同的扩频码序列去相关解扩。恢复成原输入的信息输出。

图1.1 扩频通信工作原理

由此可见，—般的扩频通信系统都要进行两次调制和相应的解调。一次调制为扩频调制，二次调制为射频调制，以及相应的解扩和射频解调。

与一般通信系统比较，扩频通信就是多了扩频调制和解扩部分。

1.3 直接序列扩频通信的特点

1.直序扩频通信系统的优点：

（1）抗干扰性强

抗干扰是扩频通信主要特性之一，比如信号扩频宽度为100倍，窄带干扰基本上不起作用，而宽带干扰的强度降低了100倍，如要保持原干扰强度，则需加大100倍总功率，这实质上是难以实现的。因信号接收需要扩频编码进行相关解扩处理才能得到，所以即使以同类型信号进行干扰，在不知道信号的扩频码的情况下，由于不同扩频编码之间的不同的相关性，干扰也不起作用。正因为扩频技术抗干扰性强，美国军方在海湾战争等处广泛采用扩频技术的无线网桥来连接分布在不同区域的计算机网络。

（2）隐蔽性好

因为信号在很宽的频带上被扩展，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，别人难以发现信号的存在，加之不知扩频编码，很难拾取有用信号，而极低的功率谱密度，也很少对于其他电讯设备构成干扰。

（3）易于实现码分多址（CDMA）

直扩通信占用宽带频谱资源通信，改善了抗干扰能力，是否浪费了频段。其实正相反，扩频通信提高了频带的利用率。正是由于直扩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作相关解扩才能得到，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，就可以区别不同的用户的信号，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利用。发送者可用不同的扩频编码，分别向不同的接收者发送数据；同样，接收者用不同的扩频编码，就可以收到不同的发送者送来的数据，实现了多址通信，提高了频谱利用率。另外，扩频码分多址还易于解决随时增加新用户的问题。

（4）抗多径干扰

无线通信中抗多径（发射的信号经多条不同路径传播）干扰一直是难以解决的问题，利用扩频编码之间的相关特性，在接收端可以用相关技术从多径信号中提取分离出最强的有用信号，也可把多个路径来的同一码序列的波形相加使之得到加强，从而达到有效的抗多径干扰。

（5）直扩通信速率高

直扩通信速率可达 2M，8M，11M，无须申请频率资源，建网简单，网络性能好。（6）有很强的保密性能。

对于直扩系统而言，射频带宽很宽，谱密度很低，甚至淹没在噪音中，就很难检查到信号的存在。由于直扩信号的频谱密度很低，直扩系统对其它系统的影响就很小。

2.直扩通信系统的不足：

直扩系统除了一般通信系统所要求的同步以外，还必须完成伪随机码的同步，以便接受机用此同步后的伪随机码去对接受信号进行相关解扩。直扩系统随着伪随机码字的加长，要求的同步精度也就高，因而同步时间就长。

1.4 课题介绍

本课题是基于SIMULINK的对扩频通信仿真的实现，对扩频通信从基础理论到仿真都作了详细的介绍。具体的说，本文第一章简要介绍扩频通信的发展史；第二章主要介绍扩频通信及直序扩频通信系统的概念；第三章主要介绍扩频通信的原理及其优点；第四章主要介绍了仿真软件MATLAB/SIMULINK的特点和使用方法，以及怎样使用SIMULINK进行通信仿真；第五章详细介绍了扩频通信在SIMULINK环境下的仿真实现及结果分析，详细讲解各种波形产生的机理以及特点分析。最后提到了本文所用到的参考文献。

2 直接序列扩频通信技术及其理论基础

2.1 直接序列扩频通信的定义

直接序列扩频通信系统（Direct Sequence Spread System, DSSS )简称直扩系统，是目前应用最广泛的扩频系统。早期的一些军事领域的研究开发，例如全球定位系统（Global Position System, GPS)、航天飞机通信用的跟踪和数据中继卫星系统等都是直接序列扩频系统应用的实例。

直接序列扩频系统是将要发送的信息用伪随机序列扩展到一个很宽的频带上去。在接收端，用于发射端扩展用的相同的伪随机序列对接收到的扩频信号进行相关处理，恢复出原来的信息。由于干扰信息与伪随机序列不相关，在接收端被扩展，使落入信号频带内的干扰信号功率大大降低，从而提高了系统的输出信噪比，达到抗干扰的目的。这一定义包含了以下三方面的意思：

一、信号的频谱被展宽了

我们知道，传输任何信息都需要一定的带宽，称为信息带宽。

例如人类的语音的信息带宽为300Hz--- 3400Hz，电视图像信息带宽为数MHz。为了充分利用频率资源，通常都是尽量采用大体相当的带宽的信号来传输信息。在无线电通信中射频信号的带宽与所传信息的带宽是相比拟的。如用调幅信号来传送语音信息，其带宽为语音信息带宽的两倍；电视广播射频信号带宽也只是其视频信号带宽的一倍多。这些都属于窄带通信。

一般的调频信号，或脉冲编码调制信号，它们的带宽与信息带宽之比也只有几到十几。扩展频谱通信信号带宽与信息带宽之比则高达100 --- 1000，属于宽带通信。

二、采用扩频码序列调制的方式来展宽信号频谱

我们知道，在时间上有限的信号，其频谱是无限的。例如很窄的脉冲信号，其频谱则很宽。信号的频带宽度与其持续时间近似成反比。1微秒的脉冲的带宽为1MHz。因此，如果用限窄的脉冲序列被所传信息调制，则可产生很宽频带的信号。

如下面介绍的直接序列扩频系统就是采用这种方法获得扩频信号。这种很窄的脉冲码序列，其码速率是很高的，称为扩频码序列。这里需要说明的一点是所采用的扩频码序列与所传信息数据是无关的，也就是说它与一般的正弦载波信号一样，丝毫不影响信息传输的透明性。扩频码序列仅仅起扩展信号频谱的作用。

三、在接收端用相关解调来解扩

正如在一般的窄带通信中，已调信号在接收端都要进行解调来恢复所传的信息。在扩频通信中接收端则用与发送端相同的扩频码序列与收到的扩频信号进行相关解调，恢复所传的信息。换句话说，这种相关解调起到解扩的作用。即把扩展以后的信号又恢复成原来所传的信息。这种在发端把窄带信息扩展成宽带信号，而在收端又将其解扩成窄带信息的处理过程，会带来一系列好处。弄清楚扩频和解扩处理过程的机制，是理解扩频通信本质的关键所在。

扩频通信系统按扩频方式的不同，分为以下几种类型:

直接序列(DS)扩频，就是直接用具有高码率的扩频码序列在发端去扩展信号的频谱。而在收端，用相同的扩频码序列去进行解扩，把展宽的扩频信号还原成原始的信息。

跳频系统（FH）就是采用跳频（Frequency Hopping）方式进行扩频，形象地说是采用特定的伪码控制的多频率移频键控。所谓跳频，比较确切的意思是：用一定码序列进行选择的多频率频移键控。也就是说，用扩频码序列去进行频移键控调制，使载波频率不断地跳变，所以称为跳频。简单的频移键控如2FSK，只有两个频率，分别代表传号和空号。而跳频系统则有几个、几十个、甚至上干个频率、由所传信息与扩频码的组合去进行选择控制，不断跳变。

跳时系统（TH）就是采用跳时（Time Hopping）方式进行扩频，与跳频相似，跳时(TH－Time Hopping)是使发射信号在时间轴上跳变。首先把时间轴分成许多时片。在一帧内哪个时片发射信号由扩频码序列去进行控制。可以把跳时理解为：用一定码序列进行选择的多时片的时移键控。形象地说是采用特定的伪码控制的多时片的时移键控; 混合系统就是直扩,跳频和跳时的相应组合即DS/FH/TH混合系统。由于简单的跳时抗于拢性不强，很少单独使用。跳时通常都与其他方式结合使用，组成各种混合方式。

宽带线性调频(Chirp Modulation)工作方式，简称Chirp方式,如果发射的射频脉冲信号在一个周期内，其载频的频率作线性变化，则称为线性调频。因为其频率在较宽的频带内变化，信号的频带也被展宽了。这种扩频调制方式主要用在雷达中，但在通信中也有应用。发端有一锯齿波去调制压控振荡器，从而产生线性调频脉冲。它和扫频信号发生器产生的信号一样。在收端，线性调频脉冲由匹配滤波器对其进行压缩，把能量集中在一个很短的时间内输出，从而提高了信噪比，获得了处理增益。匹配滤

波器可采用色散延迟线，它是一个存储和累加器件。其作用机理是对不同频率的延迟时间不一样。如果使脉冲前后两端的频率经不同的延迟后一同输出，则匹配滤波器起到了脉冲压缩和能量集中的作用。匹配滤波器输出信噪比的改善是脉冲宽度与调频频偏乘积的函数。一般，线性调频在通信中很少应用。

在上述几种基本的扩频方式的基础上，可以组合起来，构成各种混合方式。例如DS／FH、DS／TH、DS／FH／TH等等。一般说来，采用混合方式看起来在技术上要复杂一些，实现起来也要困难一些。但是，不同方式结合起来的优点是有时能得到只用其中一种方式得不到的特性。例如DS／FH系统，就是一种中心频率在某一频带内跳变的直接序列扩频系统。对于DS／TH方式，它相当于在扩频方式中加上时间复用。采用这种方式可以容纳更多的用户。在实现上，DS本身已有严格的收发两端扩频码的同步。加上跳时，只不过增加了一个通－断开关，并不增加太多技术上的复杂性。对于DS／FH／TH，它把三种扩频方式组合在一起，在技术实现上肯定是很复杂的。但是对于一个有多种功能要求的系统，DS、FH、TH可分别实现各自独特的功能。因此，对于需要同时解决诸如抗干扰、多址组网、定时定位、抗多径和远－近问题时，就不得不同时采用多种扩频方式。

除此以外，扩频通信还具有如下特征:

它是一种数字传输方式；

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；

在接收端使用相同的扩频函数对扩频信号进行相关解调，还原出被传信息。根据香农(C.E.shannon)在信息论研究中总结出的信道容量公式，即香农公式：

C = W×Log2(1+S/N)（2.1）

式中：C--信息的传输速率S--有用信号功率W--频带宽度N--噪声功率

由式中可以看出：

为了提高信息的传输速率C，可以从两种途径实现，既加大带宽W或提高信噪比S/N。换句话说，当信号的传输速率C一定时，信号带宽W和信噪比S/N是可以互换的，即增加信号带宽可以降低对信噪比的要求，当带宽增加到一定程度，允许信噪比进一步降低，有用信号功率接近噪声功率甚至淹没在噪声之下也是可能的。扩频通信就是用宽带传输技术来换取信噪比上的好处，这就是扩频通信的基本思想和理论依据。

扩频通信是数字通信，特别适合数字话音和数据同时传输，扩频通信自身具有加密功能，保密性强，便于开展各种通信业务。扩频通信容易采用码分多址、语音压缩等多项新技术，更加适用于计算机网络以及数字化的话音、图像信息传输。

2.2 直接序列扩频通信的基本概念

所谓直接序列扩频(Direct Sequence Spread Spectrum）系统是将要发送的信息用伪随机码（PN码）扩展到一个很宽的频带上去，在接收端，用与发端扩展用的相同的伪随机码对接收到的扩频信号进行相关处理，恢复出发送的信息。其特点如下：（1）直扩信号工作中信噪比比较低。

（2）频谱的扩展是直接由高码率的扩频码序列进行调制而得到的。

（3）扩频码序列多采用伪随机码，也称为伪噪声(PN)码序列。

（4）扩频调制方式多采用BPSK或QPSK等幅调制。扩频和解扩的调制解调器多采用平衡调制器，制作简单又能抑制载波。

（5）模拟信息调制多采用频率调制(FM)，而数字信息调制多采用脉冲编码调制(PCM)或增量调制(DM)。

（6）接收端多采用产生本地伪随机码序列对接收信号进行相关解扩，或采用匹配滤波器来解扩信号。

（7）扩频和解扩的伪随机码序列应有严格的同步，码的搜捕和跟踪多采用匹配滤波器或利用伪随机码的优良的相关特性在延迟锁定环中实现。

（8）一般需要用窄带通滤波器来排除干扰，以实现其抗干扰能力的提高。

2.3 直接序列扩频通信的扩频和解扩过程

图2.2 信息的频谱扩展过程

图2.3 扩频信号的解扩过程

由上图易得如下结论：

（1）在发端，信息码经码率较高的PN码调制以后，频谱被扩展了。在收端，扩频信号经同样的PN码解调以后，信息码被恢复；

（2）信息码经调制、扩频传输、解调然后恢复的过程，类似与PN码进行了二次"模二相加"的过程。

（3）待传信息的频谱被扩展了以后，能量被均匀地分布在较宽的频带上，功率谱密度下降；

（4）扩频信号解扩以后，宽带信号恢复成窄带信息，功率谱密度上升；

（5）相对与信息信号，脉冲干扰只经过了一次被模二相加的调制过程，频谱被扩展，功率谱密度下降，从而使有用信息在噪声干扰中被提取出来。

3 直接序列扩频通信原理

3.1 直扩系统的同步

任何数字通信系统都是离散信号的传输，要求收发两端信号在频率上相同和相位上一致，才能正确地解调出信息。扩频通信系统也不例外。一个相干扩频数字通信系统，接收端与发送端必须实现信息码元同步、PN码码元和序列同步和射频载频同步。只有实现了这些同步，直扩系统才能正常的工作。可以说没有同步就没有扩频通信系统。同步系统是扩频通信的关键技术。在上述几种同步中，信息码元时钟可以和PN 码元时钟联系起来，有固定的关系，一个实现了同步，另一个自然也就同步了。对于载频同步来说，主要是针对相干解调的相位同步而言。常见的载频提取和跟踪的方法都可采用。因此，这里只重点讨论PN码码元和序列的同步。

同步系统的作用就是要实现本地产生的PN码与接收到的信号中的PN码同步，即频率上相同，相位上一致。同步过程一般说来包含两个阶段：

(1)接收机在一开始并不知道对方是否发送了信号，因此，需要有一个捕获过程，即在一定的频率和时间范围内搜索和捕获有用信号。这一阶段也称为起始同步或粗同步，也就是要把对方发来的信号与本地信号在相位之差纳入同步保持范围内，即在PN码一个时片内。

(2)一旦完成这一阶段后，则进入跟踪过程，即继续保持同步，不因外界影响而失去同步。也就是说，无论由于何种因素两端的频率和相位发生偏移，同步系统能加以调整，使收发信号仍然保持同步。

一般说来，在发射机和接收机中采用精确的频率源，可以去掉大部分频率和相位的不确定性。但引起不确定性的因素有以下一些：

(1) 收发信机的距离引起传播的延迟产生的相位差；

(2) 收发信机相对不稳定性引起的频差；

(3) 收发信机相对运动引起的多普勒频移；

(4) 以及多径传播也会影响中心频率的改变。

因此，只靠提高频率源的稳定度是不够的，需要采取进一步提高同步速率和精度的方法。

图3.1 同步原理框图

接收到的信号经宽带滤波器后，在乘法器中与本地PN码进行相关运算。此时搜捕器件，调整压控钟源，调整PN码发生器产生的本地脉序列伪重复频率和相位，以搜捕有用信号。一旦捕获到有用信号后，则起动跟踪器件，由其调整压控钟源，使本地PN码发生器与外来信号保持同步。如果由于采样原因引起失步，则重新开始新的一轮搜捕和跟踪过程。

因此，整个同步过程，是包含搜捕和跟踪两个阶段闭环的自动控制和调整过程。

起始同步：搜捕

搜捕的作用就是在频率和时间(相位)不确定的范围内捕获有用的PN码信号使本地PN码信号与其同步。由于解扩过程通常都在载波同步之前进行，载波相位在这里是未知的。

大多数搜捕方法都利用非相干检测。所有的搜捕方法的共同特点是用本地信号与收到的信号相乘(即相关运算)，获得二者相似性的量度，并与一门限值相比较，以判断其是否捕获到有用信号。如果确认为捕获到有用信号，则开始跟踪过程，使系统保持同步。否则又开始继续搜捕。

下面介绍三种常用的搜捕方法：

(1)滑动相关搜捕法

当收到的PN码序列与本地PN码序列的钟频不同时，在示波器上可以看到两个