（通信与信息系统专业论文）扩频系统技术研究及其实现.pdf

摘要 扩频通信是现代通信领域中的一种重要的通信方式，具有较强的抗干扰、抗 多径性能以及频谱利用率高、支持多址通信等诸多优点，因而得到了广泛的应用。 本文主要阐述了一种采用直接序列扩频技术进行无线通信的实际系统设计方案， 并在包含d s p 、f p g a 等可编程逻辑器件的软件无线电硬件平台上予以具体实现。 设计并实现的扩频通信系统具有的功能包括基带部分的组帧及解帧功能、对输入 输出数据进行增加校验冗余、卷积编码和块交织等处理功能及其对应得逆处理功 能、以及扩频、脉冲成型、调制、上下变频、解调、解扩等功能。其中信息组帧 和编码部分是在t i 公司的t m s 3 2 0 c 6 7 1 1d s p 上通过使用c 语言实现的；扩频和 调制解调等功能部分是在x i l i n x 公司的v h t e x - 4 系列f p g a 芯片上使用v h d l 和 v a r i l o g 语言实现的。论文的最后对设计实现的扩频通信系统进行了相关的仿真和 硬件测试，结果验证了方案的可行性。 关键词；数字匹配滤波器扩频通信系统可编程逻辑器件 a b s t r a c t s p r e a ds p o c t n n nc o m m u n i c a t i o ni sas i g n i 丘锄tt e c h n o l o g yi nm o d e r n c o m m u n i c a t i o nf i d d i ti sw i d e l ya p p l i e db f ，3 a l l s eo ft h ea d v a n t a g e ss u c ha si t sg o o d p e r f o r m a n c eo na n t i - j a m m i n g , a n t i - m u l t i - p a t h , h i 曲u s a g eo fs p e c t r u m , m u l t i p l ea c c 冶t m c o m m u n i c a t i o ne t c i nt h i sp a p e r , a u t h o rd e s c r i b e sa d e s i g no fa na c t u a ls y s t e mw h i c h u s 嚣d i r e c ts e q u e n c es p r e a ds p e c t r u mt e d m o l o g yf o rw i r d e s sc o m m u n i c a t i o na n d i m p l e m e n t a t i o no nt h es o f t w a r er a d i oh a l - a w a r ep l a t f o r mb a s e d0 1 1p r o g r a m m a b l el o g i c d e v i c e , s u c ha sd s pa n df p g a t h ef u n c t i o no f t h es p r e a ds p e c t r u mc o m m u n i c a t i o n s y s t e md e s i g n e da n di m p l e m e n t e di n c l u d e se n f r a m e d e f i - a m eo fb a s e b a n da n dd a m p r o c e s s i n g , s u c h 雒a d d i n gc r c c o n v o l v ec o d i n g , i n t e r w e a v ea n dt h e i ri n v e r s e p r o c e s s i n g i ta l s oi n c l u d e sf u n c t i o no fd s d c s p r c a d i n g , s h a p i n g f i l t e r i n g , m o d u l a t i o n d e m o d u l a t i o na n du d c d d c s p e c i 矗n 弘i n f o r m a t i o nf l a m i n ga n dc o d i n g 粥i m p l e m e n t e d i nt h e d s p ( c 6 0 0 0c h i p s o ft d w r t e ni ncl a n g u a g e d s d e s p r c a d i n g , m o d u l a t i o n d e m o d u l a t i o na n do t h e rm o d u l e sa r ei m p l e m e n t e di nt h e f p g ao 掀- 4c h i p so fx l i n x ) , w r i t t c ni nv h d la n dv c r i l o gl a n g u a g e f i n m l y , r e l a t e ds i m u l a t i o na n dh a r d w a r et e s t i n gr e s u l t so ft h ed e s i g n e ds s c sd e m o n s t r a t et h e f e a s i b i l i t yo f t h ep r o j e c t k e y w o r d s ：d i g i t a lm a t c hf i l t e r m d s p r e a ds p e c t r u mc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ( s s c s ) p r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ( p l d ) 创新性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标 注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中做了明确的说 髓并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：墨日期垄盟星：碰 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。 学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。( 保密的论文 在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在年解密后适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 马己日期丝翌兰：f ：纱 e t 期幽：i ：f 第一章绪论 第一章绪论 l 1 引言 扩频通信的研究起源于第二次世界大战，目的是在敌方控制区内提供一种保 密通信的方法。2 0 世纪7 0 年代之前，这项工作大部分在暗中进行。世界上第一个 直接序列扩频系统是1 9 4 9 年在美国的联邦通信实验室( f t l ) 由d e r o s a 和r o g o f f 完成的，成功地工作在n e wj e r s e y 和c a l i f o m i a 之间的通信线路上。随后理论研究 紧跟其上，1 9 5 0 年b a s o r e 首先提出把这种扩频系统称做n o i m a c s 。1 9 5 1 年后， 美国的陆军通信军团要求进一步研究n o m a c s ，想把它应用于高频无线电通信线 路，以对抗敌人的干扰。1 9 5 2 年l i n c o l nl a b o r a t o r y 研制出p 9 d 型n o m a c s 系统， 并进行了实验。以后在1 9 5 3 年至1 9 5 5 年期间，l i n c o l n l a b 研制出了f 9 c 型无线 电传机系统。很快，美国海军和空军也开始研究他们自己的扩频系统，空军使用 名称为“p h a t o m ”和“h u s h - u p ”，海军使用名称为。b l a d e s ”。那时设备庞大，采 用电子管设计，应用受到了限制。在晶体管出现后，特别是集成电路出现后，才 使扩频系统得到广泛使用【l 】。 1 9 7 7 年，( 美国) 电气及电子工程师学会( m e e ) 发表了第一篇有关扩频的学 术论文。此后一些学术论文相继发表，相关书籍也相继出版。随着时间的推移， 最初只是用于军事领域的扩频通信系统越来越多地被用在民间通信中，一个开始 为军事应用而开发的现代扩频通信系统全球定位系统( g p s ) ，就是一个很好 的例子。扩频通信另一个完全民用化的应用是蜂窝移动无线通信。虽然第一代和 第二代蜂窝移动系统是窄带系统，并主要采用频分多址和时分多址方式来为众多 的用户提供服务，但是在未来移动无线电系统中( 3 g ) 利用扩频来实现多址接入 的标准已被制定出来，并且已经开始在许多国家测试使用【6 】。 扩频被作为接入调制而提出的一个相关系统是卫星陆地移动通信。已经提出 了许多这样的系统，并且得到了不同程度的发展。在一些应用中，这些系统借助 于卫星网络为个人手持电话用户和固定电话用户提供世界范围内的通信服务。通 常这些连接要经过多颗卫星。为了接入作为中继器的通信卫星，这些系统中至少 有一些系统采用扩频调制。 扩频调制将发挥巨大作用的另外一个领域是个人通信系统( p c s ) 领域。个人 通信系统的最终目标是将世界上所有的蜂窝系统、无绳系统、无线本地环路( i t l l ) 、 无线局域网终端、专用移动广播和寻呼结合在一起，形成一个功能强大的网络， 实现任何人在任何地点、任何时间与任何人都能便利地通信。 中国正式把扩频技术作为国家主要项耳进行研究是在2 0 世纪7 0 年代初期， 2 扩频系统技术研究及其实现 以后在卫星通信、数据传输、定位以及授时系统中都有使用今后，扩频技术在 卫星通信，移动通信系统和定位系统等领域还会得到进一步的广泛使用 1 2 研究背景和项目来源 扩频通信的基本原理是将系统所要传输的信号扩展成很宽的频谱，利用信号 在码域上的正交性，使用强自相关码序列作为地址码对基带信息进行二次调制。 不同用户采用相互正交的不同地址码，信道中所要传输的信号在频域和时域上可 以重叠。在接收端产生一个与发送端完全相同的本地地址码，利用地址码的自相关 性，当发和收的两个地址码完全一致时，宽带信号才可以解扩成窄带信号同时 由于地址码的互相关性，对于其他用户码，在相关接收时只相当于噪声，不会对 有用信号构成干扰，从而将同一载波的不同码序列区分出来。这样，理论上只要可 以将背景噪音降低到足够的水平，蜂窝系统的用户就可以无限制地增加。在当今 多种扩频技术中，直接序列扩频通信是目前应用最广泛的一种扩频技术 随着数字信号处理器( d s p ) 和现场可编程门阵列器件( f p g a ) 的发展，采 用d s p + f p g a 的数字硬件系统正显示出它的优越性，越来越受到人们的重视。通 用d s p 的优点是通过编程可以应用到广泛的产品中，并且已能满足算法控制结构 复杂、运算速度高、寻址方式灵活和通信性能强大等需求。但是传统d s p 的结构 本质上是串行的，对于需要处理的数据量大，处理速度高，但是运算结构相对比 较简单的底层信号处理算法来说，并没有优势可言，而这恰好是f p g a 的强项。 采用d s p + f p g a 的数字硬件系统正好把两者的优点结合到一起，兼顾了速度和灵 活性，既满足了底层信号处理的要求，又满足了高层信号处理的要求。 d s p + f p g a 系统最大优点是结构灵活，有较强的通用性，适合模块化设计； 同时开发周期较短，系统易于维护和扩展，因此特别适合实时信号处理系统。可 见，利用d s p + f p g a 来实现扩频通信系统有很强的实用性。 本文就是在这样的技术发展和市场需求背景下完成的，主要研究了直接序列 扩频通信系统的应用方案，并最终在d s p + f p g a 硬件平台上予以实现。研究内容 主要依据实验室科研项目“便携式基站基带关键技术研究”，其主要目的是设计 便携式无线通信系统，包括基站和终端两部分。采用直接序列扩频和o q p s k 调制， 发射部分是从编码、扩频、调制直到数字上变频结束，接收部分是从数字下变频、 解调、解扩、解码直到最后的原码解出。硬件主要以d s p 和f p g a 为核心器件， 其中f p g a 采用x i l i n x 公司v i r t e x - 4 系列的x c 4 v s x 3 5 芯片，d s p 采用t i 公司 1 m s 3 2 0 c 6 7 l1 芯片。 第一章绪论 1 3 本文主要内容 3 作者通过对一套基于d s p + f p g a 实现的硬件平台进行各个可编程器件的程序 设计和整体系统的开发与调试，最终实现了直接序列扩频通信系统的正常工作。 本文后续内容具体安排如下： 第二章：扩频通信原理简述。介绍扩频通信技术的基本原理，以及直接序列 扩频通信系统的基本模块，主要是对各个部分的功能进行简要的介绍。 第三章：直扩系统设计方案及关键技术。详细介绍一种实现直接序列扩频通 信系统的设计方案，并对所涉及到的关键技术和实现算法进行了比较详细的介绍 和分析。 第四章：系统仿真及性能分析。基于该设计方案，首先将本文所选用的 d s p + f p g a 硬件平台进行必要的阐述，然后详细描述了对该系统中d s p 、f p g a 模块的软件设计和具体实现，最后通过对系统进行整体调试，并结合发现的问题 进行分析，给出了一些相关测试结果。 结束语：对全文的工作进行总结。提出了研究工作中的不足之处以及后续工 作的研究方向。 第二章扩频通信原理简述 第二章扩频通信原理简述 2 1 扩频技术概述 5 扩展频谱( 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 输信息的技术采用扩频技术进行通信的系统主要由原始信息、信源编译码、信 道编译码( 差错控制) 、载波调制与解调、扩频调制与解扩和信道六大部分组成。 信源编码的耳的是去掉信息的冗余度，压缩信源的数码率，提高信道的传输效率。 差错控制的目的是增加信息在信道传输中的冗余度，使其具有检错或纠错能力， 提高信道传输质量。调制部分是为使经信道编码后的符号能在适当的频段传输， 如微波频段，短波频段等。扩频调制和解扩是为了某种目的而进行的信号频谱展 宽和还原技术。与传统通信系统不同的是，在信道中传输的是一个宽带的低谱密 度的信号。 、 扩频通信系统按照工作方式可分为以下几种嗍： ( 1 ) 直接序列扩展频谱系统( d s s s ) 直接序列扩频系统是将要发送的信 息用伪随机序列( 或称伪噪声码) 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。干扰信号由于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。 这是扩频通信中最典型和最常见的一种的方式，通常也将它直接简称为扩频系统。 本文即是采用直接序列扩频进行系统设计和仿真实现的。 图2 1 是直扩系统的组成原理框图。 图2 1 直扩系统组成框图 ( 2 ) 跳频扩频系统( f h s s ) 。跳频系统的载频受一伪随机序列的控制，不 6 扩频系统技术研究及其实现 断地、随机地跳变，可看成载频按照一定规律变化的多频频移键控( m f s k ) 与 直扩系统相比，跳频系统中的伪随机序列并不直接传输，而是用来选择信道。 跳频系统的组成框图如图2 2 所示用信源产生的信息流去调制频率合成器产 生的载频，得到射频信号。频率合成器产生的载频受伪随机序列的控制，按一定 规律跳变，跳频系统的解调多采用非相干解调，因而调制方式多用f s k 、a s k 等可 进行非相干解调的调制方式 图2 2 跳频系统组成框图 在接收端，接收到的信号与干扰经高放滤波后送入混频器。接收机的本振信 号也是频率跳变信号，跳变规律受接收端的伪随机序列控制。接收端产生的伪随 机序列与发射端的相同，控制频率变化的规律也相同。经混频器后，得到一个固 定不变的中频信号，然后对此中频信号进行解调，就可恢复出发送的信息。而对 干扰信号而言，由于不知道跳频频率变化规律，与本地的频率合成器产生的频率 不相关，因此，不能对跳频系统形成干扰，这样就达到了抗干扰的目的。 ( 3 ) 跳时扩频系统( 1 h - s s ) 跳时系统是用伪随机序列去控制信号发送时 刻及发送时间的长短。它和跳频的差别在于一个控制的是频率，而另一个控制的 是时间。在时间跳变中，将一个信号的持续时间分为若干个时隙，由伪随机序列 控制在哪个时隙发送信码。时隙选择、持续时间的长短也是由伪随机序列控制的。 因此，信号是在开通的很短时隙中，以较高的峰值功率传输的，可以看成一种随 机的脉位调制( p p m ) 和脉宽调制( p w m ) 跳时系统工作原理如图2 3 所示。 刮 图2 3 跳时系统原理框图 在发送端，经调制后的信号送到一开关电路，此开关电路的启闭受一个伪随 机序列的控制，以脉冲的形式发送出去；在接收端，本地伪随机序列与发端的伪 第二章扩频通信原理筒述 7 随机序列完全同步，用于控制两个选通门，使传号和空号分别由两个门选通后经 检波进行判决，从而恢复出传送的信息。 ( 4 ) 混合式。几种不同的扩频方式混合应用，如直扩与跳频的结合( d s f h ) ， 跳频与跳时的结合( f h ，m ) ，以及直扩、跳频与跳时的结合( d s 胴 i 厂r h ) 等。 这几种最常用的是直扩( d s ) 、跳频( f h ) 以及二者的结合( d s 髓) 2 2 直接序列扩别2 】 基本的直接序列扩频系统与普通系统的差别在于直接序列扩频系统的收发两 端各有一个本地伪码产生器对信号进行扩频或解扩，收发端的伪码是相同的。在 发送过程中，可以对待传送的信息用伪随机序列进行扩频，然后进行载波调制， 也有先调制再扩频的接收过程则是发送过程的逆变换。直接序列扩频就是用高 速率的伪噪声码序列与信息码序列模二加之后的复合序列去控制载波的相位而获 得扩频信号。一般情况下直接序列均采用相位调制信号。典型的直接序列扩频系 统的框图如图2 4 所示。 干扰与噪声 图2 4 直接序列扩频系统原理框图 在发送端，待传送的信息m ( f ) 先对载波进行调制( 以二相相移键控b p s k 为 例) ，然后由伪随机序列口n 码) p ( f ) 进行扩频，得到的已调信号为， s ( f ) = a m ( t ) p ( t ) c o s ( c o o t + q o 式( 2 一1 ) 式中，吃为载波角频率，9 为初始相位，4 为比例常数，简便起见可以令彳= 1 。 令p ( f ) 的速率为胄，( 码片秒) = l 瓦，为码片宽度，r e ( t ) 的速率为 毛( b i t s ) = 1 乙，互为比特宽度，定义扩频因子为： 三= 恐，墨= 乏乃 式( 2 - 2 ) 通常r p r 。，或乙 l 。一般为整数，即r ，是咒的整数倍。 接收过程是发送过程的逆变换，包括两个步骤，即解扩与解调。以p ( f ) 表示 接收机本地产生的伪随机序列，以c o s 6 0 , t 表示接收机的本地振荡信号，用它们和 接收信号相乘，得到： s 扩频系统技术研究及其实现 a ( t ) - - k 0 + 万( f ) p ( f ) c o s q f 式( 2 - 3 ) 式中，n ( o 表示噪声和干扰，在作原理分析时可以不计。 假定p 协与v ( t ) 完全相同且同步，即p 协= p ( f ) ，由于比特取值为l 的序列 自乘恒为l ，故p p ( f ) - - 1 ，因而上式在忽略n o ) 影响时，经过中心频率为( 嘞一q ) 的带通滤波器后，有： ，( f ) = 砌e o s ( a , 0 一q ) f + 纠 式( 2 - 4 ) 式中，丑为比例常数 这时宽带信号已经变成了窄带信号，即已经解扩，接着可进行常规的解调， 以恢复原始信息用 2 3 1 概述 2 3 伪随机序列 在直接扩频系统中，伪随机序列起着很重要的作用。在直接扩频系统中，用 伪随机序列将传输信息扩展。在接收时又用它将信号压缩，并使干扰信号功率扩 散，提高了系统的抗干扰能力。伪随机性能的好坏，直接关系到整个系统性能的 好坏，是一个至关重要的问题。 对伪随机序列的一般要求【l 】： ( 1 ) 具有良好的伪随机性，即伪随机序列是按照预先确定的规律形成的，使 通信对方能按此预定的规律把信号检测出来，但具有和随机序歹i j 类似的随机性， 使不知此规律的无关接收者难以把信息检测出来。 ( 2 ) 具有良好的自相关，互相关和部分相关特性，即自相关峰值尖锐，互相 关和部分相关值接近于零，便于接收端准确的把所需信号检测出来，并减小检测 差错。 ( 3 ) 伪随机序列的数目足够多，保证在码分多址通信系统中应用是有足够的 地址码可以分配给不同的用户。 ( 4 ) 易于实现，设备简单，成本低。 常用的伪随机码有w a l s h 序列、m 序列、g o l d 序列、m 系列等。本系统采用 g o l d 序列。 2 3 2g o l d 序列 g o l d 序列是由m 序列的“优选对”构成的。所谓优选对是指r c l 序列中互相关值 为【一l ，- t ( n ) ，f 0 ) 一2 】的一对序列，其中 第二章扩频通信原理简述 9 f ( 彪) ：型1 + 1 ) 2 + l ，l 为奇数式( 2 - 5 ) ( 力2 1 2 ( 舯2 ) ，：+ l ，磊裔彖 式 g o l d 序列族由所序列中的优选对“) 和如) 本身加上它们相对移位模二相加 构成的2 。一1 个序列所组成。序列长为2 。一1 ，序列总数为2 + 1 ，任一对序列之间 的互相关函数都是三值的，即 足=融裟 j - 1 , 。+ 。，：+ d ：，。靠 【( 2 0 + 2 ) ，2 一1 ) = f ( 功一2 ( n 为奇数) ( n 为偶数，但不为4 整除) 式( 2 6 ) 在级数疗一定时，g o l d 序列族中可用序列数明显多于m 序列数，而g o l d 序列 之间的最大互相关绝对值也明显小于不同m 序列之间的最大互相关值。而且，g o l d 序列族中除去两个m 序列优选对外，其他都不是艉序列，它们的自相关函数和互 相关函数一样都是三值的。 g o l d 序列的优点是自相关和互相关特性都比较好，产生容易，面且可得到的 序列数也较多，因而在一些要求序列数不是太多的场合中，它是一种优选的序列， 获得了广泛应用。图2 5 和2 6 分别为g o l d 序列的自相关性和互相关性曲线。 图2 5 g o l d 码的自相关性 l o 扩频系统技术研究及其实现 图2 6 g o l d 码的自相关性 实际g o l d 码设计中，选取本原多项式为： 厂( 力= l + ，+ 工7 式( 2 7 ) g ( 功= l + 工+ p + + j 式( 2 8 ) 的辨序列作为优选对。两m 序列的移位序列相加后即产生g o l d 码，其中两个g o l d 码生成框图如图2 7 所示。其它的属于该优选对的g o l d 码可以通过对其中一个所序 列移位后与另一个i f 序列模2 加获得。 图2 7 码长为1 2 7 ，移位寄存器级数n = 7 并联型g o l d 码发生器 在f p g a 实现中可以预先生成的一组g o l d 码存于片内r a m ，发送端每到达 一个新的数据，按数据比特是0 还是“1 ”输出预存g o l d 码的原码或反码。生成的 g o l d 码为1 2 7 位，实际设计为了满足系统要求在生成的g o l d 码后补零构成1 2 8 位 的扩频码。 第二章扩频通信原理简述 2 4 直接序列扩频系统的同步 2 4 1 伪随机码的同步 4 1 扩频信号的同步是扩频通信的关键技术，其性能的好坏直接影响到系统的性 能和可靠性。由于收发时钟频率源的漂移不稳定性、扩频序列的启动时差、 电波传播的时延、多普勒频偏、多径效应等原因，将造成收发两端的不同步。对 于直扩系统只有在完成扩频序列的同步后，才可能用同步的p n 码序列对接收的扩 频信号进行相关解扩，把扩频的宽带信号恢复成窄带信号，以解调出传送的信息 数据。为此，人们花费了大量的精力来研究扩频系统的同步问题。扩频系统的同 步包括伪随机码同步、位同步、帧同步和载波同步，后面的三种同步与一般的数 字通信系统基本相同，这里主要介绍伪随机码的同步。 伪随机码的同步分为两个步骤：捕捉和跟踪。捕捉又称为起始同步，完成伪随 机码的粗同步，使本地扩频码与接收扩频码的相位差小于一个码元间隔。跟踪又 称为精同步，它是在捕捉的基础上使收发双方的伪随机码的相位误差迸一步减少， 保证收端的伪随机码相位一直跟随接收到的伪随机码的相位，在一允许范围内变 化。当伪码捕捉完成后，系统将控制权交给伪码跟踪电路，对本地伪码序列相位 进行精确调整，即继续保持同步，不因外界影响而失去同步；当伪码跟踪电路失 步时，再将控制权交给伪码捕捉电路，重新进行同步捕捉。跟踪与一般的数字通 信系统的跟踪方法类似，一般采用锁相环原理来完成跟踪过程，关键还是在第一 步，即捕捉。伪码捕捉是扩频通信系统的一个特点，这里只介绍捕捉过程。 在直扩系统中，伪随机码的捕捉方法通常有滑动相关法和序列估计法。序列 估计法是根据相关结果，把收到的扩频序列所对应的初始状态直接注入到本地码 发生器的移位寄存器中，强迫改变各级寄存器的起始状态，使其产生的p n 码刚好 与接收的扩频信号码相位一致，则系统可以立即进入到同步跟踪状态。在理想的 情况下，搜捕时间为： = m r r a ) 式( 2 - 9 ) 其中”为寄存器的级数，为伪随机序列的周期，瓦为p n 码片宽度。这个搜捕时 间虽然很快，但问题之一是它的先决条件是对外来的p n 码先要进行检测后才能注 入移位寄存器，做到这一点有时是非常困难的。问题之二是此法对噪声和干扰很 脆弱。因是一个时片一个时片进行估值和判决的，并未利用p n 码的抗干扰特性。 但在无敌对干扰的条件下，仍有良好的快速起始同步性能。 序列估计法主要工作在高信噪比的场合，而绝大多数的扩频系统却工作在低 信噪比的情况下，因此通常采用滑动相关法。使用滑动相关法捕捉的电路通常有 串行和并行两种结构，但是早期的扩频系统由于收到工艺水平和器件体积的限制， 1 2 扩频系统技术研究及其实现 多用串行捕捉方式，然而随着大规模集成电路的迅猛发展，使用数字匹配滤波器 ( d m f ) 进行并行捕捉方式的优势逐渐体现出来。在扩频系统中最初使用的匹配滤波 器主要是传统的声表面波滤波器( s a w ) 或电荷藕合器件( c c d ) 等模拟器件，其性能 主要受器件的工艺水平和体积，以及不可编程和实现复杂等限制而对于需要高 性能、低功耗的数字扩频通信系统来说，使用d m f 是一种必然的选择它可以用 f p g a 或a s i c 来实现，与传统的匹配滤波器相比，它主要有以下一些优点： ( 1 ) 可编程，能够根据需求改变p n 码的码型，码长等； ( 2 ) 便于数字信号处理，这对当今的数字化通信尤为重要； ( 3 ) 获得很大的处理增益，而且处理增益在一定的范围内任意可调，此外它 还有捕捉时间短、体积小、开发周期短、易于实现等优点。 因此，在本论文中选用数字匹配滤波器法来对扩频信号进行伪随机码的捕获 同步 2 4 2 数字匹配滤波器 用于p n 码同步捕捉的匹配滤波器一般采用延迟线匹配滤波器，其目的是识别 码序列，它能在特殊结构中识别特殊序列，而且只识别该序列。在捕捉过程中， 接收信号与本地伪码序列连续地进行相关处理，任何时刻的相关结果都与一个门 限相比较，如果超过了门限，则表明此时刻本地p n 码序列的相位与接收码序列相 位是同步，同步过程即告完成。同时，通过这种相关处理和门限比对还伴随着完 成了扩频信号的解扩。由于p n 码的自相关特性，在一个码周期内总会出现一个相 关峰，因此它的捕捉时间很短。数字匹配滤波器通常是在基带实现的，下面具体 说明。 匹配滤波器是一种无源相关技术，它可以快速地实现相关器的功能。这里的 “匹配”是指滤波器的传递函数为所传输信号的复共轭函数。设匹配滤波器的冲 激响应为： | i l o ) = s ( t - t ) ( o t l z + a ， 其中，口是滚降因子，其值范围是0 一l 。当口= 0 时，升余弦滚降滤波器对应于具 有最小带宽的矩形滤波器。这种滤波器的冲激响应可由对其传递函数做傅里叶反 变换得到： m = 筹铷筹器 加m 升余弦滚降滤波器在基带的冲激响应，当口为不同的值时，其滤除效果也不 同。与门函数( 口= o ) 相比，升余弦滚降滤波器在过零点( 当f z 时，约为l ，f ) 衰 减快得多随着滚降因子口的增加，滤波器带宽也增加，相邻符号间隔内的时间 旁瓣减小。这意味着增加口可以减小对定时抖动的敏感度，但增加了占用的带宽。 3 6 多速率数字信号处理 一个实际的无线电通信信号带宽一般为几十千赫兹到几百千赫兹，实际对单 信号采样时所需的采样速率是不高的，所以对这种窄带信号的采样数据流进行降 速处理或者n - - 次采样是完全可能的。多速率信号处理技术为这种降速处理的实 现提供了理论依据。下面专门介绍多速率信号处理的些基本概念和基本理论， 其中最为重要的也是最为基本的理论是抽取和内插，抽取是降低采样率去掉多余 数据的过程，插值是提高采样率增加数据的过程。深入理解和掌握抽取和内插理 2 2 扩频系统技术研究及其实现 论对数字上下变频的研究是至关重要的 3 6 1 抽取和内插旧 3 6 1 1 整数倍抽取 整数倍抽取是指新采样率比原来采样率低的转换，而且原来采样率是新采样 率的整数倍。考虑采样率降低整数d 倍的过程，d 为抽取因子从时域角度看， 是把原始序列叫砂每隔d 1 个数据抽取一个数据，形成一个新的序列工。咖) ： 伽) = x ( m d )式( 3 - 8 ) 如果x ( n ) 序列的采样速率为z ，其无模糊带宽为z ，2 ，则经过d 倍抽取得到的抽 取序列x d ( m ) 的采样速率为z d ，其无模糊带宽为z 2 d ，当x ( n ) 含有大于 z 2 d 的频率分量时，x o ( m ) 就必然产生频谱混叠，导致从x o ( m ) 中无法恢复出 x ( n ) 中小于z 2 d 的频率分量信号。从频域角度看，抽取序列杨伽) 的离散傅立 叶变换为： d - 1 知( 矿) = 去研p 加- 2 呐佃】 式( 3 9 ) “1 = 0 可以看出抽取序列的频谱x o ( 口p ) 是抽取前原始序列频谱z ( p 加) 经过频移和d 倍 展宽后d 个频谱的叠加和，通过抽取提高了信号的频域分辨率。 从式( 3 9 ) 可以看出，如果原始序列频谱工0 一) 较宽，它不仅含有小于g d 的频率分量，还含有大于1 c d 的频率分量，那么抽取后的序列就会发生频谱混叠 现象，从z 。( ) 中无法恢复出x 0 一) 中感兴趣的信号频谱分量。如果先用一个数 字滤波器( 滤波器带宽为石d ) 对石( p 一) 进行滤波，保留其中感兴趣的信号频谱 分量( 频率小于x d ) 使x ( ) 中只含有小于石，d 的频率分量，然后进行d 倍抽 取，则抽取后的序列频谱以( ) 就不会发生混叠。对0 一) 进行处理等同于对 x ( p 一) 的处理，但前者的数据速率只有后者的d 分之一，大大降低了对后续处理 速度的要求。如果原始信号x ( ) 的频谱分量本身小于石d ，则前置低通滤波器 可以省去。 3 6 1 2 整数倍内插 整数倍内插是指新采样率比原采样率高的转换，而且新采样率是原采样率的 整数，倍。整数倍内插就是指在两个原始抽样点之间插入，- - 1 个零值，其中，为 内插因子。内插后的序列频谱蜀( e 一) 与原始序列频谱石 m ) 之间的关系为： 蜀( 纱) = x ( p m ) 式( 3 1 0 ) 式( 3 t o ) 表明内插后的信号频谱为原始序列频谱经，倍压缩后得到。内插后的序 第三章直扩系统设计方案及关键技术 2 3 列频谱蜀( ) 相对原始序列频谱x ( e 加) ，其结构保持不变，但由于其采样率提高 ，倍，使得五( 矿) 不仅含有石( p 一) 的基带分量，而且还含有频率大于石，的高频 成分( 称其为x c d ) 的高频镜像) 。为了从蜀( ) 中恢复出原始谱石p 加) ，则必 须对内插后的信号进行低通滤波( 滤波器带宽为u 1 ) ，则原来插入的零值变为 工( ) 的准确内插值，经过内插序列大大提高了时域分辨率。 3 6 1 3 取样率的分数倍变换 实际中往往会有分数倍变换的情况。假设分数倍变换的变换比为； r = d j式( 3 1 1 ) 分数倍变换可以通过先进行，倍内插再进行d 倍抽取来实现。注意必须内插在前， 抽取在后，以确保其中间序列的基带谱宽度不小于原始输入序列谱或输出序列谱 的基带频谱宽度，否则将会引起信号失真。可以用一个组合滤波器日( ) 来代替， 其频率特性应当满足： 日阶裂州l 删 组合滤波器的截止频率应取喝( ) 和只( ) 两个滤波器截止频率的最小值 3 6 2 多级滤波器组 从前面的讨论已经知道，实现取样率变换的关键问题是如何实现抽取前或内 插后的数字滤波，该滤波器性能的好坏将直接影响取样率变换的效果及其实时处 理能力，本节将讨论多速率信号处理中的高效数字滤波问题。 在数字上下变频中的重要组成部分是多级插值滤波器组和多级抽取滤波器 组。在多级滤波器组中，经常用到的滤波器有半带滤波器和c i c 滤波器，这些滤 波器便于硬件实现并且可以有效的节省所占用的硬件成本。 3 6 2 1c i c 滤波器柳 高分解速率滤波器的一种非常有效的结构就是由h o g e n a u e r 引入的“级联积分 器梳状( c a s c a d ei n t e g r a t o rc o m b ，c i c ) 滤波器。c i c 滤波器已经被证明是在高速抽 取或插值系统中非常有效的单元。它的一神典型应用就是无线通信，其中以射频 或中频为采样速率的信号需要降低到基带为主。 由于c i c 滤波器的实现非常简单，只有加减运算，没有乘法运算，f p g a 实现 时可达到很高的处理速率，因此c i c 滤波器很适合作抽取器前的抗混叠滤波器，通 过c i c 滤波并抽取后把高的数据率降到较低的数据率，易于后级的半带( h b f ) 抽 扩频系统技术研究及其实现 取和f i r 滤波。 一c i c 抽取滤波器 n 级c i c 抽取滤波器的基本框图如图3 7 所示。从图中可知，c i c 抽取滤波器主 要由n 级积分器( i n t e g r a t o r ) 、抽取器( d e c i m a t i o n ) 和n 级梳状滤波器( c o m bf i l t e r ) 三部分组成。其中，n 级积分器工作在高采样频率z 下每级积分器都是一个反馈 系数为l 的单极点i i r 滤波器，其传递函数为： 风( ：) = 再1 单级积分器基本实现框图如图3 8 所示。 图3 7 n 级c i c 抽取滤波器基本框图 图3 8 单级积分器的基本实现框图 c i c 抽取滤波器的梳状部分工作在较低的频率，= 月( 剐黾整数倍的频率变换因 子) 。梳状部分由级梳状滤波器组成，以，：r 为参照，每级微分延迟肘个样本 m 影响滤波器频率响应，工程实现中一般取值为1 或2 。以，：为参照，单级梳状滤 波器的传递函数为 只( z ) = l z 一“式( 3 1 4 ) 当膨= l ，以z r 为参照时，传递函数为 皿( z ) = i - z 。1 单级梳状滤波器基本实现框图如图3 9 所示。 图3 9 单级梳状滤波器的基本实现框图 第三章直扩系统设计方案及关键技术 日= 卅( 力彰国= 百( | _ z - j “l 厂1 ) n = 【善，】“ 式( 3 - 1 6 ) 。!一 n 广 厂 趣量一! 里p 3 , 6 2 2 半带滤波器嗍 半带滤波器( h a l f - b a n df i l t e r ，h b ) 在多速率信号处理中有着特别重要的位 置，因为这种滤波器特别适合实现d = 2 u ( 即2 的幂次方倍) 的抽取或内插，而 且计算效率高，实时性强。 扩频系统技术研究及其实现 所谓半带滤波器是指频率响应日( ) 满足以下关系的f i r 滤波器： 2 三一哆。式( 3 1 9 ) 恽= 磊- - 8 一 或者说半带滤波器的阻带宽度协一吼) 与通带宽度是相等的，且通带纹波和阻 带纹波也相等，如图3 i i 所示。 h 赠 蹋矿) 国t 苎- 国l 嚣国 一 2 一 图3 1 1 半带滤波器 #1 图中和吐分别是滤波器的通带上限和阻带下限频率，其中日i ) = 去。 半带滤波器具有以下性质： ( 1 ) 日( p 加) = l h c d 忙1 ) ，且通带波纹合阻带波纹是相等的，即s = 磊= 艿，这 样就有近一半的j | l ( ) 为0 ，在实际应用中减少了一半的运算量。 ( 2 ) 在半带滤波器进行2 倍抽取后，虽然过渡带内有混叠，但通带内是没有混叠 的，也就是说信号是可以恢复的。 ( 3 ) 半带滤波器的偶数序列号( 不包括o ) 的冲击响应的值为o ，即： | i i ( 玎) = o 厅= 控，4 玎0式( 3 - 2 0 ) 根据以上性质，就通带信号而言，完全可以采用半带滤波器来进行2 倍抽取， 只要根据抽取速率和信号带宽严格的设计和。就可以了。 3 7 数字上下变频技术 数字上下变频过程是数字通信系统中必不可少的实现环节。上变频和下变频 分别是指把信号搬移到更高或者更低的频率上通过信号x o ( t ) 与一个复旋转向量 相乘得到： 毛( f ) = x a ( t ) e j 2 w 式( 3 2 1 ) 其中c 代表搬移的频率。通常把丘称为载波频率，将基带信号搬移到该频率叫上 变频，从该频率搬移到带通信号称为下变频，这样正为正数。用正表示频率搬移， 则使正的值为正或者负。复数信号的实部和虚部分别称为同相分量和正交分量。 数字上变频和数字下变频就是对式( 3 - 2 1 ) 进行数字化。引入满足采样定理的采 样周期r ，数字上变频和数字下变频就可以写为： 第三章直扩系统设计方案及关键技术 毛 r ) = x = ( n t ) e s 2 咖7 式( 3 - 2 2 ) 假设模数转换和数模转换都很理想，那么式0 2 1 ) 和式( 3 - 2 2 ) 等价。 数字上下变频器的组成类似，包括数字混频器、数字控制振荡器( n u m e r i c a l l y c o n t r o l l e do s i l l a t o r - n c o ) 和低遁滤波器( l p f ) 三部分组成。低通滤波器在上变 频结构中对应为插值滤波器，在下变频结构中对应为抽取滤波器。 3 7 1 数字上变频( d u c ) 上交频是用数字信号处理的手段将基带已调制信号的频带搬移到中频( 9 的 过程。上变频得到的数字信号经d a 交换为模拟信号后，再在模拟域变换为r f 信号，通过天线发送出去，实现数字信号的发送。其一般的实现结构如图3 1 2 所示。 图3 1 2 上变频实现结构 在具体实现对，由于内插零点后的z ( 力和始) 的采样率较高，给后续的内插 滤波器的实现带来了一定的难度，所以内插的过程一般采用分级滤波结构来实现。 本系统采用3 6 节介绍的c i c 内插滤波器作为插值滤波器。 3 7 2 数字下变频( d d c ) 无线信号的接收过程和发送过程完全相反，即在a d 变换得到数字i f 后，经 数字下变频变换为基带调制信号，再经数字解调后得到接收的信息。下变频一般 的实现结构如图3 1 3 所示。 图3 1 3 下变频实现结构 扩频系统技术研究及其实现 本系统采用由c i c 抽取滤波器和半带( h b ) 滤波器组成的滤波器组作为抽取 滤波器。 从工作原理讲，数字下变频与模拟下变频是一样的，就是输入信号与一个本地 振荡信号的乘法运算与模拟下变频相比，数字下变频的运算速度受处理速度的 限制，同时其运算速度决定了其输入信号数据流可达到的最高速率，相应地也限 定了a d c 的最高采样速率；另外，数字下变频的数据精度和运算精度也影响着接 收机的性能，所以，数字下变频器必须进行优化设计。 影响数字下变频器性能的主要因数有两个：一是表示数字本振、输入信号以 及混频乘法运算的样本数值的有限字长所引起的误差；二是数字本振相位的分辨 率不够而引起数字本振样本数值的近似取值。也就是说，数字混频器和数字本振 的数据位数不够宽，存在尾数截断的情况；数字本振相位的样本值存在近似的情 况。根据截断和近似的程度，会或多或少地影响d d c 的性能。 数字控制振荡器在d d c 中相对来说是比较复杂的，也是决定d d c 性能的最主 要因素之一，下面介绍一下数控振荡器的原理。 3 7 3 数控振荡器 数控振荡器( n c o ) 的目标就是产生一个理想的正弦或余弦波， 产生一个频率可变的正弦波样本，如式( 3 2 3 ) 。 删= c o s 陋鲁研) ( 肛o 1 ，2 ，一) 更确切的说是 式中，正。为本地振荡频率；