（通信与信息系统专业论文）基于stel2000a的扩频电台研究与设计.pdf

硕十论文基于s t e l 2 0 0 0 a 的扩频屯台研究与设计 a bs t r a c t t h i sp a p e rf o c u so nt h ek e yt e c h n i q u e so fd i g i t a ls p r e a da n dd e s p r e a d s p e c t r u mc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，w h i c hi n c l u d e sh i g hs p e e da d c o fd i g i t a l i f ，d i g i t a ld o w nc o n v e r t e l ，d i g i t a lp nc o d em a t c h e df i l t e ra n dc a r r i e rr e c o v e r y o fd i g i t a ld e m o d u l a t i o n a l s o ，a ni fs 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 i sd e s i g n e dw h i c hb a s e do ni cs p r e a ds p e c t r u mt r a n s c e i v e rs t e l 一2 0 0 0 aa n d o t h e rc i r c u i t s ，s u c ha sq p s km o d u l a t o r ，h i g hs p e e da d ca n dt m s 3 2 0 f 2 0 6 k e yw o r d s s t e l 一2 0 0 0 a ，d i r e c ts e q u e n c es p r e a ds p e c t r u m ，d i g i t a lm a t c h e df i l t e r ，d i g i t a l d o w nc o n v e r t e r ，c a r t e ri _ e c o v e r y 硕士论文基t - s t e l 2 0 0 0 a 的扩频电台研究与设计 1 概述 1 1 扩频通信特点及发展 无线通信是当今信息领域发展最快的分支之一。无线通信设备的广泛使用以及 高度发达的现代化工业，导致现代无线通信环境中的各种干扰越来越多，这对无线 通信系统的性能提出了新的挑战。因此，无线扩频通信技术以及以它为基础的码分 多址( c d m a ) 通信技术受到了世界各国的广泛重视和研究。 扩频通信，是扩展频谱通信的简称，它足一种伪噪声编码通信。这种通信方式 与一般的窄带通信方式相反，信号占有的频带宽度远大于传输信息所必须的最小带 宽：频带的展宽是利用高速伪随机码( p n 码) 调制来实现的，该p n 码与所传输的 数据信息无关：在接收端采用同样的p n 码进行相关处理及解调，恢复出原始信息 数据。扩频技术具有伪随机码调制和相关处理的特点，正是基于这种处理，使得扩 频通信具有许多优良特性：很强的抗十扰能力：扩频系统具有低截获概率：可用于 码分多址；高的距离分辨率。 尽管扩频技术拥有以上优异特性，但是受到成本和器件方面的限制，早期只是 应用于军事领域，八十年代以来，伴随着大规模集成电路的发展、微处理器的广泛 应甩和数字信号处理技术的快速发腱扩频技术在无线通信领域得到了迅速发展， 被广泛应用于电子对抗、空间通信、移动通信、导航、跟踪、测距以及遥控等方面。 1 9 8 5 年，美国联邦通信委员会( f c c ) 在工业、科技、医疗频段( i s m ) 中划 出三个频段：9 0 2 9 2 8 m h z ，2 4 0 0 2 4 8 3 5 m h z 以及5 7 2 5 5 8 5 0 m h z 给无线扩频通信， 作为免许可证使用的频段。这在无线频率资源紧张的情况之下，为扩频通信的推广 应用打开了方便之f - j 。1 9 9 2 年，美国q u a l c o m 公司成功推出了第一套c d m a 实用 化扩频蜂窝移动通信系统，一经出现就显示出强大的竞争力和广阔的应用前景。 1 9 9 3 年7 月美国电信工业协会以q u a l c o m 公司c d m a 系统的空中接口规范为基础， 颁布了c d m a 蜂窝移动通信暂行标准i s 9 5 。随后各类扩频通信产品如雨后春笋般 涌现，m o t o r o l a 公司的数字蜂窝扩频通信系统，a t & t 公司的点对点通信系统，美 国s o l e c t e k 公司的无线局域网等。 由于第二代数字蜂窝移动通信系统只能提供低速的数据业务和语音服务的局 限性。国际电信联盟( i t u ) 提出了i m t 2 0 0 0 ，它支持的业务种类涉及语音、数据、 图像、以及多媒体等。世界齐闶都提m 了f | 1 己的建议和标准，其中最有影响的是欧 洲的w c d m a 、北美的c d m a 2 0 0 0 以及中国的t d s c d m a 。3 g 正在逐步迈向实用 化，这也显示出以扩频理论为基础的c d m a 技术在第三代移动蜂窝通信中占据了 硕士论文基t - s t e l 2 0 0 0 a 的扩频电台研究与设计 1 概述 1 1 扩频通信特点及发展 无线通信是当今信息领域发展最快的分支之一。无线通信设备的广泛使用以及 高度发达的现代化工业，导致现代无线通信环境中的各种干扰越来越多，这对无线 通信系统的性能提出了新的挑战。因此，无线扩频通信技术以及以它为基础的码分 多址( c d m a ) 通信技术受到了世界各国的广泛重视和研究。 扩频通信，是扩展频谱通信的简称，它足一种伪噪声编码通信。这种通信方式 与一般的窄带通信方式相反，信号占有的频带宽度远大于传输信息所必须的最小带 宽：频带的展宽是利用高速伪随机码( p n 码) 调制来实现的，该p n 码与所传输的 数据信息无关：在接收端采用同样的p n 码进行相关处理及解调，恢复出原始信息 数据。扩频技术具有伪随机码调制和相关处理的特点，正是基于这种处理，使得扩 频通信具有许多优良特性：很强的抗十扰能力：扩频系统具有低截获概率：可用于 码分多址；高的距离分辨率。 尽管扩频技术拥有以上优异特性，但是受到成本和器件方面的限制，早期只是 应用于军事领域，八十年代以来，伴随着大规模集成电路的发展、微处理器的广泛 应甩和数字信号处理技术的快速发腱扩频技术在无线通信领域得到了迅速发展， 被广泛应用于电子对抗、空间通信、移动通信、导航、跟踪、测距以及遥控等方面。 1 9 8 5 年，美国联邦通信委员会( f c c ) 在工业、科技、医疗频段( i s m ) 中划 出三个频段：9 0 2 9 2 8 m h z ，2 4 0 0 2 4 8 3 5 m h z 以及5 7 2 5 5 8 5 0 m h z 给无线扩频通信， 作为免许可证使用的频段。这在无线频率资源紧张的情况之下，为扩频通信的推广 应用打开了方便之f - j 。1 9 9 2 年，美国q u a l c o m 公司成功推出了第一套c d m a 实用 化扩频蜂窝移动通信系统，一经出现就显示出强大的竞争力和广阔的应用前景。 1 9 9 3 年7 月美国电信工业协会以q u a l c o m 公司c d m a 系统的空中接口规范为基础， 颁布了c d m a 蜂窝移动通信暂行标准i s 9 5 。随后各类扩频通信产品如雨后春笋般 涌现，m o t o r o l a 公司的数字蜂窝扩频通信系统，a t & t 公司的点对点通信系统，美 国s o l e c t e k 公司的无线局域网等。 由于第二代数字蜂窝移动通信系统只能提供低速的数据业务和语音服务的局 限性。国际电信联盟( i t u ) 提出了i m t 2 0 0 0 ，它支持的业务种类涉及语音、数据、 图像、以及多媒体等。世界齐闶都提m 了f | 1 己的建议和标准，其中最有影响的是欧 洲的w c d m a 、北美的c d m a 2 0 0 0 以及中国的t d s c d m a 。3 g 正在逐步迈向实用 化，这也显示出以扩频理论为基础的c d m a 技术在第三代移动蜂窝通信中占据了 堡鲨皇堡! ：! ! ! ! ：! ! ! ! 垒塑芏塑皇鱼塑窒兰堡盐 主要地位。 1 2 方案引述和作者的工作 本文的主要目的是为了解决较远距离两点之间的无线通信问题，要求有一定保 密性，发射功率小，同时体积小，具有定的抗干扰能力。扩频系统可以很好的满 足该要求。扩频通信区别于常规通信的特点，在于其独有的扩频p n 码调制和解扩 处理，因此，所有的扩频系统必须解决接收机本地p n 码的同步和载波的同步问题。 由于电路实现的复杂化，早期的扩频技术局限于军事领域。随着数字信号处理 和超大规模集成电路技术的发展，数字一孛频技术广泛使用，本方案采用以 s t e l 2 0 0 0 a 为数字处理的核心，再附加一定的外围电路来实现一个具有直接序列 扩频、解扩处理的全双工系统。系统的原理框图如图1 1 。 h1 i扩频电台的系统框i 玺i s t e l 2 0 0 0 a 完成对发射数据的差分编码、扩频处理之后送给外部的q p s k 调 制电路，得到一个带限的中频信号。而接收端首先对模拟中频信号进行移相功分、 放大和a d c 抽样得到一个数字化中频信号，然后送给s t e l 2 0 0 0 a 进行数字下变 频、解扩和解调来恢复原始信息数据。本文的重点在于基带和中频处理部分。综上 所述，本文的主要工作包括： 1 全数字化扩频解扩技术研究。 堡鲨皇堡! ：! ! ! ! ：! ! ! ! 垒塑芏塑皇鱼塑窒兰堡盐 主要地位。 1 2 方案引述和作者的工作 本文的主要目的是为了解决较远距离两点之间的无线通信问题，要求有一定保 密性，发射功率小，同时体积小，具有定的抗干扰能力。扩频系统可以很好的满 足该要求。扩频通信区别于常规通信的特点，在于其独有的扩频p n 码调制和解扩 处理，因此，所有的扩频系统必须解决接收机本地p n 码的同步和载波的同步问题。 由于电路实现的复杂化，早期的扩频技术局限于军事领域。随着数字信号处理 和超大规模集成电路技术的发展，数字一孛频技术广泛使用，本方案采用以 s t e l 2 0 0 0 a 为数字处理的核心，再附加一定的外围电路来实现一个具有直接序列 扩频、解扩处理的全双工系统。系统的原理框图如图1 1 。 h1 i扩频电台的系统框i 玺i s t e l 2 0 0 0 a 完成对发射数据的差分编码、扩频处理之后送给外部的q p s k 调 制电路，得到一个带限的中频信号。而接收端首先对模拟中频信号进行移相功分、 放大和a d c 抽样得到一个数字化中频信号，然后送给s t e l 2 0 0 0 a 进行数字下变 频、解扩和解调来恢复原始信息数据。本文的重点在于基带和中频处理部分。综上 所述，本文的主要工作包括： 1 全数字化扩频解扩技术研究。 硕士论文基ts t e l - 2 0 0 0 a 的扩频电台研究与设计 数字中频技术中高速a d 变换的理论和电路设计。 d q p s k 调制技术和电路的设计。 全数字化解调中的载波恢复技术的研究。 扩频电台系统的方案设计和电路调试。 硕士论文基_ 卜s t e l 2 0 0 0 a 的扩频电台研究与设计 2 2 1 扩颇理论基础1 1 钉3 1 长期以来，人们总是想方设法使信号所占频谱尽量的窄，以充分利用十分宝贵 的频率资源。而扩频通信足把信息频谱展宽后再传输，与常规通信方式相比，它是 一种完全崭新的不同原理的通信方式，其理论基础如何? 从查到的有关资料来看， 扩频通信的安全可靠的理论基础首先源于s h a n n o n 的信息论。 根据s h a n n o n 的信息论，对于连续信道，如果信道带宽为b ，且受到加性白噪 声干扰，则其信道容量c 的理论公式为： ( 、= b l o g ( 1 + s )( 2 1 ) 其中，n 为其噪声的平均功率( 均方值) ，s 表示信号的平均功率，s n 就是信 噪比，信道容量c ( 单位为b i f f s ) 是指信道可能传输的最大信息速率( 即信道能达到 的最大传输能力) 。 根据s h a n n o n 的信道公式，可以得出一个重要的结论：给定的信道容量可以用 不同的带宽和信噪比组合来传输。若减少带宽则必须发送较大的信号功率( 即较大 的s n ) ；或者若有较大的传输带宽，则同样的信道容量能够由较小的信号功率( 较 小的s n ) 来传送，这表明扩频系统表现出较好的抗干扰性。因此，当信噪比太小 不能保证通信质量时，常采用扩频系统( 或宽带系统) 。也就是利用增加带宽( 展 宽频谱) 来提高信道容量，以改善通信质量，这就是通常所谓用增加带宽换取功率 的措施。当然，带宽与信噪比的互换并非自动，我们必须变换信号使之具有所要求 的带宽。扩频通信就是将原始信号的频谱扩展1 0 0 1 0 0 0 倍，然后再传输，因而提 高了通信的抗干扰能力，使之能在强干扰环境f 仍可靠地通信。 扩频通信的另一个理论基础是，柯捷尔尼夫在其潜在抗干扰理论中得到的如下 关于信息与差错概率公式“。： 只z ，( e n 。)( 2 2 ) 这个公式指出：差错概率尸是信号能量与噪声功率谱密度n 之比的函数。 设信号频谱宽度为b ，信息持续时间为t ，信号功率为s = e t ，噪声功率为n = 删。， 信息带宽为f = i t ，则： 硕士论文基_ 卜s t e l 2 0 0 0 a 的扩频电台研究与设计 2 2 1 扩颇理论基础1 1 钉3 1 长期以来，人们总是想方设法使信号所占频谱尽量的窄，以充分利用十分宝贵 的频率资源。而扩频通信足把信息频谱展宽后再传输，与常规通信方式相比，它是 一种完全崭新的不同原理的通信方式，其理论基础如何? 从查到的有关资料来看， 扩频通信的安全可靠的理论基础首先源于s h a n n o n 的信息论。 根据s h a n n o n 的信息论，对于连续信道，如果信道带宽为b ，且受到加性白噪 声干扰，则其信道容量c 的理论公式为： ( 、= b l o g ( 1 + s )( 2 1 ) 其中，n 为其噪声的平均功率( 均方值) ，s 表示信号的平均功率，s n 就是信 噪比，信道容量c ( 单位为b i f f s ) 是指信道可能传输的最大信息速率( 即信道能达到 的最大传输能力) 。 根据s h a n n o n 的信道公式，可以得出一个重要的结论：给定的信道容量可以用 不同的带宽和信噪比组合来传输。若减少带宽则必须发送较大的信号功率( 即较大 的s n ) ；或者若有较大的传输带宽，则同样的信道容量能够由较小的信号功率( 较 小的s n ) 来传送，这表明扩频系统表现出较好的抗干扰性。因此，当信噪比太小 不能保证通信质量时，常采用扩频系统( 或宽带系统) 。也就是利用增加带宽( 展 宽频谱) 来提高信道容量，以改善通信质量，这就是通常所谓用增加带宽换取功率 的措施。当然，带宽与信噪比的互换并非自动，我们必须变换信号使之具有所要求 的带宽。扩频通信就是将原始信号的频谱扩展1 0 0 1 0 0 0 倍，然后再传输，因而提 高了通信的抗干扰能力，使之能在强干扰环境f 仍可靠地通信。 扩频通信的另一个理论基础是，柯捷尔尼夫在其潜在抗干扰理论中得到的如下 关于信息与差错概率公式“。： 只z ，( e n 。)( 2 2 ) 这个公式指出：差错概率尸是信号能量与噪声功率谱密度n 之比的函数。 设信号频谱宽度为b ，信息持续时间为t ，信号功率为s = e t ，噪声功率为n = 删。， 信息带宽为f = i t ，则： 硕士论文革 js t e l 2 0 0 0 a 的扩频电台研究与设计 p = s ( s t 口) = f ( ( s i ) ( b b p ) )( 2 3 ) 从上式可知：差错概率尸，是输入信号与噪声功率比s i n 和信号带宽与信息带 宽比b i a f 二者乘积的函数。也就地蜕，对于传输一定带宽a f 的信息来说信噪 比与带宽是可以互换的。它川样指出了用增加带宽的方法可以换取信噪比上的好处 这一客观规律。 总之，我们用信息带宽的1 0 0 倍，甚至1 0 0 0 倍以上的宽带信号来传输信息， 就是为了提高通信的抗干扰能力，即在强干扰条件下保证可靠安全地通信。这就是 扩展频谱通信的基本思想和理论依据。 2 2 直接序列扩频系统结构n 3 1 扩频通信在调制解调上是与传统通信方式不同的。用伪随机编码把基带信号 ( 信息数据窄带信号) 的频谱进行扩展，形成相当宽带的低功率谱密度信号发射， 使用不同的伪随机编码，不同的通信用户可以在同一频段，同一时间工作而只有很 小的影响。而常规通信是在频段上细分( 频分) 或时间上细分( 时分) 给通信用户， 彼此互不干涉的分别使用。 与般通信系统相比，扩频通信系统就是多了扩频调制和解扩部分。按照扩展 频谱的方式不同，现有的扩频通信系统可以分为：直接序列( d s ) 扩频，跳频( f h ) ， 跳时( t h ) ，线性调频( c h a r p ) ，以及以上几种方式的组合。本文设计的扩频电 台采用直接序列扩频技术，以下对它进行重点介绍。 劁2 1直扩系统示意i 到 直接序列扩频通信系统简称直扩系统。准确的说应该称为直接用编码序列对载 波进行调制的系统。直接序列扩频系统中用的编码序列通常是伪随机序列或者叫伪 噪声( p n ) 码。要传输的信息经过数字化处理之后变为二元数字序列，它和伪随机 硕士论文革 js t e l 2 0 0 0 a 的扩频电台研究与设计 p = s ( s t 口) = f ( ( s i ) ( b b p ) )( 2 3 ) 从上式可知：差错概率尸，是输入信号与噪声功率比s i n 和信号带宽与信息带 宽比b i a f 二者乘积的函数。也就地蜕，对于传输一定带宽a f 的信息来说信噪 比与带宽是可以互换的。它川样指出了用增加带宽的方法可以换取信噪比上的好处 这一客观规律。 总之，我们用信息带宽的1 0 0 倍，甚至1 0 0 0 倍以上的宽带信号来传输信息， 就是为了提高通信的抗干扰能力，即在强干扰条件下保证可靠安全地通信。这就是 扩展频谱通信的基本思想和理论依据。 2 2 直接序列扩频系统结构n 3 1 扩频通信在调制解调上是与传统通信方式不同的。用伪随机编码把基带信号 ( 信息数据窄带信号) 的频谱进行扩展，形成相当宽带的低功率谱密度信号发射， 使用不同的伪随机编码，不同的通信用户可以在同一频段，同一时间工作而只有很 小的影响。而常规通信是在频段上细分( 频分) 或时间上细分( 时分) 给通信用户， 彼此互不干涉的分别使用。 与般通信系统相比，扩频通信系统就是多了扩频调制和解扩部分。按照扩展 频谱的方式不同，现有的扩频通信系统可以分为：直接序列( d s ) 扩频，跳频( f h ) ， 跳时( t h ) ，线性调频( c h a r p ) ，以及以上几种方式的组合。本文设计的扩频电 台采用直接序列扩频技术，以下对它进行重点介绍。 劁2 1直扩系统示意i 到 直接序列扩频通信系统简称直扩系统。准确的说应该称为直接用编码序列对载 波进行调制的系统。直接序列扩频系统中用的编码序列通常是伪随机序列或者叫伪 噪声( p n ) 码。要传输的信息经过数字化处理之后变为二元数字序列，它和伪随机 硕士论文丛rs t e l 2 0 0 0 a 的扩频电台研究与设计 序列模2 相加后成复合码去调制载波。在直扩系统中最常使用的是相移键控调制 ( p s k ) 。在接收机中有一个和发射机中的伪随机码同步的本地码，对接收信号进行 解扩，解扩后的信号送到解调器取出传送的信息。一个常见的直扩系统的简化框图 如图2 1 所示。 信号在信道的传输过程中必然要受到各种外来信号的干扰。因此在接收端进入 接收机的除了有用信号之外还有干扰信号。扩频之后的宽带信号与干扰信号同时经 过下变频到中频( 此处以超外差接收机为例) ，接着进行解扩处理，而解扩实际是 扩频的相反过程，通常是用与发端相同的伪随机码对收到的已扩频信号再进行一次 调制。从频谱上看表现为宽带已扩频信号被压缩还原为窄带信号。对这一窄带信号 经信息解调之后还原出信息数据。 对于进入接收机的干扰信号在受到伪随机序列的调制之后。频谱被展宽，经过 一窄带滤波器之后只有带内的部分干扰通过，从而使干扰功率降低。从上述过程可 以看出直扩系统通过扩频和解扩的处理从而获得输出信噪比提高的好处，当然也付 出了系统的射频带宽增加的代价。 2 3 扩频码序列 在直扩系统中，发射端频谱的展宽是通过扩频码序列调制来实现的，而在接收 端是通过相同的扩频码序列调制来实现解扩的。接收端解调的关键是同步技术，包 括载波同步和扩频码序列的精确同步，而后者是直扩系统区别于常规通信系统的一 个问题。而扩频码的性能对于扩频码序列同步影响很大。 对于扩频码我们通常希望： 随机性 良好的相关性 长的周期，大的复杂度 多的编码序列 容易产生 理论上说用纯随机序列去扩展频谱是最理想的，但在接收机中必须有一个相应的精 确同步的序列才能实现解扩。因此我们实际上只能使用伪随机序列或伪噪声序列 ( p n ) 做为扩频码。伪随机序列具有噪声的性质，同时又是周期性的，既容易产生， 又可以加工和复制。伪随机序列的特性具体归纳起来有以下： 平衡特性：在一个周期内0 和l 的个数接近相等。 游程特性：不管是0 的或者是l 的游程，同长度的游程数相等。比如长度为1 的游程占总游程的一半，长度为2 的游程占1 4 ： 相关特性：随机序列的自相关函数具有类似白噪声自相关函数的性质。 硕士论文丛rs t e l 2 0 0 0 a 的扩频电台研究与设计 序列模2 相加后成复合码去调制载波。在直扩系统中最常使用的是相移键控调制 ( p s k ) 。在接收机中有一个和发射机中的伪随机码同步的本地码，对接收信号进行 解扩，解扩后的信号送到解调器取出传送的信息。一个常见的直扩系统的简化框图 如图2 1 所示。 信号在信道的传输过程中必然要受到各种外来信号的干扰。因此在接收端进入 接收机的除了有用信号之外还有干扰信号。扩频之后的宽带信号与干扰信号同时经 过下变频到中频( 此处以超外差接收机为例) ，接着进行解扩处理，而解扩实际是 扩频的相反过程，通常是用与发端相同的伪随机码对收到的已扩频信号再进行一次 调制。从频谱上看表现为宽带已扩频信号被压缩还原为窄带信号。对这一窄带信号 经信息解调之后还原出信息数据。 对于进入接收机的干扰信号在受到伪随机序列的调制之后。频谱被展宽，经过 一窄带滤波器之后只有带内的部分干扰通过，从而使干扰功率降低。从上述过程可 以看出直扩系统通过扩频和解扩的处理从而获得输出信噪比提高的好处，当然也付 出了系统的射频带宽增加的代价。 2 3 扩频码序列 在直扩系统中，发射端频谱的展宽是通过扩频码序列调制来实现的，而在接收 端是通过相同的扩频码序列调制来实现解扩的。接收端解调的关键是同步技术，包 括载波同步和扩频码序列的精确同步，而后者是直扩系统区别于常规通信系统的一 个问题。而扩频码的性能对于扩频码序列同步影响很大。 对于扩频码我们通常希望： 随机性 良好的相关性 长的周期，大的复杂度 多的编码序列 容易产生 理论上说用纯随机序列去扩展频谱是最理想的，但在接收机中必须有一个相应的精 确同步的序列才能实现解扩。因此我们实际上只能使用伪随机序列或伪噪声序列 ( p n ) 做为扩频码。伪随机序列具有噪声的性质，同时又是周期性的，既容易产生， 又可以加工和复制。伪随机序列的特性具体归纳起来有以下： 平衡特性：在一个周期内0 和l 的个数接近相等。 游程特性：不管是0 的或者是l 的游程，同长度的游程数相等。比如长度为1 的游程占总游程的一半，长度为2 的游程占1 4 ： 相关特性：随机序列的自相关函数具有类似白噪声自相关函数的性质。 硕士论文纂1 ：s t e l 2 0 0 0 a 的扩频电台研究与设计 经常使用的伪随机码是最大长度序列( m 序列) ，它有许多优良的特性。 m 序列的自相关特性参见图2 | 2 。 lt 舭劫 ，( r ) = 气 l 一专耶i f f 譬 ， r ( t ) 。 p 图2 2m 序列白相关函数 正是有了如图2 2 所示的自相关特性，我们才可以利用相关技术进行对伪随机 码的捕获，关于p n 码的捕获技术目前大量使用匹配滤波器。 接 幽2 3 捕获、跟踪原理幽 扩频序列捕获系统仅仅使扩频信号获得了初步的同步( 两序列的相位差在半个 码片之内) ，在这种情况之f 进行解扩会损失解扩电路的信噪比，此外接收机中 硕士论文基于s t e l - 2 0 0 0 a 的扩频电台研究与设计 的基底噪声的影响，信道传输延迟的变化，扩频序列时钟的漂移等各种情况的发生 都会使扩频序列的相位发生波动，甚至使已经初步对齐的序列相位又出现偏差。为 了使扩频接收机能准确可靠的工作，必须有高精度的，稳定的扩频序列跟踪电路。 最基本的方法是采用延迟锁相环( d l l ) 。 - d ( f ) 入f j 0 n 。 幽2 4 跟踪鉴别信号 图2 3 中两相关积分器输出相减后的鉴相特性如图2 4 所示。 从图2 4 可以看出，当本地p n 码超前或者滞后时，输出的跟踪鉴别信号为负 或者为正，控制时钟的速率降低或者提高，直到d ( t ) 为0 ，此时p h i 码同步。 2 - 4 扩频系统的指标 为了更好的描述扩频系统的特性，这罩介绍两个性能指标。 一、处理增益 在扩频系统中，经过接收机分别对信号和噪声功率的压缩与扩展处理，使信 号功率集中，而干扰功率被扩展分散并被滤波器大量的滤除，从而提高了信噪比， 这种对信号( 包括有用信号和干扰信号) 的扩频与解扩处理，大大提高了系统信 噪比，增强了系统抗干扰能力，在扩频系统中称为处理增益( 扩频增益) ，其表达式： 滁= 湍= 毒 亿s ， ( s ) ，s ( 月o e )e ， ”7 式中：玩为扩频p n 码序列带宽；b 。为信息数据基带带宽。对直扩系统来说， 主要由扩频p n 码序列和传输的信息数据码速率决定： g ，= 鲁= 尝= 惫 c ：固 式中：r 。为扩频p n 码序列速率：r 。，为信息数据码序列速率。 由此可见，直扩系统的处理增益主要由扩频p n 码序列和传输的信息数据码速 硕士论文基于s t e l - 2 0 0 0 a 的扩频电台研究与设计 的基底噪声的影响，信道传输延迟的变化，扩频序列时钟的漂移等各种情况的发生 都会使扩频序列的相位发生波动，甚至使已经初步对齐的序列相位又出现偏差。为 了使扩频接收机能准确可靠的工作，必须有高精度的，稳定的扩频序列跟踪电路。 最基本的方法是采用延迟锁相环( d l l ) 。 - d ( f ) 入f j 0 n 。 幽2 4 跟踪鉴别信号 图2 3 中两相关积分器输出相减后的鉴相特性如图2 4 所示。 从图2 4 可以看出，当本地p n 码超前或者滞后时，输出的跟踪鉴别信号为负 或者为正，控制时钟的速率降低或者提高，直到d ( t ) 为0 ，此时p h i 码同步。 2 - 4 扩频系统的指标 为了更好的描述扩频系统的特性，这罩介绍两个性能指标。 一、处理增益 在扩频系统中，经过接收机分别对信号和噪声功率的压缩与扩展处理，使信 号功率集中，而干扰功率被扩展分散并被滤波器大量的滤除，从而提高了信噪比， 这种对信号( 包括有用信号和干扰信号) 的扩频与解扩处理，大大提高了系统信 噪比，增强了系统抗干扰能力，在扩频系统中称为处理增益( 扩频增益) ，其表达式： 滁= 湍= 毒 亿s ， ( s ) ，s ( 月o e )e ， ”7 式中：玩为扩频p n 码序列带宽；b 。为信息数据基带带宽。对直扩系统来说， 主要由扩频p n 码序列和传输的信息数据码速率决定： g ，= 鲁= 尝= 惫 c ：固 式中：r 。为扩频p n 码序列速率：r 。，为信息数据码序列速率。 由此可见，直扩系统的处理增益主要由扩频p n 码序列和传输的信息数据码速 硕士论文基1 - s t e l 2 0 0 0 a 的扩频电台研究与设计 率来决定。 二、干扰容限 干扰容限表示系统在一定干扰电平条件下，能够实现通信的能力，干扰容限既 考虑了一个可用系统输出信噪比的要求，又考虑了系统内部损耗，其表达式为： m ，= g 。一( a 。+ s o n o )( 2 7 ) 式中：a 。为系统的损耗； s o n 。为接收机输出端要求的信噪比：g 。为扩频系统处理增益。 例如有一个2 8 d b 处理增益的扩频系统，要求其信息解调端前的输出信噪比为 1 0 d b ，即瓯“= l o d b ，系统损耗( 5 t p q 基底噪声) 为2 d b ，那么该系统的干扰容 限为1 6 d b ，这意味着该系统可以承受1 6 d b 的干扰。从理论上讲，该扩频系统接收 机即使是接收到的干扰比信号大4 0 倍，仍然能够正常工作。 2 5s t e l - 2 姒概述m 1 本课题采用了美国s t a n d f o r dt e l e c o m 公司的可编程单片扩频收发集成电路芯 片s t e l 2 0 0 0 a 。这是一个可编程的单片扩频收发电路。它可以完成一个快速捕获 的直接序列扩频系统所需要的各种信号处理，这个系统可以工作于全双工和半双工 方式下信号的调制可以采用b p s k 、q p s k 和4 q p s k 差分编码方式。 s t e l - 2 0 0 0 a 具有以下突出特点： 在一个c m o s 集成电路内完成了直接序列扩频数据的发射和接收； 可利用编程功能支持多种工作模式： 在发射和接收模式下支持高达ll m b p s 的p n 码速率； 使用数字匹配滤波器在一个信息符号码元内完成捕获： 能够采用两组最高达6 4 位码长的p n 码序列对快捕头( 前导码) 符号和数据符 号分别进行处理： 能源管理特性； 可以选择产生使频谱白噪化的编码。 由于s t e l 一2 0 0 0 a 在一块芯片内部实现了扩频数据的发射和接收，这样就可以 避免发射和接收分开实现的复杂性，便于时钟信号的同步和提取，大大提高了系统 的总体性能和可靠性，同时也降低了成本。由于使用了8 6 个控制字寄存器来对芯 片的内部工作进行控制，使芯片的工作方式可以根据需要灵活设置，选择合适的工 作模式，比如采用突发工作模式来实现接收机的快速捕获和降低准备时间。同时采 硕士论文基1 - s t e l 2 0 0 0 a 的扩频电台研究与设计 率来决定。 二、干扰容限 干扰容限表示系统在一定干扰电平条件下，能够实现通信的能力，干扰容限既 考虑了一个可用系统输出信噪比的要求，又考虑了系统内部损耗，其表达式为： m ，= g 。一( a 。+ s o n o )( 2 7 ) 式中：a 。为系统的损耗； s o n 。为接收机输出端要求的信噪比：g 。为扩频系统处理增益。 例如有一个2 8 d b 处理增益的扩频系统，要求其信息解调端前的输出信噪比为 1 0 d b ，即瓯“= l o d b ，系统损耗( 5 t p q 基底噪声) 为2 d b ，那么该系统的干扰容 限为1 6 d b ，这意味着该系统可以承受1 6 d b 的干扰。从理论上讲，该扩频系统接收 机即使是接收到的干扰比信号大4 0 倍，仍然能够正常工作。 2 5s t e l - 2 姒概述m 1 本课题采用了美国s t a n d f o r dt e l e c o m 公司的可编程单片扩频收发集成电路芯 片s t e l 2 0 0 0 a 。这是一个可编程的单片扩频收发电路。它可以完成一个快速捕获 的直接序列扩频系统所需要的各种信号处理，这个系统可以工作于全双工和半双工 方式下信号的调制可以采用b p s k 、q p s k 和4 q p s k 差分编码方式。 s t e l - 2 0 0 0 a 具有以下突出特点： 在一个c m o s 集成电路内完成了直接序列扩频数据的发射和接收； 可利用编程功能支持多种工作模式： 在发射和接收模式下支持高达ll m b p s 的p n 码速率； 使用数字匹配滤波器在一个信息符号码元内完成捕获： 能够采用两组最高达6 4 位码长的p n 码序列对快捕头( 前导码) 符号和数据符 号分别进行处理： 能源管理特性； 可以选择产生使频谱白噪化的编码。 由于s t e l 一2 0 0 0 a 在一块芯片内部实现了扩频数据的发射和接收，这样就可以 避免发射和接收分开实现的复杂性，便于时钟信号的同步和提取，大大提高了系统 的总体性能和可靠性，同时也降低了成本。由于使用了8 6 个控制字寄存器来对芯 片的内部工作进行控制，使芯片的工作方式可以根据需要灵活设置，选择合适的工 作模式，比如采用突发工作模式来实现接收机的快速捕获和降低准备时间。同时采 硕士论文基下s t e l 2 0 0 0 a 的扩频电台研究与设计 用两组p n 码序列分别进行处理可以在利用快捕头实现快速捕获的同时，来传输较 高的信息数据速率。能源管理特性可以适时的关闭暂时不用的电路模块，到使用时 再迅速恢复，有效的减低功耗。采用1 0 0 管脚的p q f p 封装使得芯片在电路板中所 占面积较小，便于系统的小型化和携带。 s t e l 2 0 0 0 a 的发射部分包括b p s k q p s k 差分编码器、p n 码调制器、以及 b p s k q p s k 调制器等，其输出既可以是一个到外部数模转换器的离散数据调制信 号，也可以将扩频之后的基带数字信号直接输出到外部p s k 调制器。 s t e l 2 0 0 0 a 接收部分包括数字下变频器、p n 码匹配滤波器和d p s k 解调器。 其输入为一个经模数转换的数字中频信号。下变频到基带的数字信号经过差分解调 等处理产生信息数据。其中内部还使用了一个可编程的环路滤波器来建立一个频率 跟踪环。p n 匹配滤波器使用了两个不同的p n 系数寄存器分别存储快捕头和数据 p n 码，可以用于加快和提高信号的捕获性能。 s t e l 2 0 0 0 0 a 进行发射和接收都是工作在符号同步的p n 调制方式下的。所谓 符号同步的p n 调制方式是指工作时p n 与符号的转换相关联并且每个符号间隔之 内重复一次。通常可以在一个符号间隔内同步一个完整的p n 码元周期，接收机在 p n 码捕获同步的同时也获得了符号同步。 为了改善高噪声干扰电平下的性能。s t e l 2 0 0 0 a 的接收机符号定时恢复单元 采用了一种“飞轮电路”来提高符号f 确定时的概率。利用定时门限电路还可以进 一步改进其性能，使得由噪声和干扰引起的相关峰值检测以及符号定时发生错误的 概率最小。 为了减小功率消耗，器件的各个单元在不用时可以关闭。举例而言，当 s t e l 2 0 0 0 a 工作于半双工时分复用的情况下，在发射信号时接收电路可以关闭； 反之，在接收信号时发射电路可以关闭。如果数控振荡器( n c o ) 不作为b p s k q p s k 调制器使用( 即使用外部调制器的情况下) ，发射信号时n c o 也可以关闭以减小能 量消耗。s t e l - 2 0 0 0 a 的快速捕获特性使得节能技术能够很好的应用于数据传输不 太频繁的场合。这时可以设置在大部分的突发周期内芯片中所有的发射单元、接收 单元以及n c o 单元都处于关闭的“睡眠”状态，从而有效的降低了总能量的消耗。 在接收机工作所需要的能量中p n 匹配滤波器的乘法操作占了主要部分，因此在p n 匹配滤波器中也采取了两项独特的节能措旌，它们可以很明显的降低p n 匹配滤波 器消耗的能量。 以上特点表明s t e l - 2 0 0 0 a 是一个非常适用于无线扩频数据通信的器件，当它 工作于最大数据速率时，非常适用于无线本地局域网中，同时它的可编程性也使它 可以应用于无线遥测、交换系统等不同的场合。 硕士论文 基于s t e l 2 0 0 0 a 的扩频电台研究与设计 2 6s t e l _ 2 0 的功i i 皂模块 s t e l 一2 0 0 0 的内部结构见图2 5 。 圈”stel广u。口口吕礁龄茁圜 硕士论文基1 - s t e l 2 0 0 0 a 的扩频电台研究与设计 2 6 1 发射和接收时钟发生量 s t e l 2 0 0 0 a 发射和接收部分的时钟是由发射和接收时钟发生器控制的。根据 对芯片内部控制字寄存器的编程设置，能够在模块中通过分频来提供码元速率和符 号速率的参考信号。必要时发射和接收时钟单元可以完全分开以便于发射时钟和接 收时钟的外部同步。而且，芯片还允许直接输入外部信号以作为发射码速率 ( t x m c h p ) 与接收码速率( r x m s m p l ) 的参考信号。若已知发射p n 码速率， 就可以由每个发射的符号中p n 码元的数目导出与p n 同步的发射符号速率。在接 收部分，符号同步和接收符号速率可以根据p n 匹配滤波器输出的处理得到；另一 方面，这些值也可以由给定的每符号p n 码元数或外部输入的符号同步信号 r x m d e t 确定。突发数据串的控制则通过每次突发发射和接收的符号计数器来实 现。这些可编程1 6 位计数器使得芯片能够自动工作于突发模式下，不需要外部计 数器就可以在每个突发序列末尾处停止。 当发射部分和接收部分j ：作于q p s k 调制方式下时，收发数据采用比特对的格 式，其中一比特用于同相信道一比特用于正交信道。发射端要发射的串行输入数 据( t x i n ) 和接收端产生的输出串行数据( r x o u t ) ，都是单比特，这些i o 数据 在输入处理器和输出处理器中都需要与比特对格式相互转换。另外在r x i o u t 和 r x q o u t 输出管脚也可以直接得到比特对格式的数据。接收部分定时由 s t e l 2 0 0 0 a 符号跟踪处理器导出，而发射部分定时则由输入处理器决定。在b p s k 调制方式下要求每符号周期传输一比特，故而输入处理器每个符号周期只产生一个 t x b i t p l s 信号：在q p s k 调制方式下要求每符号周期传输两比特数据，故输入处 理器每个符号周期需要产生两个t x b i t p l s 信号。 2 6 3 差分编码器 待传输的数据在被发射p n 码扩频调制之静要经过差分编码处理。信号在发射 部分进行差分编码是s t e l 一2 0 0 0 a 接收部分解调工作的基础：在传输的扩频信号已 经经过差分编码的情况下，芯片内部的d p s k 解调器只需要通过计算当前和上一次 符号周期的已经下变频的1 、q 路分量的点积和叉积函数，就可以实现差分解调， 这是d p s k 解调的核心部分。 o u t p u t b i t ( k ) = i n p u t b i t ( k ) o u t p u t b i t ( k 1 )( 2 8 ) 硕士论文基1 - s t e l 2 0 0 0 a 的扩频电台研究与设计 2 6 1 发射和接收时钟发生量 s t e l 2 0 0 0 a 发射和接收部分的时钟是由发射和接收时钟发生器控制的。根据 对芯片内部控制字寄存器的编程设置，能够在模块中通过分频来提供码元速率和符 号速率的参考信号。必要时发射和接收时钟单元可以完全分开以便于发射时钟和接 收时钟的外部同步。而且，芯片还允许直接输入外部信号以作为发射码速率 ( t x m c h p ) 与接收码速率( r x m s m p l ) 的参考信号。若已知发射p n 码速率， 就可以由每个发射的符号中p n 码元的数目导出与p n 同步的发射符号速率。在接 收部分，符号同步和接收符号速率可以根据p n 匹配滤波器输出的处理得到；另一 方面，这些值也可以由给定的每符号p n 码元数或外部输入的符号同步信号 r x m d e t 确定。突发数据串的控制则通过每次突发发射和接收的符号计数器来实 现。这些可编程1 6 位计数器使得芯片能够自动工作于突发模式下，不需要外部计 数器就可以在每个突发序列末尾处停止。 当发射部分和接收部分j ：作于q p s k 调制方式下时，收发数据采用比特对的格 式，其中一比特用于同相信道一比特用于正交信道。发射端要发射的串行输入数 据( t x i n ) 和接收端产生的输出串行数据( r x o u t ) ，都是单比特，这些i o 数据 在输入处理器和输出处理器中都需要与比特对格式相互转换。另外在r x i o u t 和 r x q o u t 输出管脚也可以直接得到比特对格式的数据。接收部分定时由 s t e l 2 0 0 0 a 符号跟踪处理器导出，而发射部分定时则由输入处理器决定。在b p s k 调制方式下要求每符号周期传输一比特，故而输入处理器每个符号周期只产生一个 t x b i t p l s 信号：在q p s k 调制方式下要求每符号周期传输两比特数据，故输入处 理器每个符号周期需要产生两个t x b i t p l s 信号。 2 6 3 差分编码器 待传输的数据在被发射p n 码扩频调制之静要经过差分编码处理。信号在发射 部分进行差分编码是s t e l 一2 0 0 0 a 接收部分解调工作的基础：在传输的扩频信号已 经经过差分编码的情况下，芯片内部的d p s k 解调器只需要通过计算当前和上一次 符号周期的已经下变频的1 、q 路分量的点积和叉积函数，就可以实现差分解调， 这是d p s k 解调的核心部分。 o u t p u t b i t ( k ) = i n p u t b i t ( k ) o u t p u t b i t ( k 1 )( 2 8 ) 硕士论文基丁s t e l - 2 0 0 0 a 的扩频电台研究与设计 差分编码方案取决于调制方式是d b p s k 还是d q p s k 。对d b p s k ，编码算法 见式2 6 1 。对于d q p s k 。情况比较复杂，参考