基于軟件無線電的直擴通信終端設(shè)計 - 全文

?引 言

　　直接序列擴頻通信是擴頻通信技術(shù)中的一種， 具有抗干擾、抗多徑衰落、抗阻塞能力強， 以及頻譜利用率高、保密性好、截獲率低、易于組網(wǎng)、進行高精度測距等諸多優(yōu)點。

　　本文提出了一種基于軟件無線電的直擴系統(tǒng)的設(shè)計方案。給出了各項設(shè)計參數(shù)指標(biāo)， 并對所提出的設(shè)計方案進行了仿真 驗證。

　　1? 系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

　　基于軟件無線電的直擴通信終端采用對中頻進行數(shù)字化采樣， 由軟件編程實現(xiàn)信號的擴頻、調(diào)制、解擴、解調(diào)等數(shù)字信號處理。本文重點介紹直擴通信終端的中頻數(shù)字處理的具體實現(xiàn)方案。直擴通信終端的結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示。

　　信號發(fā)射時， 信息經(jīng)過信源、信道編碼后， 與擴頻偽碼進行相乘擴頻。為了使擴頻后的基帶信號與后面的DAC 的轉(zhuǎn)換速率相匹配， 在正交調(diào)制之前必須通過內(nèi)插把低速率的擴頻基帶信號提升到DAC 的轉(zhuǎn)換速率上。內(nèi)插后的數(shù)據(jù)通過成形濾波器， 以消除碼間干擾和高頻鏡像干擾， 內(nèi)插濾波后的擴頻基帶信號與載波相乘實現(xiàn)數(shù)字調(diào)制， 之后通過高速DAC 轉(zhuǎn)換成中頻模擬信號。

　　信號接收時， 中頻模擬信號經(jīng)過高速ADC 采樣后， 與本地載波相乘進行正交下變頻至零中頻， 經(jīng)抽取濾波后， 送入偽碼同步環(huán)進行偽碼捕獲跟蹤。偽碼同步后， 再經(jīng)過信號解擴解調(diào)以及相應(yīng)的信道和信源解碼。

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圖1 直擴通信終端結(jié)構(gòu)框圖

　　2? 系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計

　　直擴通信終端參數(shù)約束主要有如下幾個方面:

　　( 1) 信息數(shù)據(jù)的傳輸速率: 由于該直擴通信終端主要用于低速率數(shù)據(jù)通信以及語音通信， 而且目前語音編碼( 如CELP、AMBE 編碼) 后的數(shù)據(jù)速率一般為2! 4 Kb/ s， 4 Kb/ s， 4! 8 Kb/ s， 8 Kb/ s， 9! 6 Kb/ s。因而在信息速率的選擇上設(shè)定信息速率為8 Kb/ s， 信道編碼采用碼率為1/ 2 的卷積編碼。因此待擴頻的數(shù)據(jù)速率為16 Kb/ s。

　　( 2) 擴頻偽碼類型以及階數(shù): 由于所設(shè)計直擴通信終端目前完成的是點對點的通信， 因而為了簡便起見，在直擴通信終端中采用m 序列作為擴頻偽碼。若m 序列的長度太長， 則不僅增長了接收機的捕獲時間還增加了接收機結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性。若m 序列長度太短， 則中頻數(shù)字化直擴通信終端的抗干擾能力減弱。因而采用折中方式， 采用11 階的m 序列作為中頻數(shù)字化直擴通信終端的擴頻偽碼。

　　( 3) 擴頻處理增益: 擴頻增益是直擴通信的一個重要參數(shù)， 反映了系統(tǒng)抗干擾能力的強弱， 是對信噪比改善程度的度量， 其定義為接收機輸出信噪功率比與接收機的輸入信噪功率比之比， 即:

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　　其中: B RF 為擴頻后的帶寬; Bb 為基帶數(shù)據(jù)帶寬; Rc 為擴頻后的偽碼速率; Rb 為基帶數(shù)據(jù)速率。在本設(shè)計中，為了提高頻帶利用率， 考慮到所允許的最大帶寬， 這里設(shè)計偽碼的速率為4. 096 Mb/ s。因而， 可以得到中頻數(shù)字化直擴通信終端的處理增益為24 dB。

　　( 4) 數(shù)字調(diào)制方式和中頻載頻: 由于DPSK 信號采用帶判決反饋結(jié)構(gòu)的叉積鑒頻環(huán)不僅可以消除頻偏， 而且還可以進行差分解調(diào)， 從而不需要載波的相位同步， 簡化了接收機的電路設(shè)計。因而采用DPSK 作為中頻數(shù)字化直擴通信終端的數(shù)字調(diào)制方式。

　　在中頻載頻的選擇上， 采用21.4 MHz為中頻數(shù)字化直擴通信終端的中頻載頻。

　　( 5) 偽碼同步電路: 對于偽碼捕獲電路框架， 采用非相干串行捕獲法。其中的積分清洗濾波器可用累加器或者匹配濾波器來代替。由于直擴通信終端采用先解擴后解調(diào)， 在解擴之前無法得到精確的載波相位和載頻， 因此偽碼跟蹤電路采用非相干超前延時鎖相環(huán)。

　　3? 仿真結(jié)果

　　由于偽碼速率為4.096 Mb/ s， 故由采樣定理可知至少需8.192 MHz 的采樣頻率對偽碼采樣， 考慮到偽碼跟蹤電路延遲超前鎖相環(huán)的方便設(shè)計， 采用16.384 MHz的采樣速率對偽碼進行采樣， 即一個偽碼采四點。因而信息信號經(jīng)擴頻后得到的基帶擴頻信號速率為16.384 Mb/ s， 而DAC 轉(zhuǎn)換速率設(shè)定為81.92 Mb/ s，所以為匹配數(shù)據(jù)速率需要對基帶擴頻信號進行內(nèi)插， 內(nèi)插因子為81. 92/ 16. 384= 5。接收過程為發(fā)送過程的反過程， 抽取因子等于內(nèi)插因子也為5。

　　為了提高頻譜利用率， 消除碼間干擾， 需要使用成形濾波器對擴頻后的碼片進行成形濾波。在中頻數(shù)字化直擴通信終端設(shè)計中為了節(jié)省電路資源， 把成形濾波器設(shè)計為既起碼片成形作用， 又起內(nèi)插濾波作用。為了降低濾波器的數(shù)據(jù)吞吐率， 這里采用多項濾波結(jié)構(gòu)。基帶擴頻信號在內(nèi)插了5 倍后， 速率達(dá)到了81. 92 Mb/ s，因而濾波器的采樣頻率為81.92 MHz。由于采用DBPSK調(diào)制， 偽碼速率為4.096 Mb/ s， 因調(diào)制后的信號3 dB 帶寬為4.096 MHz， 因此濾波器的截止頻率只要為2. 048 MHz 即可， 但為了能較好地濾出信號頻率，在中頻數(shù)字化直擴通信終端中， 設(shè)定濾波器的截止頻率為4.096 MHz， 從而既滿足了內(nèi)插濾波的要求又滿足了碼片成形的要求。由于收發(fā)過程中都使用了成形濾波器， 所以成形濾波器采用平方根升余弦濾波器。

　　根據(jù)所設(shè)定的參數(shù)， 進行了直擴通信終端的擴頻調(diào)制仿真， 發(fā)射部分Matlab 仿真結(jié)果如圖2 所示。

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圖2 直擴通信終端擴頻調(diào)制仿真

　　由圖2 可知， 信息數(shù)據(jù)經(jīng)過擴頻之后， 其頻譜在整個頻段中得到了擴展， 再與載頻為21. 4 MHz 的載波相乘實現(xiàn)數(shù)據(jù)的上變頻( 即DPSK 調(diào)制) 。

　　在接收端， 信號經(jīng)過下變頻、抽取后， 采用串行捕獲方法， 偽碼捕獲同步后， 便可進行信號的解擴工作， 解擴后的仿真波形如圖3 所示。

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圖3? 偽碼解擴后信號波形。

　　由圖3 可以看出， 信號經(jīng)過相關(guān)解擴處理后， 有用信號被解擴， 其功率譜集中于信息帶寬內(nèi)。而無用信號通過相關(guān)器后， 頻譜雖然大大的展寬了， 但信號在整個頻帶內(nèi)的能量不變。

　　解擴后的信號經(jīng)過低通濾波， 信息解調(diào)后得到如圖4所示。接收到的擴頻信號經(jīng)過正交下變頻、抽取濾波、偽碼同步、低通濾波和信息解調(diào)后得到的信息數(shù)據(jù)與所發(fā)送的信息數(shù)據(jù)完全一樣。

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圖4 解調(diào)出來的信息。

　　4? 結(jié) 語

　　主要討論了擴頻通信中的直擴通信系統(tǒng)的軟件無線電實現(xiàn)結(jié)構(gòu)及其參數(shù)設(shè)計， 包括擴頻偽碼類型、擴頻增益、中頻選取、偽碼同步電路等， 并用Mat lab仿真了該方案。仿真結(jié)果表明方案的可行性。

　　同時表明該設(shè)計方案具有體積小， 靈活性好，低功耗， 擴展性強等優(yōu)點。

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