（通信与信息系统专业论文）fdmacwtdm卫星通信系统中接收机关键技术研究.pdf

摘要 本文涉及一个基于f d m c w t d m ( 频分多址连续波时分复用) 体制的卫星 通信系统的研制，这种体制是采用带限信号时分复用专利技术改进f d m a t d m 体 制而形成的一种新体制，它能克服原有体制的缺点而保持其优点，因此具有很好 的应用前景。本文重点研究其中的关键技术c w t d m 分接技术及其硬件实现， 它是地面站接收部分的关键，其性能好坏对整个系统的性能起决定性作用。本文 的主要研究内容和成果有： 1 提出了一种用于f d m a c w t d m 体制卫星通信系统的c w t d m 复接分接 处理方案，其分接部分包括：同步捕获与跟踪、时分分接、频偏估计和纠 正、同步信号抵消等单元；这个方案全面考虑了c w t d m 复接信号通过卫 星链路传输后进行分接时可能出现的各种问题，保证了整个系统的性能； 2 采用两级扩频隐同步技术较好地实现了c w t d m 的帧同步，并提出了补码 配对并行匹配滤波法，完成了该f p g a 模块的优化和高效设计； 3 研究出一种频偏估计和纠正算法，并通过f p g a 设计实现了其主要功能； 作者还研制了一种地面站接收机基带信号处理电路板，对于所研制的 c w t d m 分接处理f p g a 模块的功能和性能进行了测试和验证。 关键词：连续波时分复用帧同步频偏纠正匹配滤波器分接 _ 目，f 、 f _ o ns y s t e mb a s e do n 肠et i m ed i v i s i o n m s y s t e mi sr e s u l t e d c h i n ap a t e n ta b o u t c w t d m t h en e ws y s t e mc a r lo v e r c o m et h ed r a w b a c k so ft h eo r i g i n a ls y s t e ma n dk e e p i t sm e r i t s ，s ot h a ti th a sv e r yg o o dp r o s p e c t t h ee m p h a s i so ft h et h e s i si sp l a y e do n c w t d m d e - m u l t i p l e x e ra n di t sh a r d w a r ei m p l e m e n t a t i o n ，w h i c hi st h ek e r n e lo ft h e r e c e i v e ra tae a r t hs t a t i o na n dw h o s ep e r f o r m a n c ep l a y sa ni m p o r t a n tr o l ef o rt h ew h o l e s y s t e m t h ea u t h o r sm a i nc o n t r i b u t i o n sa r ea sf o l l o w s ： i as c h e m et or e a l i z ec w t d m m u l t i p l e xa n dd e m u l t i p l e xi sp u tf o r w a r df o r f d m a c w t d ms a t e l l i t ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，w h e r et h ed e m u l t i p l e x i n g u n i ti n c l u d e ss y n c h r o n i z a t i o na c q u i s i t i o n ，s y n c h r o n i z a t i o nt r a c e ，t i m e - d i v i s i o n d e m u l t i p l e x i n g ， f r e q u e n c y - b i a s e s t i m a t i o na n d r e c t i f i c a t i o n ， a n d s y n c h r o n i z a t i o ns i g n a lc o u n t e r a c t i n g i nt h es c h e m e ，v a r i o u sp r o b l e m s ，w h i c h c o u l db ep o s s i b l yr e s u l t e df r o mt h ed e m u l t i p l e x i n go ft h ec w t d m s i g n a l p a s s e dt h r o u g hs a t e l l i t el i n k , a r ec o n s i d e r e d ，s ot h a tt h ep e r f o r m a n c eo ft h e s y s t e mc a nb eg u a r a n t e e d 2 af r a m es y n c h r o n i z a t i o nm e t h o df o rc w t d m s y s t e mi sw e l lr e a l i z e db yu s i n g i m p l i c i ts y n c h r o n i z a t i o nt e c h n i q u eb a s e do n at w o s t a g es p r e a dc o d e a m e t h o do fc o m p l e m e n t a r yc o d e p a r t n e r s u b s t r a c t i o n m a t c h i n g f i l t e ri s p r o p o s e d ，w h i c hm a k e st h ef p g ad e s i g no p t i m a la n de f f i c i e n t 3 a na l g o r i t h mo fe s t i m a t i n ga n dr e c t i f y i n gf r e q u e n c y b i a si sd e d u c e d ，a n di t s b a s i cf u n c t i o nh a sb e e nr e a l i z e db ym e a n so ff p g a d e s i g n b e s i d e s ，t h ea u t h o rs u c c e e d e di nd e v e l o p i n gap c b t os i m u l a t eap a r tf u n c t i o no f a ne a r t hs t a t i o nr e c e i v e r , w h i c hi su s e dt ot e s tt h ec w t d m d e m u l t i p l e x i n gf p g a m o d u l e t h et e s tr e s u l ts h o w st h a tt h ed e s i g ni sc o r r e c t k e y w o r d ： c w t d mf r a m es y n c h r o n i z a t i o nf r e b i a sr e c t i f y i n g m a t c h e df i l t e r d e m u l t i p l e x i n g li，- 簟lq0 目录 第一章绪论l 1 1 研究工作背景和意义l 1 2 国内外研究现状和趋势2 1 3 本文的研究内容和章节安排3 第二章f d m a c w t d m 多址复用体制的扩频通信系统5 2 1 引言5 2 2 扩频技术5 2 3f d m a c w t d m 多址复用转换方案8 2 3 1f d m a c w t d m 转换体制地面站发射机8 2 3 2f d m a c w t d m 转换体制处理转发器8 2 3 3f d m a c w t d m 转换体制地面站接收机l0 第三章f d m a ，c w t d m 多址复用体制中接收机关键技术1 1 3 1 引言1 1 3 2 连续波时分复用技术1 1 3 2 1c w t d m 复接1 1 3 2 2c w t d m 分接技术1 2 3 3c w t d m 传输中的同步问题1 3 3 3 1m 序列作为同步头的分析1 4 3 3 2 传统的帧同步方案：1 4 3 3 2 改进的帧同步方案1 5 3 4 频偏估计和校正技术l9 3 4 1 频偏对匹配滤波器设计提取同步的影响1 9 3 4 2 频偏对同步峰值的影响2 0 3 4 3 频偏估计算法2 1 3 4 4 环路滤波器( l f ) 2 3 3 4 5 非均匀量化2 5 3 5 解扩和解调技术2 6 3 5 1 直扩信号的解扩2 7 3 5 2d b p s k 解调2 8 第四章地面站接收机核心单元的f p g a 设计实现3 1 4 1 引言3l 4 2f p g a 设计方法介绍3l 4 2 1f p g a 简介3 1 4 2 2f p g a 设计方法3 2 4 3 帧同步的f p g a 设计方案3 3 4 3 1 帧同步的f p g a 设计总方案3 4 4 3 2 优化的帧同步设计方法3 4 4 3 3f i f o 的处理3 7 4 3 4 同步提取q u a r t u s 仿真结果3 7 4 3 4 同步抵消f p g a 设计3 8 4 4 时分分接的f p g a 设计实现4 0 第五章地面站接收端电路板设计 4 5 5 1 引言4 5 5 2f p g a 芯片的选择。4 5 5 3f p g a 芯片s t r a t i x 系列一4 5 5 3 1 基本逻辑单元( l e ) 4 5 5 3 2t r i m a t r i x 内存4 7 5 3 3 数字信号处理模块4 7 5 4 接收端电路板设计及测试。4 7 5 4 1 接收端电路板设计整体结构4 7 5 4 2s t r a t i x 器件的在线编程和在线配置4 9 5 4 3 接收端电路板测试5 0 结束语5 1 致 谢 5 2 参考文献5 3 作者在读期间的研究成果5 5 第一章绪论 1 1 研究工作背景和意义 与短波通信、超短波通信、光纤通信和电缆通信相比，卫星通信具有：( 1 ) 通信距离远，覆盖范围广，通信成本与距离无关：( 2 ) 方式灵活多样；( 3 ) 通信 容量大，传输业务种类多；( 4 ) 通信质量高，稳定可靠等优点。因此卫星通信得 到了十分广泛的应用，特别是在军事通信、电视广播等方面，卫星通信是一种不 可替代的手段。在卫星上设置透明转发器来实现射频信号的中继，配合地面站构 成卫星通信网，已经是非常成熟的技术。 卫星通信的基本多址方式有四种，即f d m a ( 频分多址) 、t d m a ( 时分多址) 、 c d m a ( 码分多址) 、s d m a ( 空分多址) ，其中前两种是最常用的。f d m a 和t d m a 这两种体制各有其优缺点。f d m a 系统的优点是地面站发射、接收设备都较简单， 不需同步系统，其缺点是由于转发器功放存在非线性，会使多载波信号产生互调 失真，因而用户容量不能很大，并且数据吞吐率随用户数的增加而迅速下降。 t d m a 方式由于每一时刻只有一个载波，不存在因转发器功放非线性引起的互调 干扰问题，因此用户容量较大，信道利用率较高，但是其同步系统复杂，而且各 站发射的峰值功率与平均功率的比值很大，因此要求有较大的上行e i r p ，使地面 站设备的复杂度和成本都比较高。 在星上进行f d m a t d m 转换处理【1 l 是一种具有重要实用价值的星上处理技 术，上行以f d m a 接入，在星上进行分路解调，转化为时分复用信号再下行发送， 形成f d m a t d m 多址复用体制。这种体制既可以克服多载波互调失真，保持原 来f d m a j s c p c 系统地面站复杂度不变；同时又能回避t d m a 系统所需的复杂而 昂贵的地面站设备，使两种体制的优点相结合，克服了其缺点，它支持的卫星通 信系统具有信道利用率很高、地面站成本很低的特点。因此，这种体制的卫星通 信系统具有较好的开发价值，特别是对于目前正在广泛应用的v s a t 通信网和迅 速发展的卫星移动通信系统具有很强的吸引力。 在卫星通信中使用扩频技术，虽然在通信的有效性方面略有不足，但在抗干 扰性、保密性和多址连接灵活性等方面，则充分显示其优点。因此，扩频技术特 别适合于军用和某些特殊领域的民用的卫星通信。海湾战争和巴尔干战争证明了 卫星通信在现代战争中的重要性，但是应该看到卫星通信系统确实存在容易被干 扰甚至被摧毁的致命弱点。要对付干扰，最直接的方法是让敌人检测不到通信信 2f d m a c w t d m 卫星通信系统中接收机关键技术研究 号。扩频信号可以在很低信噪比下进行正常通信，只要设计合适，可以获得一的 抗干扰、抗截获能力。 从以上分析可以看出，支持扩频通信是卫星通信研究的重要课题，通常一个 支持扩频通信的卫星系统，需在星上解扩，解调才能进行f d m a t d m 转换，对于 卫星这种功率和质量受限的特殊系统，星上实现支持扩频通信的f d m a t d m 转 换，无论从成本上，技术复杂度上都是非常高的。能否用一种简单的途径实现支 持扩频通信的f d m a t d m 转换的卫星系统，使之用于军事通信呢? 针对上述问 题，本文研究了基于f d m a t d m 转换的新方粕d m a c w t d m ( 连续波时分复 用) 的卫星系统，该系统可以很简单的支持扩频通信，不仅使抗干扰性能得到很 大的改善，而且星上设备和地面站设备都比较简单，这对我军在电子对抗中立于 不败之地具有重要意义。 1 2 国内外研究现状和趋势 星上f d m a t d m 转换研究在8 0 年代末至9 0 年代中期十分热门，实现这一 转换的方法分为三大类：( 1 ) 基于声表面波器件直接实现f d m a t d m 转换的方法， 即c h i r p - m u l t i p l y h i r p 变换法( 简称c m c 法) ；( 2 ) 全数字化分路解调重新时分 复用方法；( 3 ) 声一光一电相结合的转换方法。日本空间通信公司9 0 年代中期研制 成功1 6 路每路1 5 0 k h z 带宽的数字分路器，它采用的复用方式转换的关键技术就 是多载波分路解调( m c d ) 。这种分路解调技术实际上已在星上处理转发器或地面 站中得到了广泛的应用。 以上三种转换方法，全数字化分路解调和时分复用的方法，性能上是最好的， 但是当路数较多，带宽较宽时设备复杂度太高，目前难以在星上应用。声光电的 方法只有理论意义，目前难以实际应用。c m c 变换方法，设备简单，体积功耗都 较小，路数也可以做的较多，带宽可以较宽，但容易引入较大且难以消除的邻道 干扰。 v i t c o m 公司推出的一种v s a t 系统将星上f d m a t d m 转换的工作由地面中 心站完成，通过双跳使各小站能以上行以f d m a 接入，下行以t d m 方式接收， 实现f d m a t d m 体制。不过与星上转换相比，浪费了一倍的带宽，多了一倍时延。 尽管如此，该公司声称这个系统的突出优点就是信道利用率很高，可见能用简便 方法实现f d m a t d m 星上转换是大家共同关注的研究方向。 通信卫星具有星上处理、交换和星际连接功能，是卫星通信适应未来信息网 络发展的基本要求，星上处理是卫星通信技术发展的重要方向之一。传统通信转 发器的设计，无论是早期卫星采用的2 次变频方案，还是目前大多数卫星采用的1 次变频方案，其根本特点仍是所谓的透明“弯管 信道。随着信息高速公路概念 漫游业务需要传 的设计中，其典 亚洲蜂窝移动卫 在设计一个卫星通信系统时，需要对系统的复杂度进行合理分配，可将卫星 通信中不必要的复杂度从星上转移到地面，例如s s c d m a ( 星上交换c d m a ) 卫星通信系统，就采用了星上不解调，地面进行解调的方法。 1 3 本文的研究内容和章节安排 本文的主要内容是基于星上f d 心w t d m 转换的卫星通信演示系统中地面 站接收技术的研究及其设备的硬件实现。本文的章节安排如下： 第一章介绍了f d m a c w t d m 体制研究工作的背景和意义、国内外发展现状 和趋势以及本文的主要研究工作。 第二章论述了基于f d m a c w t d m 复用体制的扩频通信系统，包括扩频技术， 地面站发射机原理，星上转发器原理和地面站接收机原理。 第三章针对地面站接收机中的部分关键技术，包括帧同步技术、分接技术、 频偏估计技术和解扩解调技术等，进行了分析讨论，并给出了仿真结果。 第四章介绍了f p g a 的设计方法，提出了二次扩频码实现隐同步的f p g a 设 计方案，并在该方案中采用了补码配对相减匹配滤波法。深入研究了分接设备的 f p g a 实现，对频偏估计算法做了详细的分析，并进行了频偏估计算法的f p g a 设 计实现。 第五章给出了地面站总体电路的设计方案，介绍了f p g a 芯片的选择， s t r a t i x 系列芯片，并进行了电路板的设计和测试。 4f d m a c w t d mf t j 星通信系统中接收机关键技术研究 tl， 第二章f d m a c w t d m 多址复用体制的扩频通信系统 2 1 引言 扩频通信技术在卫星通信系统不仅常用于构成c d m a 接入方式，也是抗干扰 技术的主要手段。本文研究的重点f d m a c w t d m 多址复用体制的地面站接收机 的研究，但是我们的主要目标是针对军用扩频通信系统，是为了通过星上处理， 进一步提高扩频通信系统的干扰容限和解决转发器被很强的窄带干扰推向饱和的 问题的。因此，很有必要对扩频通信系统的特点进行分析。 扩展频谱系统1 2 1 具有抗干扰，多址灵活性，保密性，抗多径等功能，被广泛 地应用于军事通信和民用通信中。特别是它具有很强的抗干扰性能，越来越受到 人们的重视，其应用领域也在不断地扩大。据预测，今后的军事通信，特别是战 场通信，没有扩频技术的通信系统难以胜任，因而各国军方对此都十分重视。除 了军事通信外，扩频技术正迅速地渗透到民用领域，显示出强大的生命力。二十 年多来，已经先后研制出直接序列调相和跳频等多种扩频设备，陆续应用于卫星 通信的战术通信网和v s a t 通信网络中。 由于卫星转发器功率和质量受限，在星上进行解扩解调引起复杂度的增加一 般的说是不可接受的，或者说是很不合算的。在星上实现f d m 们w ) m 转换， 不需要在星上进行解扩解调，不仅星上设备的成本和实现的难度大大降低，而且 也提高了卫星信道应用的灵活性。本章在介绍扩频技术的基础上，将对基于星上 f d m a c w t d m 转换的通信系统总体方案做详细的介绍。 2 2 扩频技术 扩频技术是把要发送的信号扩展到一很宽的频带上，然后发送出去。系统发射 信号带宽要比原始信号的带宽宽得多。由于扩频系统本质上是一种编码系统，由 著名的s h a n n o n 公式可知：在信息传输容量一定的条件下，增加信号的传输带宽 可以降低传输信号的信噪比要求，因此可以在很低的信噪比下进行正常的通信。 扩频方式可以分为直接序列扩频( d s ) 、跳频( f h ) 、跳时( t h ) 、线性调频( c h i r p ) 及混合系统等方式。其中直接序列扩频系统因其实现简单，应用较为广泛。 扩频通信主要有以下几项特点： 1 易于重复使用频率 无线频谱十分宝贵，虽然从长波到微波都得到了开发利用，仍然满足不了社 6 f d m a c w t d m 。l i 星通信系统中接收机关键技术研究 会的需求。在窄带通信中，主要依靠波道划分来防止信道之间发生干扰。 扩频通信发送功率极低( 例如地面微波通信一般为发射功率为1 - 6 5 0 m w ) ，可 工作在信道噪声和热噪声背景中，易于在同一地区重复使用同一频率，也可与现 今各种窄道通信共享同一频率资源。 2 抗干扰性强 扩频通信在空间传输时所占有的带宽相对较宽，而收端又采用相关检测的办 法来解扩，使有用宽带信息信号恢复成窄带信号，而把非所需信号扩展成宽带信 号，然后通过窄带滤波技术提取有用的信号，滤除大部分噪声干扰，使信噪比提 高，因此具有较强的抗干扰能力。 例如，设一个扩频通信系统的处理增益为c , p - - 3 6 d b ，接收端解调码率小于l o - 5 时要求解扩部分输出到解调器的最低信噪比为1 0 d b ，i i p ( s n ) o u t + 0 5 q ( t ) s i n ( 2 t a + a c o ) t + 伊卜s i n ( a 研+ 妒) ) q ( ，) = a ( t ) s i n ( a ，+ a a o t + 矽】 = 0 5 i ( t ) s i n ( 2 c o + a o p ) t + 缈】+ s i n ( a o g t + 矽) 一0 5 q ( t ) e o s ( 2 0 j + a c o ) t + 缈】- c o s ( a c o t + 伊) ) 经低通滤波后i 路、q 路分别为： ，：塑型塑些掣逊坐坐盟 q i l ( ，) ：i ( t ) s i n ( a c o t + a f a ) i + q ( t ) c o s ( a c o t + 一a a ) 令 伽( 鬻) 鼬) ：巫掣 则 ，( ，) = b ( t ) c o s ( a c o t + 中+ 伊) q ”( t ) = b ( t ) s i n ( a a ) t + + 妒) q ( ，) = a c o t + + 缈 1 , 0 一 相除卜_ 十广_ 取反ly 余切it j 厂j i i 延时ri ( 3 - 2 4 ) ( 3 - 2 5 ) ( 3 - 2 6 ) ( 3 - 2 7 ) ( 3 - 2 8 ) ( 3 - 2 9 ) ( 3 - 3 0 ) ( 3 3 1 ) 连涯征 一 一 珂 制中接收机关键技术 ( ( 疗4 - 1 4 4 3 2 ) i 工) ( ( 甩+ 1 4 4 3 2 ) 正) f 3 3 2 ) ( 3 - 3 3 ) ( 3 3 4 ) 则式( 3 - 3 3 ) - - ( 3 3 4 ) 得： 1 4 4 3 2 f s = a r c 娥i i ( 半w t f ( 半) ) - a r c t a n ( q 1 ( 州舢如) ( 3 - 3 5 ) 又国= 2 a a f ，所以 正( a r e t a n ( o ( n + 1 。4 4 3 2 ) i ( 学) ) 一a r c t a n ( q - o f , ) i ( 刀删 厂= _ ：兰一 ( 3 3 6 ) 3 4 4 环路滤波器( l f ) 由频偏估计算法计算出的频偏矽还有误差，但是经过平滑处理可以进一步减 小误差使计算出的和实际的频偏尽可能的接近，可以用环路滤波器实现。 环路滤波器n 6 】【”1 是一个线性低通滤波器，它是由线性元件电阻、电容和放大 器组成，因而它是一个线性系统，在时域分析中可用传输算子，( p ) 来表示，其中 p = 州d t 是微分算子；在频域分析中可用传递函数f ( s ) 来表示，其中j = 口+ 田是 复频率；若用s = 皿代入f ( s ) 就得到它的频率相应f ( j n ) 。 环路滤波器最常用的有无源比例积分滤波器和有源比例积分滤波器两种，其 中无源比例积分滤波器是由电阻和电容组成，有源比例积分滤波器是由电阻、电 容和运算放大器组成，在本文中环路滤波器只起简单的平滑作用，因而只介绍最 简单的一阶无源比例积分滤波器，它仅有电阻电容组成，如图3 1 6 所示。 该环路滤波器的传输函数以( j ) 为： 姒加熹，口= 去( 3 - 3 7 ) 2 4 f d m a c w t d m l j 星通信系统中接收机关键技术研究 r 工三 图3 1 6 环路滤波器 利用双线性变换转换，由s ：彳2 等，数字滤波器的系统函数日。( z ) 为： rl + z 。1 一。”一 讹m b 等= 警 其中= 云雨a t ，口：= 面a t 石- 2 再由( 3 - 3 8 ) 式推导出时域变换得： y ( 厅) = - a 2 y ( n 1 ) + q 【x ( 刀) + x ( 刀一1 ) 】 网络结构如图3 1 7 所示： ( 3 - 3 8 ) ( 3 - 3 9 ) 图3 1 7 q ( z ) 的网络结构 用m a t l a b 仿真得口，：一些，：旦。 1 6 3 8 4 1 6 3 8 4 1 主1 ( 3 3 9 ) 式可以看出，y 的值与它的初值有很大关系，所估计的频偏厂和实际 频偏的差值如图3 1 8 、图3 1 9 的“一”所示，所估计的频偏经l f 平滑后的输 出( 模拟l f 经双线性变换后) 和实际频偏的差值如图3 1 8 、图3 1 9 的+ 宰 所 示，其中图3 1 8 是当y ( 1 ) = x ( 1 ) 的输出，其中图3 1 9 是j ，( 1 ) = x ( 1 ) 的输 出。 由图3 1 8 可以看出在y ( 1 ) = x ( 1 ) 情况下，平滑后的误差很快接近零，而从图 3 1 9 可以看出在y ( 1 ) = 幸x ( 1 ) 的情况下，平滑后的误差要经过十几帧才能很快接 近零。因此，在方案设计中应令y ( 1 ) = x ( 1 ) 。 多址复用体制中接收机关键技术 o2 0柏6 0 8 0 1 0 0 讨1 帧数据 图3 1 8 y ( 1 ) = x ( 1 ) 的平滑效果比较 3 4 5 非均匀量化 k 川川h ： y f v v i y w v r yp r 17 估计出的频偏是一个具体的数据，还要把它量化为规定的比特数据，经d a 转换为模拟信息，再经v c o 和中频混频为基准频率，这样就实现了频偏校正，这 部分不属于本文的重点，这里不再赘述，下面简要地介绍一下数据的量化【1 9 1 。 由于线性量化存在无论抽样值大小量化噪声的均方根值都固定不变的缺点， 降低量化噪声就需要更高的量化精度，而语音的非均匀量化需要的量化比特少， 且可以改善语音这种信号的量化信噪比，因此在语音量化中常用非均匀量化。实 际上非均匀量化通常是将抽样值通过压缩，再进行均匀量化，所谓压缩是用一个 非线性变换电路将输入变量x 变换成另一变量y ，即 y = 厂( x )( 3 - 4 0 ) 非均匀量化就是对压缩后的变量y 进行均匀量化，接收端采用一个传输函数为 x = f 。1 ( y )( 3 4 1 ) 的扩张器来恢复x 。广泛采用的两种对数压缩律是压缩律和a 压缩律，在本文 采用的是压缩律。所谓的d 压缩律就是压缩律就是压缩器的压缩特性具有如下 关系的压缩律，即： y ：! 呈! ! 丝兰! ，0 x 1 。 i n ( 1 + ) 式中y 归一化的压缩器输出电压，即 ( 3 - 4 2 ) 枷 啪 啪 抛 。 甜g譬鼍鬟譬蹙饿辱量爨譬七季 f d m a c w t d mm 星通信系统中接收机关键技术研究 压缩器的输出电压 ， 压缩器可能的最大输出电压 x 归一化的压缩器输入电压，即 压缩器的输入电压 “ 压缩器可能的最大输入电压 压扩参数，表示压缩的程度。 一般当= 1 0 0 时，压缩效果就比较理想了，图3 2 0 是把1 2 b i t s 数据压 缩为8 b i t s 数据的曲线，由f p g a 输出的8 b i t s 数据再经d a 转换为模拟信息， 进入v c o 混频。 3 5 解扩和解调技术 在c w t d m 地面站接收端，不仅包括各用户分接，还包括解扩解调，这和发 送端的扩频、调制是相对应的。卫星信道是一种功率和频带都受限的非线性信道， 在选择信号的调制解调方案时，应该从频谱利用率、信道的传输性能( 主要是i s i ， b e r 等) 、技术成熟度及处理的复杂度等方面来权衡考虑。综合而言，相移键控 ( p s k ) 类调制最适合卫星通信系统。按照它们对频谱利用的程度，p s k 类调制可 以分为功率有效型和频谱有效型两类。典型的功率有效类调制是b p s k 、q p s k 、 图3 2 01 2 b i t s 数据压缩为8 b i t s 数据特性 m s k 等。如早期的卫星通信中主要采用b p s k 的调制方式。典型的频谱有效类调 制为8 p s k ，1 6 p s k 。从它们的星座图就可以很直观的看出，由于频谱有效类调制 方式在解调时的判决距离较小，故在提供相同的比特能量与噪声功率谱密度之比 ( e b n 。) 的情况下，其误码性能会有所恶化。目前在卫星通信系统中最常见的情 第三章f d m a c w t d m 多址复用体制中接收机关键技术 形是考虑其功率有效性，因此从功率利用率和解调的复杂度来看，应优先选用 b p s k 、q p s k 、m s k 等调制方式。在发送端的扩频是1 2 8 倍扩频，每一路采用的 都是b p s k 调制，因此，在接收端就是1 2 8 倍解扩，b p s k 解调。 直扩系统的相关接收一般分两步进行，首先对直扩信号进行解扩，即将直扩 信号通过与本地伪随机码序列进行相关处理，将信号压缩到信息频带内，由宽带 信号恢复为窄带信号；然后再从解扩后的信号中恢复出传送的信息，即解调。这 两个步骤通常是不能颠倒的，即先解扩后解调，这是由于在未解扩前的信噪比( 或 信干比) 很低，信号淹没在噪声中，一般的解调方法很难实现。 3 5 1 直扩信号的解扩 所谓扩展频谱通信，是指发送的信息被扩展到一个很宽的频带上，这一频带 比要发送的信息带宽宽得多，在接收端通过相关接收，从而将信号恢复到信息带 宽，最终实现信息的传输。一般的直扩系统原理图如图3 2 1 所示。 图3 2 l 直扩系统的原理图 常用的扩展频谱技术有两种：直接序列扩频( d s s s ) 和跳频( f h ) 。d s s s 的 应用主要有扩频微波、无线局域网、c d m a 等，而跳频f h 典型的应用也很多， 如蓝牙技术，军用电台等。 直扩系统的相关接收，首先需要相关接收，直扩系统的相关解扩主要由相关 器或匹配滤波器完成。 在发送端信息速率是届，p n 码速率是1 2 8x 墨，扩频后的数据经基带成型，每 个码片采样四个点，复接前的数据速率是石，故最终信源速率n f 9 3 2 ，发送端扩频 原理如图3 2 2 所示： 源数据流 图3 2 2 发送端扩频原理 在接收端，要用与发端相同的p n 恢复出速率为咫的信源，在解扩之前先要进 行码元同步，同步跟踪，然后再与p n g 蛩j 进行相关处理，接收端解扩原理如图3 2 3 2 8f d m a c w t d m i j n $ i 信系统中接收机关键技术研究 图3 2 3 接收端解扩原理 码元同步包括同步的捕获和同步跟踪，同步的捕获采用滑动相关的匹配滤波 器，同步的跟踪采用双跟踪法，这和前面二次扩频码的同步很相似，不再详述。 码长为1 2 8 位，再考虑b p s k 的解调门限，同步捕获的仿真结果如图3 2 4 所示， 上面一个是没叠加噪声的仿真结果，下面一个是叠加噪声，信噪比是1 0 d b 的仿真 结果，可以看出在信噪比是1 0 d b 的情况下还是可以提取到同步的。 3 5 2d b p s k 解调 图3 2 41 2 8 位p n 码同步仿真 数字化扩频解调【2 0 】【2 1 】的方法主要有两种，即相干解调和非相干解调，其主要差 别在于载波跟踪的方法不同，前者采用载波相位和频率跟踪，在相位锁定的基础上 采用延迟锁相环进行伪码跟踪，适合于比较低的动态环境；后者仅采用载波频率跟 踪，伪码跟踪可在载波非相干情况下直接进行，特别适合于高动态环境。 在本系统设计中，在发送端是i 、q 两路分别进行b p s k 调制，对应的在接收 端是i 、q 两路分别进行b p s k 解调，在这儿采用差分相干解调，原理如图3 。2 5 所 示，当解调前的数据大于o 时，判决为o ，当解调前的数据小于o 时，判决为l 。 图3 2 5d b p s k 差分相干解调原理 分接，解扩后的信号是基带信号，经差分相干解调就可以恢复出原始发送信息。 f p g a 设计实现 3 l 4 1 引言 的f p g a 设计实现 在介绍了c w t d m 地面站接收机核心技术的基础上，本章首先对f p g a 的发 展和设计方法作了简单的介绍；在此基础上提出了补码并行匹配滤波器法，给了 帧同步算法的f p g a 设计实现；最后，介绍了时分分接的f p g a 实现。 4 2 1f p g a 简介 4 2f p g a 设计方法介绍 现场可编程门阵列f p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t e a r r a y ) 2 2 】的出现是超大规 模集成电路( v l s l ) 技术和计算机辅助设计( c a d ) 技术发展的结果。f p g a 器 件的集成度高、体积小，具有通过用户编程实现专门应用的功能它允许电路设计 者利用基于计算机的开发平台，经过设计输入、仿真、测试和校验，直到达到预 期的结果，使用f p g a 器件可以大大缩短系统的研制周期，减少资金的投入。更 吸引人的是，采用f p g a 器件可以将原来的电路板级产品集成为芯片级产品，从 而降低了功耗，提高了可靠性，同时还可以很方便地对设计进行在线修改，f p g a 器件成为研制开发的理想器件，特别适合于产品的样机开发和小批量生产，因此 有时人们也把f p g a 称为可编程的a s i c 。 2 0 世纪8 0 年代中期，a l t e r a 和x i l i n x 公司分别推出了各自的f p g a ( f i e l d p r o g r a m m a b l eg a t e a r r a y ) 。它具有体系结构和逻辑单元灵活、集成度高以及适用范 围宽等特点，可实现较大规模的电路，编程也很灵活。与其它a s i c 相比，f p g a 具有设计开发周期短、设计制造成本低、开发工具先进、标准产品无需测试、质 量稳定、可反复操作使用以及可实时在线检验等优点，因此被广泛应用于产品的 原型设计和小规模产品生产之中。 f p g a 一般由三种可编程电路和一个用于存放编程的s r a m 组成，这三种可 编程电路是：( 1 ) 可编程逻辑块c l b ( c o n f i g u r a b l el o g i cb l o c k ) ，是f p g a 的主要 组成部分，是实现逻辑功能的基本单元。( 2 ) 输入输出模块l o b ( i ob l o c k ) ，提供 器件引脚和内部逻辑阵列之间的连接。( 3 ) 可编程互连资源i r ( i n t e r c o n n e c t r e s o u r c e ) ，由各种长度的连线线段组成，其中也有一些可编程的连接开关，它们 用于逻辑块之间、逻辑块与输入输出块之间的连接。f p g a 的基本结构如图4 1 3 2f d m a c w t d m 1 i 星通信系统中接收机关键技术 i j f 塑 所示。 口 口 口 口 口 口 口 口 口口口口口口口口 4 2 2f p g a 设计方法 输出模块 辑模块 f p g a 设计【2 3 1 是指利用开发软件和编程工具，为实现特定功能的系统而进行的 设计开发。其设计流程包括以下四个部分： 1 设计准备： 在进行f p g a 设计之前，首先要进行方案论证、系统设计和器件选择等设计 准备工作。设计者首先要根据任务要求，如系统所要完成的功能和复杂程度，系 统对工作速度和器件本身资源的要求等方面进行权衡，选择合适的方案和合适的 器件类型。 2 设计输入： 设计者将所设计的系统或电路以开发软件要求的某种形式表示出来称为设计 输入。常用的有三种设计输入方式：原理图输入方式、硬件描述语言输入方式和 波形输入方式。本论文所涉及的地面站设备的f p g a 设计是采用v h d l 硬件描述 语言方式输入和原理图输入方式的混合。 3 设计处理： 设计处理是f p g a 设计中的核心环节，在设计处理过程中，编译软件将对设 计输入文件进行逻辑简化、综合优化、适配分割、布局布线和设计校验，并最终 生成编程数据文件。设计校验包括功能仿真和时序仿真。功能仿真是在设计输入 完成之后、选择具体的器件进行编译之前进行的逻辑功能验证，因此又称为前仿 真。时序仿真是在选择了具体器件并完成布局布线之后进行的时序关系仿真，因 此也称为后仿真。 4 f p g a 芯片的编程烧写： 器件的编程烧写是将编程数据放到可编程器件中去。器件编程要满足一定的 条件，如编程电压、编程时序和算法等。器件编程完毕之后，可以用编译时产生 的文件进行检验、加密等工作。对于具有边界扫描测试能力和在系统编程能力的 器件来说，测试起来就更加方便。 结合实际操作，本系统的f p g a 设计流程如图4 2 所示。 图4 2 系统的f p g a 设计流程图 4 3 帧同步的f p g a 设计方案 地面站接收机设计的核心单元是f p g a ，所有的基带处理包括帧同步、同步 跟踪、分接、频偏估计、解扩和解调都是在f p g a 内完成的，因此，f p g a 内部设 计应包括同步处理模块、分接模块、频偏估计模块和解扩解调模块，如图4 3 所示。 在本节将会详细地介绍帧同步的f p g a 设计，在下一节将会介绍分接模块的f p g a 设计，频偏估计模块和解扩解调模块在第二章已经给出了比较详细的推导，转换 为f p g a 硬件设计是很简单的，这儿就不再赘述。 3 4f d m a c w t d m 。i ! 星通信系统中接收机关键技术研究 f p g a i 为部处理单元 二 图4 3f p g a 基带处理单元 4 3 1 帧同步的f p g a 设计总方案 在数据的复接部分，同步信息先经1 2 7 倍扩频，再经6 2 倍扩频而得到的 7 8 7 4 c h i p 的同步信息，因此在帧同步的提取部分则是该过程的反过程，即先进行 6 2 位p n 码的匹配相关处理，再做1 2 7 位