（信号与信息处理专业论文）短波窄带数字直接序列扩频通信系统的设计与研制.pdf

电子科技大学硕士论文 摘要 本课题以基于软件无线电的思想，在短波频段实现对数字信息数据的直接 序列扩频。对短波窄带数字直接序列扩频( d s ，s s ) 发射机及其接收机系统进 行了研制与开发。 本文的主要工作包括： 第一章介绍任务背景、任务要求及整个短波窄带d s s s 系统的原理设计， 扩频调制的意义与原理。 第二章介绍软件无线电的体系结构。 第三章详细介绍短波窄带d s s s 系统的发射机系统研制与开发。首先介绍 了整个发射机系统的原理；然后，详细讨论了各组成部分的原理和方法。 第四章介绍短波窄带d s s s 系统的接收机系统研制；首先介绍带通采样原 理和数字下变频技术：然后，介绍扩频信号的解扩原理及其设计方案。 第五章介绍发射机系统调试过程及测试结果，今后需要继续进行的工作。 电子科技大学硕士论文 a b s t r a c t m y r e s e a r c hr e a l i z e dd i r e c ts e q u e n c es p r e a ds p e c t r u mi ns h o r t w a v ef r e q u e n c y b a s e do nt h ei d e ao fs o f t w a r e r a d i o m e a n w h i l e ，id e v e l o p e d as h o r t w a v e n a r r o w b a n d d i g i t a l d i r e c t s e q u e n c es p r e a ds p e c t r u m t r a n s m i t t e ra n dr e c e i v e r s y s t e m t h e p a p e rm a i n l yi n c t u d e t h e f o l l o w i n g c o n t e n t s ： c h a p t e r1b e g i n sw i t ht h eb a c k g r o u n da n dr e q u e s t so f t h et a s k o t h e rh i g h l i g h t s a r et h ed e s i g np r i n c i p l eo ft h ew h o l es h o r t w a v en a r r o w b a n dd s s ss y s t e ma n dt h e t h e o r yo fs p r e a ds p e e t m m m o d u l a t i o na n di t ss i g n i f i c a n c e c h a p t e r 2i n t r o d u c e st h ea r c h i t e c t u r eo fs o f t w a r er a d i o c h a p t e r3e x p a t i a t e s t h e d e s i g n a n dd e v e l o p m e n to fs h o r t w a v en a r r o w b a n d d s s st r a n s m i t t e rs y s t e m f i r s t l y ，i ti n t r o d u c e st h et h e o r yo fw h o l et r a n s m i t t e r s y s t e m t h e n i td e t a i l l yd i s c u s s e s e v e r yp a r t st h e o r ya n dd e s i g nm e t h o d s c h a p t e r4e x p l a i n e dt h ed e v e l o p m e n tp r o c e s so fs h o r t w a v en a r r o w b a n dd s - s s r e c e i v e r s y s t e m i tf i r s t l y i n t r o d u c e st h et h e o r yo fb a n d s a m p l i n g a n d d i g i t a l d o w n - c o n v e r s i o n t e c h n o l o g y t h e ni tp r o p o s e st h ed e s p r e a dt h e o r yo f d s s ss i g n a l a n di t sd e s i g np l a n c h a p t e r5d e s c r i b e st h ed e b u g g i n gp r o c e s sa n dt e s t i n gr e s u l t so ft r a n s m i t t e r s y s t e m a t t h ee n do ft h i sp a p e r ，ib r i n g sf o r w a r dt h en e e d e df u r t h e rw o r ko ft h i s “l s k k e y w o r d ss o f t w a r e r a d i o ，d i r e c ts e q u e n c e s p r e a ds p e c t r u m ，d i g i t a l d o w n c o n v e r s i o n ，a d 9 8 5 7 ，f p g a ，p c i 总线 1 1 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，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已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：堑1日期：加垆年月影日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：碴翻导师签名：互丝叁 日期：矽争年p 月e t 电子科技大学硕士论文 第一章引言 短波通信是无线电通信中历史悠久但使用比较麻烦的一种通信方式。 2 3 0 m h z 的短波信道变化不定、非常容易受到噪声、衰落和干扰的影响。在雷 电和太阳黑子活动剧烈的时期，普通的短波通信设备基本上无法使用。尽管如 此，通过电离层反射的短波天波通信具有通信距离远、系统造价低、可以绕过 山脉和建筑物等优点，这些优点使人们不能忽视它。 在短波频段上运用扩频技术，不仅可以提高短波通信的抗干扰能力和抗截 获能力，而且在频率选择性衰落信道中使用扩频技术具有更高的传输可靠性。 直接序列扩频是扩频技术的一种基本形式，它除具有抗干扰、抗截获能力强的 优点以外，还可以利用分辨多径模式来减少衰落。 1 1 短波窄带数字直接序列扩频通信系统的组成 1 1 1 短波窄带数字直接序列扩频通信系统的技术指标 设计研制短波窄带数字直接序列扩频发射和接收原理机各一部，系统设计 要求“基于p c i 总线模块化、窄带拼宽带的思路、体现软件无线电思想”来设 计。 1 1 1 1 发射机的技术指标 载波频率：5 0 0 k 3 0 m h z ： 中频带宽：b = 2 5 k h z ； 扩频码码型：g o l d 码： 扩频码码长：6 3 ，1 2 7 ，2 5 5 ，5 1 1 ，1 0 2 3 ，2 0 4 7 输出路数：四路，可任选； 传输体制：d q p s k ； 发射功率：3 0 d b m ； 1 ，1 1 2 接收机的技术指标 载波频率：5 0 0 k 3 0 m h z ； 中频频率：4 1 4 m h z = 中频带宽：b = 2 5 k h z ； 调制方式：d q p s k ； 扩频码码型：g o l d 码； 扩频码码长：6 3 ，1 2 7 ，2 5 5 ，5 1 1 ，1 0 2 3 ，2 0 4 7 灵敏度：2 0 d b m w 一一5 5 d b m w ； 里王型垫盔堂塑主堡塞 1 1 2 系统原理概述 系统的组成原理框图见1 1 。在这里仅仅对系统原理框图进行简单叙述。 ( a ) d s s s 发射机原理框图 ( b ) d s s s 接收机原理框图 图1 1d s s s 系统原理框图 详细的系统设计原理将分别在第三章和第四章进行阐述。 发射机的工作原理是，原始数据经编码器处理后，输出到模二加法器，再 与从g o l d 码发生器输出高速的伪码序列进行模二加之后，完成信息数据的扩 谱；扩谱数据输出给调相器，进行d q p s k 调制，此时调制的载波频率为 4 1 4 m h z ，经二次混频到5 0 0 k 3 0 m h z 之间的任意频率；最后，由后端射频处 理单元负责将调制信号发射出去。详细的发射机设计原理见第三章。 接收机的工作原理是，首先对在短波段5 0 0 k 3 0 m h z 的接收下来的信号， 在前端射频处理单元进行混频，混频到一中频4 1 4 m h z ，经a d c 芯片进行带 电子科技大学硕士论文 通采样和下变频处理后，将4 1 4 m h z 的中频变换到基带。经载波同步、扩频码 同步和d q p s k 解调后，最后恢复出原始数据。详细接收机设计原理见第四章。 在本章的最后，对扩频通信系统的原理进行简要的介绍。 1 2 扩频与解扩原理 在军事通信中，友台往往被敌台侦测或截获，并且容易受到故意释放干扰 ( 故意干扰) 的攻击。扩频技术最早就是为了解决这两个问题而被提出来的。 简单来说，扩频( 调制) 就是这样一种通信技术：被发射的调制信号在发射到 信道之前，其频带被扩大若干倍( 简称扩频) ；而在接收端，接收信号的频带则 被缩小相同倍数( 谓之解扩) 。如果通信信道不存在某种窄带( 相对于扩频带宽 而言) 干扰，并且扩频和解扩的带宽相同，那么解扩之后，接收信号将完全等 同于扩频之前的被发射信号，从中我们还看不出扩频的必要性，因为白噪声下 的信号匹配接收，其输出只与信号能量有关，丽与信号的波形无关。然而，当 存在窄带干扰时，扩频的必要性便体现出来：由于干扰时在发射信号被扩频之 后才加入的，所有接收端的解扩操作在将期望信号缩回到原带宽的同时，还会 将非期望信号( 即干扰信号) 的带宽扩频同一倍数，从而使窄带干扰变成了宽 带干扰，减小了其功率谱密度。因此扩频可以用来减小干扰对接收性能的影响， 实现抑制窄带干扰的目的，并且扩展的频带越宽，窄带干扰的抑制能力就越强。 为了达到扩展信号频谱的目的，扩频码的时钟必须远远高于信息数据序列 时钟。一个数据比特通常被扩展成包含扩频码的一个周期。扩频码序列中的一 个符号或一个比特，称之为一个码片。如图1 2 所示，发射机将数据序列d ( t ) 逐比特与二进制的扩频码序列p ( t ) 相乘，设数据序列的速率为凡( 比特秒) ， 干扰j ( t ) 发射机 接收机 图】2 直接序列扩频信号的相关接收与解扩 郎 一 器 莓 皇王型堇盔堂堡主鲨塞 扩频码序列的速率为( 比特秒) ，且r 矽凡，则得到的扩频信号为s ( t ) = d ( t ) p ( t ) 。 对应数据序列的每比特就包括了个码片。 设在接收端接收到的信号为“t ) = d ( t ) p ( t ) + j ( t ) ，其中j ( t ) 表示加性窄带干扰信 号。接收信号“t ) 与扩频码序列p ( t ) 相乘，从而得 r ( t ) p ( t ) = d ( t ) p 2 0 ) + ，( f 扫o ) = d o ) + j o ) p o ) 扩频信号解扩前后的频谱变化见图1 3 。这说明，将接收信号r ( t ) 与扩频码序列 p ( t ) 相乘有着双重作用：( 1 ) 将扩频信号d ( t ) p ( t ) 恢复到原始信号d ( t ) ，这就是所 谓的解扩；( 2 ) 将加性窄带干扰信号j ( t ) 进行了扩频处理，从而将干扰信号的 频谱扩展开来，起到了压制干扰的目的。 解扩前的频谱解扩后的频谱 图1 3 扩频信号解扩前后的频谱 考察速率比r 以d = 吠扩频信号序列的功率谱。具有速率r d = z 的数据序 列的功率谱为 删= 丁( 警) 2 而扩频信号序列d ( t ) p ( t ) 的功率谱为 删= 圭謦) 2 显然，若接收机将接收信号d ( t ) p ( t ) + j ( t ) 同p ( t ) ( f l 乘，则得到d ( t ) “( t ) p ( t ) ，第一 项d ( t ) 可以利用带宽为r d 的滤波器抽取出来，而第二项j ( t ) p ( t ) 则至少扩频到了 频率范围【靠，朋。因此，通过滤波器的干扰频率的功率约为1 d 。也就是说， 数据信号d ( t ) 与干扰信号的功率比置= 弧兀这就是图2 - 3 中所示出的处理增益。 可见，扩频技术的使用有效地抑制的干扰信号，为信号处理提供了较高的处理 增益。 电子科技大学硕士论文 1 3 作者工作及论文主要内容 本文主要对短波窄带数字直接序列扩频通信系统的理论背景，以及原理实 现，硬件设计进行了探讨。全文共分为五章，第一章即本章，绪论；第二章对 软件无线电的概念及其通信体系结构进行了简要的介绍；第三章介绍了窄带数 字直接序列扩频发射机系统原理及其总体方案设计；第四章介绍了窄带数字直 接序列扩频接收机系统原理及其总体方案设计；第五章给出发射机的测试结果， 及今后继续进行的工作。 电子科技大学硕士论文 第二章软件无线电通信系统的体系结构 移动通信在过去2 0 年中获得了飞速发展，成为现代通信中的一个亮点。同 时由于移动通信的迅速发展和高收益，带来了激烈的竞争，从而造就了移动通 信技术和系统的多样性，而各技术标准和系统之间差别很大又不能互相兼容。 特别是新业务的巨大吸引力又给用户和移动业务提供商造成了很大的压力，迫 使他们不断更新设备，可是这通常要造成设备和投资的浪费。问题的关键在于 目前的绝大多数移动通信设备是完全基于专用硬件设计的，给移动通信系统的 兼容和互联，以及快速、灵活的升级带来了很大的约束。如果能够利用运行于 通用硬件平台上的软件来实现无线通信功能，充分发挥软件的灵活性，通过重 新配置的软件来实现不同的无线通信技术标准，将会带来基于专用硬件的无线 系统所不具备的优越性这就是软件无线电概念产生的源头。 软件无线电最初起源于军事通信，如美国军方研制的三军通用软件无线电 台基于可编程d s p 芯片的多频段、多方式电台的计划s p e a k e a s y ，它 的工作频段覆盖2 - - 2 0 0 0 m h z ，可以替代现有的十多种军用电台。商用软件无 线电的研究有a c t s ( 包括f i r s t ，f r a me s 等子项目) 、r a c e 。 2 ，1 软件无线电的概念 软件无线电是近年来随着计算机及微电子技术高速发展而产生的一种全新 的无线电技术。软件无线电技术的核心概念是随着大规模集成电路技术的不断 进步，芯片处理速度的迅速提高，从而有可能在通用可编程d s p 芯片或通用 c p u 芯片平台上，利用软件来完成以前必须用专用硬件电路才能实现的多种数 字信号处理的功能。由于软件所具有的灵活、廉价等特点，在软件无线电通信 系统中可以实现多种通信协议的兼容，便于通信技术升级，同时可以引入多种 先进的动态调整技术，从而大大提高无线通信系统的功能和服务质量，有利于 各种通信新标准的实施和兼容，使无线通信系统实现极大的灵活性和开放性。 软件无线电的基本思想有两点：将a d a ( 模数模转换) 功能尽可能地靠近 天线端；用软件完成尽可能多的无线电功能。软件无线电是将模块化、标准化 的硬件单元以总线的方式连接起来构成基本平台，并通过软件加载实现各种无 线通信功能( 包括不同频段、不同制式) 的一种开放式体系结构。软件无线电主 要具有灵活性和集中性两大优点。灵活性即可以任意地转换接入方式，改变调 制方式或接收不同系统的信号等，利用这一特点，可以实现对现有多种体制的 “无缝”连接。集中性即多个信道享有共同的射频前端与宽带a d a 转换器， 以获取每一个信道相对廉价的信号处理性能。此外，软件无线电系统还具有的 开放性、模块化、标准化、适于大规模制造等诸多优点，这些优点必将给无线 通信市场带来又一次的飞跃。因而软件无线电技术的研究悄然成为各国竟相研 电子科技大学硕士论文 究的焦点。 2 2 软件无线电通信系统的体系模型 传统的通信系统的概念是发信者使用无线电发射机将用户信息传给接收 者；中间通过一定的通信信道，接收者使用相应的无线电接收机接收信息。传 统无线电通信模型见图2 1 。从无线电工程师的角度看，这种无线电发射机的专 用设各应包括信源处理和信道处理两部分。信源处理是将原始信息( 如语音) 转换为适当的电信号，信道处理是将电信号转换为适合于在无线电射频( r f 一 一r a d i of r e q u e n c y ) 信道上传输的波形。在射频信道中会引入信道失真、噪声 以及时间延迟。在这种传统的通信系统中，需要人工干预的控制很少，只有像 电源开关、音量控制、接收机的噪音控制预计手动选择信道等几个简单的控制 功能。软件无线电的多频带、多模式、多线程以及多个性化的特点需要在这个 简单的通信模型上进行扩展。 图2 1 传统无线通信模型 图2 2 给出了软件无线电通信系统的体系模型。一个理想的软件无线电系 统肯定是一个多频段、多模式的无线通信系统，它在网络协议各层次上的功能 都能通过软件定义来“动态”实现，更重要的是，这种特有的灵活性同样也支持 物理层上功能的实现。 图2 2 所示的软件无线电系统的体系模型充分体现了软件无线电同传统无 线电技术的区别，突出了软件无线电系统的主要特点。不同波段、不同模式的 无线电功能可以灵活地通过个性化无线电节点来实现。首先，软件无线电支持 多频带技术，它将传统无线电系统中的r f 信道部分扩展为r f 信道集，从而能 够同时接通多个频段，并且，此信道集不单单包含r f 频段，还包含所有可能 的信道方式，如光纤或电缆。同样，在软件无线电中信道处理部分也扩展为3 部分：可编程的r f 信道接入部分、中频i f 处理部分和调制解调部分。其中可 编程的射频及信道接入部分是对多个射频段和其他可能的信道接入方式进行自 动的接入：中频处理部分是进行滤波、频率交换、波束形成等处理：调制解调 皇兰型垫盔堂塑堕塞 部分包含了多种可用的调制技术，它是为实现多模式无线电所要求的多种调制 方式而存在的。 图2 2 软件无线电通信系统的体系模型 传统通信系统只能完成话音信号的传输，而软件无线电要完成多种信息的 传输，包括话音、数据、传真、视频以及多媒体信息，因此软件无线电的信源 处理部分要能够处理所有可能的信源信息。另外，有些信源在物理位置上可能 是远离无线电收发信机的，因此这些信源可能需要通过服务和网络支持连接到 局域网或其它网络上。所有的这些函数模块共同实现一个多频段、多模式、多 线程以及多个性化的软件无线电：青点，由一个联合控制函数来管理和控制，保 证了系统的稳定性以及系统的自动恢复。联合控制使得系统具有自动选择频带、 自动选择数据格式以及自动选择调制方式的功能。无线电系统越先进，联合控 制就越复杂。 2 3 软件无线电通信系统中的关键技术 软件无线电以其特有的方法赋予了无线电更多的个性。它以软件定义空间 接口，其最重要的特征就是使数模转换尽可能地靠近天线，从而以软件控制的 形式完成从中频到基带的数字信号处理。软件无线电系统按照功能划分可以分 为三大部分：射频处理部分、中频及基带处理部分以及控制管理和支持部分。 图2 _ 3 给出了软件无线电系统的关键模块框图。射频处理部分包括所有射频的 模拟器件，中频及基带处理部分完成所有数字化处理，而控制管理和支持部分 完成整个系统的运行维护、提高服务质量以及新业务的开发等任务。 电子科技大学硕士论文 图2 3 软件无线电系统的关键模块 典型的软件无线电系统根据功能及自身特点的不同，可将其划分为如下几 个关键技术模块：多波束智能天线、射频转换、模数转换、数字中频处理和基 带和比特流处理，每一部分都有其特点和技术要求，下面就逐一进行介绍。 2 3 1 多波束智能天线 软件无线电的天线具有接入多个频段的功能，理想的软件无线电系统的天 线部分则应该能够覆盖全部无线通信频段，这对天线技术提出了较高的要求。 对于第3 代移动通信，一般认为其频带宽度为1 8 0 2 3 0 m i - i z 。利用组合式多频 段天线是可以实现全覆盖的。 通常来说，无线电台的射频前端机发射天线和接收天线部分都是由固定硬 件实现的，但是软件无线电具有智能的、可编程的数字信号处理核心，可以充 分利用此优势对固定天线接收下来的信号进行优化组合，达到提高信噪比、抑 制同信道干扰、增大系统容量的目的。这种可以动态配置的天线系统就是目前 软件无线电系统中的关键热门技术之一智能天线技术。 移动通信系统中的智能天线技术，简单地说，就是在基站端使用自适应的 天线阵，并运用可靠的自适应算法来抑制同信道干扰，达到提高信噪比、增大 系统容量的目的。把智能天线技术运用到软件无线电系统中，同样可以得到系 皇王型垫盔堂堡鲨塞 统的增益。理想的使用智能天线技术的软件无线电系统使用的是由m 个全向天 线阵元组成的天线阵。对应于每一个天线阵元，都有一套下变频器和宽带a d a 采样器。接收信号通过下变频器将射频信号搬移至中频，再通过宽带a d 采样 形成数字信号。此时，每一个天线阵元接收到的信号已变换为中频数字信号， 此信号经过信道分离，分别得到l 个信道的信号。也就是说，对应于每一个用 户信道都有m 个天线阵元的接收信号，这样就可以利用自适应波束形成算法对 接收信号进行处理。每一个信道独立使用一个波束形成模块，比如信道l 的波 束形成器，它所处理的信号包括第一个天线阵元接收到的信道1 的信号、第二 个天线阵元接收到的信道1 的信号+ 、第m 个天线阵元接收到的信道l 的 信号。通过自适应的调整波束形成算法中的加权矢量，所有的这些信号分量可 以合并，得到一个最佳的接收信号，从而可以提高接收信号的质量，有效抑制 干扰，增加系统容量。目前，已经可以采用更为先进的波束形成与信道分配算 法来替代简单的波束形成算法，使软件无线电中的智能天线技术得到更大的增 益。 2 3 2r f 转换技术 r f 转换部分包括产生输出功率、接收信号的预放大、射频信号和中频信号 的转换等。现阶段r f 变换采用模拟方式。此外，软件无线电对天线设备提出 了严格的要求，包括放大器的线性要求、对邻道的隔离要求以及避免基带处理 器的时钟频率调谐进入射频的模拟电路中去。在商用的移动通信系统中，天线 应该在u h f 波段内具有相同的方向图形状和极低的损耗。 2 3 3a d a 模数转换技术 信号在中频甚至射频的数字化是用软件对信号进行处理，实现软件无线电 的关键之。宽带a d f a 转换器实现的正是这一功能。宽带a d a 通常设置在 中频处理部分和r f 转换部分之间，完成对中频信号的数模转换，这给中频的 数字处理带来了很高的灵活性，但同时对a d 、d a 的性能提出了很高的簧求。 一般来说，根据被采样信号的频率和带宽来决定采用何种a d 采样技术。 根据n y q u i s t 抽样定理，对带限信号的采样率必须大于信号带宽的两倍。实际 系统中通常采用过采样来抗频谱混叠，一般要求a d t a 的采样率工 2 5 b ，其 中口表示中频数字化带宽( 数十兆甚至上百兆) ，除采样率外，a d 采样的参数 指标还包括采样精度和采样信号的动态范围，同时a d i a 要具有较高的信噪比 和无寄生动态范围。对于一个给定的a d 芯片，由于受处理速度的限制，它能 够达到的采样频率和动态范围及采样精度是成反比的。当前流行的a i d i a 采样 率最高可达每秒数百兆抽样点，但仍不能满足宽带射频信号的要求。因此，在 实用系统中，对带宽要求很高时，通常使用数字化带宽更窄的并行a i d i a ，而 不是单一高速的a i d i a 数字化整个频带。由于动态范围与采样率的乘积基本上 皇王型垫盔堂堡主堡苎 是常数，所以这种方法既降低了对a d a 高抽样率的要求又可咀保证a d a 具有较宽的动态范围。 2 3 4 数字中频处理技术 在一个软件无线电系统中，数字中频部分是连接射频和基带信号的纽带， 它接收到的是从宽带a d a 送来的一个含有多路信道的宽带数字信号。数字中 频的任务就是将其中的某种特定信道提取出来，并经过抗混叠中频( i f ) 数字滤 波和数字下变频的处理，将这个信号转换到基带，然后进行基带的数字信号处 理。 数字中频部分的复杂性和大运算量主要在于频率转换( 即数字下变频) 和中 频数字滤波。这部分实现了已调基带信号与中频信号之间的变换，这种变换是 通过离散时间点运算实现的。在发送信道中，离散的基带波形乘以离散的参考 载波形成离散的数字中频信号。在接收信道中，该部分能够以宽带滤波的方式 从宽带信号中恢复出所需的信道( 如2 0 0 k h z 的g s m 信道的和1 2 5 m h z 的i s - - 9 5c d m a 信道) ，并将信号转换成基带信号。频率变换和滤波的复杂度是该 部分处理需求的决定性因素。 天线端接收到的射频信号经过一或两次混频，将信号搬移到几十兆频的中 频频段，然后用宽带a d 进行a d c 采样。数字中频处理部分则对这个含有多 路信道的宽带数字信号进行大数据量的处理，包括用于信道选择的中频数字滤 波和将频率降低到基带的数字下变频，功能框图如图2 4 所示。如此大量的数 据处理，对d s p 芯片的技术要求就会很高，随着宽带移动通信系统的日益成熟， 人们开始结合使用a s i c 、d s p 、f p g a 以及一些专用的c p u 来完成这部分功 能。在实际应用中，由于可使用的d s p 芯片性能的限制以及为保证系统工作的 稳定性而增加的冗余度，在目前使用软件无线电技术的基站系统中，往往采用 多处理器的硬件结构。 图2 4 数字中频处理部分功能框 电子科技大学硕士论文 2 3 5 基带和比特流数字信号处理 比特流处理部分完成将多个信源比特进行复合，对比特流进行前向纠错 ( f e c ) 处理，包括交织、卷积编码算法以及自动重发请求( a r q ) 的检测和响应等。 此外还应支持比特填充、比特加密。通常通信安全处理( 加密和解密) 也在其中 完成。这部分的复杂度与比特的复合、帧排列、f e c 编码方式、复用操作、加 密以及相应的一些控制操作算法有关。此外该部分还完成抗衰落、抗干扰的各 种算法，如g s m 的自适应均衡算法、c d m a 的r a k e 接收算法和功率控制算 法。这部分运算的复杂度与基带的带宽、调制方式及调制波形的复杂度以及算 法的复杂度都有关系。 电子科技大学硕士论文 第三章短波窄带直接序列扩频数字发射机的设计与研制 3 1 概述 本课题中，短波窄带直接序列扩频( 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 ) 数 字发射机的研制，本着“基于p c i 总线模块化、窄带拼宽带的思路、体现软件无 线电思想”进行设计。此发射机基于p c i 总线进行发射模块设计，可在微机内多 个p c i 插槽，实现多路扩频发射信号的扩展。而每个发射模块又能够实现同时 产生四路相互正交的扩频信号，这就充分实现窄带拼宽带的思路。同时在发射 模块中使用f p g a 与专用a s i c 芯片相结合，采用先进的数字电路设计技术， 更进一步体现了软件无线电的思想。 3 2 方案设计及论证 3 2 1d s s s 发射机的技术指标 载波频率：5 0 0 k 3 0 m h z ； 中频带宽：b = 2 5 k h z ： 扩频码码型：g o l d 码； 扩频码码长：6 3 ，1 2 7 ，2 5 5 ，5 1 1 ，1 0 2 3 ，2 0 4 7 输出路数：四路，可任选； 传输体制：d q p s k ： 发射功率：3 0 d b m w ； 3 2 2d s s s 发射机的原理 d s s s 发射机原理框图见图3 1 。将其分成四个部分：p c i 总线驱动程序接 口、f p g a 数据处理、多路上变频、混频及功放。 p c i 总线驱动程序接口负责将信息码利用p c i 总线的高速数据传输机制， 将信息数据传送到发射板上f p g a 内部构建的f i f o 缓冲区。 f p g a 数据处理部分处理的工作有； 完成接收总线数据到f i f o ； 完成将f i f o 中的数据按指定的发射信号路数，分路成指定的数据流通 道： 完成每一个通道的i q 分路；完成每一路i q 数据流通道的q p s k 差分 编码； 完成各组i q 数据流通道分别被四组不同g o l d 码序列的扩频运算； 完成各个支路的插值运算处理和脉冲成形滤波运算； 电子科技大学硕士论文 构造一个g o l d 码发生器产生四组相对延时固定的g o l d 码序列 图3 - 1d s s s 发射机原理框图 设输入的四组i q 数据流通道的码率都是r b ( b i t s ) ，扩频码的速率是r 。 ( b i t s ) 。一组i q 数据流通道中的i q 两路数据都被同一组扩频码地址码扩频， i q 两路信号按扩频地址码序列的时钟进行位异或运算，输出的数据流的速率 是r p ( b i t s ) 。课题中的中频信道带宽指标为2 5 k h z ，考虑保留适当的保护带宽 ( 2 0 ) ，则扩频地址码的最高速率r p = 2 5 k x 0 8 2 = 1 0 k b p s 。g o l d 地址码序列 电子科技大学硕士论文 码长定为n ，因此单路扩频信号中的最高信息速率r = 瓣糕= 鲁， 因此发射机的信息码能够达到的最高速率为4 x 2 x r b m a ) 【。由此可见，利用四路 固定相对延时的窄带扩频信号的同时产生，将信息码传输速率提高了4 倍，这 正体现出了窄带拼宽带的思路。 多路上变频部分由四片上变频器a d 9 8 5 7 、功率合成器和窄带晶体滤波器 组成：每一片a d 9 8 5 7 完成对一路扩频信号剩下的插值运算，及到第一中频 4 1 4 m h z 的q p s k 调制；对四路中频信号分别进行窄带滤波器后，对中频信号 带外的能量进行有效压制。用功率合成器实现四路中频信号的合成；最后，用 窄带滤波器再进行一次滤波，输出给下一单元。 混频及功放部分完成将a d 9 8 5 7 输出的4 1 4 m h z 载波信号混频到短波段 5 0 0 k 3 0 m h z 之间任一频率点及混频后的窄带滤波。详细的论证见3 2 9 节。 3 2 3 q p s k 调制与解调原理 q p s k ( 四相相移键控) 是在一个调制符号中传输两个比特，比二相制相 移键控( b p s k ) 的带宽效率高了两倍。q p s k 载波的相位为四个间隔相等的值， 比如0 、厅2 、万、3 石，2 ，每一个相位值对应于唯一的一对消息比特。这个符 号状态集的q p s k 信号可定义为： r = f i r 一 s 畔( ) = 、7 竽c 。s i2 矾f + ( f 一1 ) 詈i ，0 f 茎r s ，i = 1 , 2 ，3 ，4 v 1s lj 其中为t s 符号持续时间，等于两个比特周期；e s 为一个符号的能量。 q p s k 信号的二维星座图如图3 2 所示。图a 相位的值为0 、7 ，2 、7 、3 石2 ； 图b 相位的值为万4 、3 x 4 、5 万，4 、7 丌4 。 一，一 声、。0 e ， 二 丫1 ：l ， 、 卜一 r 二：瓷 f 2 b ， 、 j 、 - 1 l 、 j 、 ；l 、 、 一一 图3 2 q p s k 二维星座图 电子科技大学硕士论文 从q p s k 信号的星座图可以看到，星座中相邻点的距离为面。因为每 个符号对应于两个比特，所以e s = 2 e b ，e b 为一个比特的能量，这样q p s k 星座 中相邻两点的距离为2 百。因此，在加性高斯白噪声( a w ( 玳) 信道中平均比特 差错概率为： = q ( 赝卜 可见，q p s k 的比特差错概率与b p s k 相等，但在同样的带宽内传输了两 倍的数据。 当前输入前一时刻的编码 r n ( i ，q ) 0 00 1 1 11 0 0 00 00 11 11 0 0 10 l1 11 00 0 1 11 】1 00 0o l 1 01 00 00 1 当前时刻的编码输出 输 表3 1d q p s k 编码表 q p s k 的调制原理如图3 3 所示。而差分q p s k 是采用差分 编码，以便在恢复载波中存在相 位模糊时，实现差分检测或相干 解调。实现d q p s k 调制方法与 q p s k 的调制大体一样，只是在 i q 分路后，加入了一个差分编码 器。d q p s k 调制原理见图3 4 。 差分编码表见表3 1 。 图3 3q p s k 调制原理框图 电子科技大学硕士论文 输 图3 4d q p s k 调制原理框图 当信号码元1 、“0 ”出现的概率相等时，q p s k 信号的功率谱密度为： = 毛 黜 2 + ( 觜) 2 功率谱图见图3 6 ： 图3 6q p s k 信号的功率谱密度 图3 7q p s k 信号解调原理框图 1 7 皇王型垫盔堂堡主重塞 q p s k 信号的相干解调原理框图见图3 7 。 3 2 4 脉冲成形技术 3 2 4 1 使用脉冲成形滤波器的必要i 生 当矩形脉冲通过带限信道时，脉冲会在时间上延伸，每个符号的脉冲将延 伸到相邻符号的时间间隔内。这会造成符号间干扰( i s i ) ，并导致接收机在检 测一个符号时发生错误的概率增大。一个显而易见的减少符号问干扰的方法是 增加信道带宽。可是，对于通信系统要求占用带宽要小，以及可以减少调制带 宽和抑制带外辐射，同时又非常需要减少符号间干扰。因此，增加信道带宽应 是不得已而采用的方法。兀( f 0 ) 奈奎斯特是第一个解决既能克服码间干扰又保持小的传输带宽问题的人。 他发现只要把传递函数通信系统( 包括发射机、信道和接收机) 的整个响应设 计成在接收机端每个抽样时刻只对当前的符号有响应，而对其他符号的响应全 等于零，那么符号间干扰i s i 的影响就能完全被抵消。他还证明了任何传递函 数为矩形带宽的滤波器，与一个在矩形滤波器的通带外为零值的任意偶函数z ( o 相卷积，结果满足零i s i 条件。数学上，满足零i s i 条件的滤波器可表示为： 够( ，) 兀( 爿。z 其中z c r ) = z ( - j ) ，当i 州2 f o ( 1 2 e ) 时，z o o = o ；n f 等l 是矩形“砖墙” j0 滤波器的传递函数。表达为冲激响应的形式，奈奎斯特准则表明任何滤波器只 要其冲激响应为： k ( f ) ：堂掣z o ) 就可以消除i s i 。 一个有效的端到端传递函数，经常通过在接收机和发射机端都使用传递函 数为h e f r 的滤波器实现。因此使用脉冲成形技术能提供系统匹配滤波器响应的 优点，同时减少了带宽和码间干扰。 3 2 4 2 升余弦滚降滤波器 在移动通信系统中最普遍的脉冲成形滤波器时升余弦滚降滤波器。其传递 函数为： 电子科技大学硕士论文 日r c 1；0 - v l ( 1 一口) ，2 疋 1 + c o s ( 三掣 ；o 一口，z t l 厂i o + 口，z t o ； ( 1 + 口) ，2 疋 1 时，i s i n ( 3 ，r 2 1 】“3 n ：2 i ，所以第一旁瓣电平a 1 为： 4 = 罢 它和主瓣电平的差值c 用a b 表示，为= z 。g ( 云 = 2 。s ( 等 = 1 3 4 6 船 d o l l 可知，单级c i c 滤波器的旁瓣电平是比较大的，只比主瓣低1 3 4 6 d b ，这 也就意味着阻带衰减很差，一般是难与满足实用要求的。为降低旁瓣电平，可 以采用多级c i c 滤波器级联的办法来解决，例如用m 级c i c 实现的频率响应 为 h 。g 一) = r w ，、1 m 8 1 n i 了j 而l 2 8 1 n 引j 尥”( 丝2p ( 兰2 ijij 同理可求得m 级c i c 滤波器的旁瓣抑制为 电子科技大学硕士论文 a m = 2 0 1 9 玎= 叫舟 当m = 6 时，6 ：6 x 1 3 。4 6 d b ：8 0 7 6 如。 级联c i c 滤波器的结构框图如图3 1 8 所示。 翰一墙壁够母m 图3 1 8级联c i c 插值滤波器结构图 由图可见，级联c i c 滤波器的实现是非常简单的，不需要一般f i r 滤波器 所需的乘法运算。 在使用c i c 滤波器时一个值得注意的问题是：m 级c i c 滤波器的频率响应 0 一) 表达式为日。g 一) = t m s a ”【要1 踟“( i wj ，其中它的处理增益为i m 。当 二 随着级数m 的增多和插值因子加大，处理增益也越大，所以在软件或硬件实现 c i c 滤波器，每一级必须保留足够的精度，否则就有能引起溢出错误，或运算 精度的降低。 3 2 5 2 2 - 2 半带滤波器( h a l f - b a n df i l t e r ) 原理 半带滤波器是一种具有某些独到特性的f i r 滤波器。假设一种f i r 滤波器 的冲激响应矗例为实数并且为偶对称的，那么它的频率响应日- 一) 是以2 z 为周 期的实函数，而且是w 的偶函数，即h ( e 一) = g 一一) 。这样一个f i r 滤波器要 满足条件：h ( e j w ) + h ( e j ( ) 1 = 1 ，如图3 1 9 所示。 由于h g 一) 是以2 z 为周期的函数，而且是w 的偶函数，因此有 日g - ( w f 户1 一日g 一) ，而且嵋= 厅一w ，这里w ，为滤波器通带的上弦，w s 为 阻带的下限。当w = 三时，【e 曙1 = j 1 。满足以上条件的滤波器称为半带滤波 皇王型垫盔堂塑主堡塞 器。 h ( e j ”) 和h g ，( ) ) 是相对于要对称的，而j h ( e j ( ) 刚好是二倍插值后滤 波器以为7 r 周期的频率响应，在信号的通带内( 即o w 。) ，没有产生频谱的 混叠，而在过渡带中是有混叠的。因此在频率插值设计f i r 滤波器时只要保证 通带内信号没有失真就可以了，这样的半带滤波器可以满足信号插值滤波的要 求。 p ”j 一 - _ h 忙“j 王 聚? ： ( 1 0 4 个系统门，采 用基于v i r t e x t m 结构的流水线新结构，并采用先进的o 2 2 0 1 8 um 半导体工艺， 6 层板结构，支持多种i o 标准、片内含有嵌入式r a m ，以及芯片级和板级提 供时钟管理的数字延迟锁相环( d l l ) ，并可提供各种密度的低价封装形式。 表2 1 列出了x i l i n xs p a r t e n 1 1 主要系列f p g a 产品的一些特征参数。 电子科技大学硕士论文 器件逻辑单元系统门数c l b 阵列最大可用i o总块状r a