（通信与信息系统专业论文）dspfpga在直扩通信系统中的实现.pdf

摘要 摘要 本文详细地阐述了d s p + f p g a 系统在直接序列扩频通信系统中的应用原理及 其实现机制，描述了该机制实现的算法流程，系统原理框图，以及程序实现过程。 测试结果证明，遵循该软件结构和程序流程，该直接序列扩频通信系统可以较好 的实现其通信功能。它可作为将d s p + f p g a 系统应用于各种扩频通信系统中的参 考。 关键词：直接序列扩频通信d s p + f p g a 系统通信接口 a b s t r a c t a b s t r a c t t h i sp a p e rd e s c r i b e st h et h e o r ya n ds y s t e mf o rd s p + f p g ah a r d w a r es y s t e mi n d i r e c ts e q u e n c es 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 mi nd e t a i l ，i n c l u d i n gt h ep r o g r a m f l o wc h a r t ，t h e o r e t i cs t r u c t u r ea n dp r a c t i c a b l em e t h o d t h et e s t i n gr e s u l ti l l u m i n a t e st h a t t h em e t h o dc a l lm e e tt h er e q u i r ef o r t h ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m t h i sp a p e rc a nb ea r e f e r e n c ef o rr e s e a r c ho ns p r e a ds e q u e n c ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m sw i t hd s p + f p g a h a r d w a r es y s t e m k e y w o r d ：d i r e c ts e q u e n c 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 i n t e r f a c ef o rc o m m u n i c a t i o n d s p4 - f p g ah a r d w a r es y s t e m 独创性( 或创新性) 声明 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 的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 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：。熬蠢笨 日期： 丝左缉圣丑壁鲴 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，在一年解密后适用本授权书。 本人签名：基数日期：趔缇三旦墨旦 导师签名： 第一章概述 第一章概述 1 1 引言 进入2 1 世纪，全球步入信息化时代，信息的产生和传递非常迅速，已影响了 社会的各个方面，因而对通信提出了更新、更高的要求。移动通信系统综合利用 了有线和无线的传输方式，解决了人们在活动中与固定终端或其他移动载体上的 对象进行通信联系的要求，它的发展使人类步入一个新的信息时代。 目前，为了满足人们日益增长的对通信业务的需求，从2 0 世纪9 0 年代初期 就开始了第三代移动通信系统的研究，以采用更先进的技术、支持多种业务和全 球的覆盖范围。 第三代移动通信系统( 3 g ) ，亦即未来移动通信系统，是一代有能力彻底解决 第一、二代移动通信系统主要弊端的最先进的移动通信系统。它的主要特点是：广 泛采用c i ) m a 码分多址的数字化技术；大容量的数据库和数字通信软件的开发应 用；通信的个人化、全球化，形成了全球统一的智能化通信网，实现了能在任何地 方、任何时间获得任何种类信息的个人通信；通信的综合化，包括各种通信网络( 陆 地移动通信网、卫星通信网和有线通信网) 的综合，还有数据、语音和视频的各种 业务的综合。c d m a 多址技术完全适合现代移动通信网大容量、高质量、综合业务、 软切换、国际漫游等高性能要求。随着c d m a 技术的不断完善和某些关键技术的解 决，以c d m a 多址技术为基础的第三代移动通信系统( i m t 一2 0 0 0 ) 已经成为现代 通信技术的重要发展方向。 1 2 研究背景及项目来源 c d m a ( 码分多址c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 技术，是以扩频通信为基 础的多址连接技术。其基本原理就是扩频通信，即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，使用强烈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的地址码，信道中所要传 输的信号在频域和时域上可以重叠。在接收端则利用地址码的相关性，产生一个 与发送端完全相同的本地地址码。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，并将同一载波的不同码序列区分出来。丽对于其他用户 码，在相关接收时，只相当于噪声，不会对有用信号构成干扰。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 2 d s p + f p g a 在直扩通信系统中的实现 当今多种扩频技术中，直接序列扩频通信( d s s s ) 是目前应用最广泛的一种扩频技 术。 与此同时，随着信息技术革命的深入和计算机技术的飞速发展，低速、低可 靠性的单片机以及小规模的集成电路已经越来越不能满足需要，正逐渐被d s p 与 可编程逻辑器件( 如f p g a ) 所取代。d s p 芯片的优点是通过编程可以应用到广泛 的产品中，并且己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；现场可编程门阵列( f p g a ) 是在专用a s i c 的基础上发展出来的， 它克服了专用a s i c 不够灵活的缺点，其优点主要在于它有很强的灵活性，即其内 部的具体逻辑功能可以根据需要配置，对电路的修改和维护很方便。因此，d s p 与 可编程逻辑器件已经越来越广泛地应用于当今各个领域中。 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d s p + f p g a 在直接序列扩频通信系统中的应用方案，并利用软件和硬件平台的相互结合 来予以实现。研究内容主要依据合作项目“便携式基站基带关键技术研究”，其主 要目的是设计一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f p g a 和d s p 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 l i 系列的x c 2 v 1 0 0 0 芯片， d s p 采用面公司的t m s 3 2 0 c6 7 1 1 系列。 1 3 本文研究的主要内容 作者通过对一套基于d s p + f p g a 实现的直接序列扩频通信系统基带处理板进 行d s p 、f p g a 程序设计和整体系统调试，基本掌握了实现直扩通信系统软件的关 键技术。 本文后续内容具体安排如下； 第二章：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：详细介绍一种实现直接序列扩频通信系统的设计方案。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：基于该设计方案，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，并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。 第五章：通过对系统进行整体调试，并结合发现的问题进行分析，对如何改 善系统通信性能提出了解决方案，并给出了一些相关钡0 试结果。 第六章：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。 第二章扩频通信系统简介 第二章扩频通信系统简介 2 1 扩频技术概述 3 扩频通信技术是一种信息传输方式，其信号所占有的频带宽度远大于所传信 息必需的最小带宽；频带的扩展是通过一个独立的码序列来完成的，用编码及调 制的方法来实现的，与所传信息数据无关；在接收端则用同样的码进行相关同步 接收、解扩及恢复所传信息数据。扩展频谱通信( s p r e a ds p e c t r u mc o m m u n i c a t i o n ) ， 它与光纤通信、卫星通信，一同被誉为进入信息时代的三大高技术通信传输方式。 在发端输入的信息经信息调制成数字信号，然后由扩频码发生器产生的扩频 码序列去调制数字信号以展宽信号的频谱。展宽后的信号再调制到射频发送出去。 在接收端收到的宽带射频信号，变频至中频，然后由本地产生的与发端相同的扩 频码序列去相关解扩。再经信息解调、恢复成原始信息输出。由此可见，一般的 扩频通信系统都要进行三次调制和相应的解调。一次调制为信息调制，二次调制 为扩频调制，三次调制为射频调制，以及相应的信息解调、解扩和射频解调。与 一般通信系统比较，扩频通信就是多了扩频调制和解扩部分。 扩频通信应具备如下特征：( 1 ) 数字传输方式；( 2 ) 传输信号的带宽远大于 被传信息带宽；( 3 ) 带宽的展宽，是指用与被传信息无关的函数( 扩频函数) ，对 被传信息的信元重新进行调制实现的；( 4 ) 接收端用相同的扩频函数进行相关解 调( 解扩) ，求解出被传信息的数据。用扩频函数( 也叫伪随机码) 调制和对信号 相关处理是扩频通信有别于其它通信的两大特点。 2 1 1 扩频通信系统 所谓扩频通信系统是指，要传输信息的频谱用特定的扩频函数扩展后，成为 宽频带信号，然后送入信道中传输，在接收端再利用相应手段将其压缩，从而获 取传输信息的通信系统。即在传输同样信息时，所需的射频带宽比普通的调制方 式要求的带宽要宽得多。扩频带宽至少是信号带宽的几十倍甚至几万倍。传输信 号已不再是决定调制信号带宽的一个重要因素，调制信号的带宽主要由扩频函数 来决定。扩展频谱系统必须满足以下两条准则：( 1 ) 传输带宽远远大于被传送的 原始信息的带宽；( 2 ) 传输带宽主要由扩频函数决定，扩频函数通常是用伪随机 编码信号。 扩频通信系统按照工作方式可分为以下几种： 4 d s p + f p g a 在直扩通信系统中的实现 ( 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。 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 图2 2跳频系统组成框图 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。 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 第二章扩频通信系统简介 5 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( t 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1 2 】。 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 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( n i ，i h ) ，以及直扩、跳频与跳时的结合( d s f h r m ) 等。这 几种最常用的是直扩( d s ) 、跳频( n i ) 以及二者的结合( d s f h ) 。 2 1 2 扩频通信理论依据 扩频系统比一般的系统具有更强的抗多径干扰、抗人为干扰、抗窄带干扰的 能力，此外还具有保密性高、低的空间无线电波通量密度等优点。其理论依据如 下。 ， 根据著名的香农公式：在白噪声干扰条件下，通信系统的信道容量为 c c b l 0 9 2 ( 1 + 专_ ) ( b 豇s ) 式( 2 1 ) v 其中b 一信道带宽( h z ) ；s _ i 言号平均功率( w ) ；n 一噪声平均功率( w ) 。 若白噪声的功率谱密度为n o ，则信道容量 6 d s p + f p g a 在直扩通信系统中的实现 c = 口1 0 9 2 0 + 赢，。) 式( 2 - 2 ) 从上面的式子可以看出： ( 1 ) 要增加系统的信息传输速率，即增加信道容量，可以通过增加传输信号 的带宽( w ) 或增加信噪比( 渊) 来实现。 ( 2 ) 对于一个给定的信道容量而言，既可以用增大信道带宽同时相应降低信 噪比的办法达到，也可以用减小信道带宽同时相应增大信噪比的方法实现。这就 是说：信道容量可以利用带宽和信噪比的互换而保持不变。 ( 3 ) 当带宽增加到一定程度后，信道容量c 不可能无限制地增加。 因此，在无差错传输的信息速率c 不变时，如信噪比很低( b i s 很大) ，则可 以用足够宽的带宽来传输信号【2 1 。 2 2 伪随机序列 伪随机序列或称伪随机码，它是模仿随机序列的随机特性而产生的一种码字， 也称伪噪声序列。在扩频通信系统中，伪随机序列的特性对系统的性能有重要的 影响，因此在讨论扩频技术之前，先简要介绍一些有关伪随机序列的概念和特性。 在工程应用中，通常用二进制伪随机序列，序列中只取“1 ”或“0 ”两个值。对 伪随机序列的一般要求： ( 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，但具有和随机序列类似的随机性、 使不知此预定规律的无关接收者难以检测到信息。 ( 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 ) 随机序列的数目足够多，保证在码分多址( c d m a ) 通信系统中应用时， 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【l 】o 下面简要介绍两种伪随机序列：通信系统中最常用的r n 序列和g o l d 序列。 2 2 1m 序列【1 l m 序列即最大长度线性反馈移位寄存器序列。m 序列产生器的一般结构如图 2 4 所示。其中1 ，2 ，3 n 是移位寄存器的编号，口“( i = l ，2 ，n ) 是 各移位寄存器的状态，c 。对应各移位寄存器的反馈系数，c ；= 1 表示该级移位寄存 第二章扩频通信系统简介 7 器参加反馈，c ；= o 表示该级移位寄存器不参加反馈。图中c o 和c 。不能等于0 ，因 为c 。= o 意味着移位寄存器无反馈，而c 。= 0 意味着反馈移位寄存器要蜕化为n 一1 或更少级的反馈移位寄存器。 c o 图2 4 反馈移位寄存器结构 由图可见，第一级移位寄存器在下一时刻的状态是由相关移位寄存器在当前 时刻的状态经反馈后共同决定的，即反馈系数为 a i _ c l a t - 1 + c 2 a i 一2 + + c a i 一。 ( 模2 加)式( 2 3 ) 这是一个线性递归函数。只有当输出序列的长度等于k 一2 。一1 才属于m 序列反馈 移位寄存器。 m 序列的优点是产生容易和自相关特性优良，不足之处是当移位寄存器级数n 一定时，改变反馈连接方式能得到的不同m 序列数日n 比较少。n 可用以下公式 计算 一垂( 2 “- 1 ) n式( 2 - 4 ) 这里垂( 宰) 为欧拉函数。 2 2 2 戈尔德( g o l d ) 序列【1 j g o l d 序列是由i l l 序列的“优选对”构成的。所谓优选对是指i n 序列中互相关 值为 一i ，一t ( n ) ，t ( n ) 一2 的一对序列，其中 一眇2 t 4 俐* 1 ) z ：+ “1 , 笔慧 式( 2 - 5 ) 戈尔德序列族由m 序列中的优选对 x j 和 y ，) 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 4 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 8 d s p + f p g a 在直扩通信系统中的实现 r f - 1 茹7 母2 + 1 ) - 咖- h t ( n ) , ， 荔- - 1 , 翟麓 ( n 为奇数) ( n 为偶数，但不为4 整除) 式( 2 6 ) 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，而且可得到的 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。 2 3 直扩系统部分模块介绍 下面主要对常用的几个模块做简要介绍。 2 3 1 数字下变频 数字下交频器的组成与模拟下变频器类似，包括数字混频器、数字控制振荡 器( n u m e r i c a l l yc o n t r o l l e do s i l l a t o r - n c o ) 和低通滤波器( l p f ) 三部分组成，如 图2 5 所示。 图2 5 数字下变频器的组成 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 接收杌的性能，所以，数字下变频器必须进行优化设计。 在模拟下变频器中，混频器的非线性和模拟本地振荡器的频率稳定度、边带、 相位噪声、温度漂移、转换速率等都是人们最关心和难以彻底解决的问题。这些 问题在数字下变频中是不存在的，频率步进、频率间隔等也具有理想的性能，另 外，数字下变频器的控制和修改比较容易等特点也是模拟下变频无法比拟的。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 第二章扩频通信系统简介 9 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1 4 l 。 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。 2 3 2 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，更确切的说 是产生一个频率可变的正弦波样本，如式( 2 7 ) 。 s o ) 。c o s ( 2 石；生甩) ( h 。0 , 1 , 2 ，) | s 式( 2 7 ) 式中，i 。为本地振荡频率；f 。为d d c 输入信号的采样频率。 正弦波样本可以用实时计算的方法产生，但这只适用于信号采样频率很低的 情况。在软件无线电超高速信号采样频率的情况下，n c o 实时计算的方法实现比 较困难。此时，n c o 产生正弦波样本最有效、最简便的方法就是查表法，即事先 根据各个n c o 正弦波相位计算好相位的正弦值，并按相位角度作为地址存储该相 位的正弦值数据。d d c 工作时，每向d d c 输入一个待下变频的信号采样样本， ， n c o 就增加一个2 石皇生相位增量，然后按照y 2 万罟相位累加角度作为地址， l s 墨 l s 检查该地址上的数值并输出到数字混频器，与信号样本相乘，乘积再经过低通滤 波器滤波后输出，这样就完成了数字下变频。数字控制本地振荡器和数字混频器 的功能框如图2 6 所示。 车摄 ” 摄搴 车量 鸺 幅位 入 图2 6 数控本振和数字混频器的功能框图 d s p + f p g a 在直扩通信系统中的实现 从图2 6 可知，数控本振由三部分组成，包括相位累加器、相位加法器以及 正弦表只读存储器。相位累加器的作用就是将数字本振频率和本振偏移频率之和 转换成相位，每来一个时钟脉冲，相位在原来基础上增加一个相位增量。相位加 法器的功能是设置一定的初始相位以满足某些应用的需求。相位的正弦值用查正 弦表求得，也就是说，相位角度妒( 0 一纫) 与其正弦值表存在一一对应关 系：咖一t a b ( c ) ，t a b ( q 6 ) 表示以妒为地址，该地址上的内容数据。 2 3 ，3 数字匹配滤波器 数字匹配滤波器( d m f ) 是一种在最大信噪比准则下可获得最大输出信噪比 的滤波器。由误码率= e r m 见，以) 可以看出，大信噪比可以得到较小的误码 率，而误码率的减小又是数字通信系统性能改善的重要指标。 由于所选的p n 码是自相关性很好、互相关性相对较差一组g o l d 马，所以在接 收端，只有本路的数据完全与p n 码对准时才会出现一个很明显的相关峰值，而在 另外路数据匹配相关时，出现的是类似于白噪声的波动。利用此相关峰值进行发 射端和接收端的同步以及解调。 在模拟域中的积分器变换到数字域中时，相当于一个累加器。这样就可以用 数字电路的方法实现模拟的匹配滤波器，通常用d s p 或者f p g a 实现，由于本系统 的p n 码速率较高，d s p 的处理速度达不到要求，故采用f p g a 实现。d m f 电路由3 部分组成：循环移位寄存器组、乘法器和多输入加法器，结构如图2 7 。 一烈 。 图2 7 匹配滤波器原理图 目前，数字匹配滤波器一般是在基带上实现的，也就是说处理的是零中频信 号，在接收机中一般在中频进行a d 变换，将数据进行数字下变频后变成数字基带 信号送入匹配滤波器中。在图2 8 所示的数字匹配滤波器的基本结构中，其主要部 分是移位寄存器和累加器，在这里影响硬件规模的主要参数有每个码片的取样次 数k 、量化比特数q ，以及扩频序列的长度n ，兼顾系统性能和结构及复杂性，k 至 少取为2 ，这样才能保证同步后收发两端的相位误差d s ：j ：1 2 c h i p ，q = 3 ，n 根据具 体应用而定。 实现数字匹配滤波器可采用专用集成电路( a s i c ) ，国外有扩频专用集成电 路，它能在中频或基带上完成一系列的扩频处理功能，如美国z i l o g 公司的z 2 0 0 0 第二章扩频通信系统简介 1 1 和s t a n d f o r dt e l 踟n m u n i c a t i 彻s 的s t e l 2 0 0 0 ( a ) 等。目前国内主要采用f p g a 或 d s p 芯片来实现。在后面的项目中，数字匹配滤波器是利用f p g a 实现，f p g a 可 以高速地实现匹配滤波器，其结构主要由寄存器单元、本地伪码发生单元、平方 单元、累加器单元、检测单元及控制单元组成，如图2 8 所示。 2 3 4 滤波器 图2 8f p g a 实现匹配滤波器的结构 数字滤波器是数字信号处理的的一项重要的内容，利用数字滤波器可以在复 杂的信号中提取所需要的喜好，抑制不需要的信号，所谓数字滤波器，实际上是 用一有限精度算法来实现的离散时间线性非时变系统，以完成对信号进行滤波处 理的功能。 一个数字滤波器可以用系统函数表示为如下： 何( z ) 。娶 式( 2 8 ) “荟啦。 直接由h ( z ) 得出的表示输入和输出关系的常系数线性差分方程为： _ ) ，如) 2 薹口x y o 一足) + 荟6 x 工。一x ) 式( 2 。9 ) 可以看出，数字滤波器的功能，就是把输入序列通过一定的运算变换成输出序列。 数字滤波器可以用两种方法来实现，一种方法是把数字滤波器所要完成的运算编 成计算机程序，通过计算机来执行，即采用计算机软件技术来实现；另一种方法 是设计专用的硬件系统( 通常采用数字信号处理器，即d s p 技术) 来实现。 第三章直扩通信系统的方案设计 第三章直扩通信系统的方案设计 基于合作项目“便携式基站基带关键技术的研究”，本章主要介绍该项目所提 出的系统实现方案，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。 该项目所设计的便携式无线通信系统包括终端和基站两部分。具体而言，便 携式基站有1 个发射通道和1 0 个接收通道，系统框图如图3 1 所示；而移动终端 有1 个发射通道和1 个接收通道，系统框图如图3 2 所示。 图3 1 便携式基站系统结构 图3 2 便携式移动终端系统结构 系统主要参数如下：传输为长度有限的突发数据业务；传输数据速率不低于 9 6 k b p s ；捕获时问小于l m s ；频带宽度小于5 m ；发射支路中频：i o m ：接收支路 中频：7 0 m ；发射机信道数：1 ；接收机信道数：1 0 。 下面就发射和接收两部分具体说明。 d s p + f p g a 在直扩通信系统中的实现 3 1 系统发射部分 系统发射部分的总体结构框图如图3 3 所示： i 信道序列1 2 2 鲫耙p s 图3 3 发射部分结构框图 d s p 首先产生数据并完成基带部分的组帧，对输入数据进行相应处理，如增加 校验冗余、卷积编码和块交织等，形成具有一定速率的基带信号，具体过程如下： ( 1 ) 帧结构：以9 6 k b p s 的传输速率发送数据，帧长为2 0 m s ，每一帧包含 1 9 2 个比特。这1 9 2 个比特由1 7 2 个信息比特后跟1 2 个帧质量指示比特( c r c 校 验) 和8 个编码尾比特组成。帧质量指示比特置于1 7 2 个信息比特之后，用以确 定本帧数据是否有错。帧质量指示比特是对除它本身和编码尾比特之外的帧内所 有其他比特进行计算得到的结果，其产生多项式为： g ( x ) 篁工1 2 + 工1 1 + 工1 0 + x 9 + 工8 + x 4 + 工+ 1式( 3 1 ) 所谓编码器尾比特，就是每一帧数据的末尾为8 个全零比特，用于将卷积编码器 置于规定的状态。 ( 2 ) 卷积编码：采用码率r = 1 2 ，约束长度k = 9 的卷积编码器，其生成函 数为( 7 5 3 。5 6 1 ) 。 ( 3 ) 块交织：采用2 4 行1 6 列的阵列交织器，交织长度为2 0 m s 。数据符号 按列写入交织器，填满整个2 4 x1 6 矩阵后再按行输出，从而完成交织过程。 以上过程如图3 4 所示： 数据信道调制符号 旷昏怔丑趣雯卜臣 b i t s f r a m eb i t s 1 7 2 f 2 0 m 0 1 2 b i t sr a t e ( k b p s ) s y m b o l sr a t e ( 坶, s ) 89 , 63 8 4 1 9 2 图3 4 数据信道帧结构图 ( 4 ) 插入前导码和导频符号：在交织后的每一帧数据符号的前端加入4 ( 6 ) 个前导符号( p r e a m b l e ) ，前导符号为全零，用于帧捕获；紧接的为同步头，其中 第三章直扩通信系统的方案设计 前1 2 ( 8 ) 个符号为标识符，后1 2 ( 8 ) 个符号为c r c 效验符；为了改善相干解 调的性能，可以在数据符号的中段插入4 ( 2 ) 个导频符号；前导符号和同步头符 号，及数据帧结构如图3 5 所示。 图3 5 插入前导符号、同步头符号和导频符号后的数据帧结构 接下来，基带信号送入f p g a ，完成扩频和o o p s k 调制，并经过上变频发射 出去。 ( 5 ) 扩频：将信号分成同相( i ) 和正交( q ) 两路，分别与两个扰码序列p n i 和p n q 相乘。上、下行链路均采用o q p s k 调制方式，由o 路扰码序列扩频的数 据相对于由i 路扰码序列扩频的数据将延时半个码片时间，使得四相调制的最大相 位变化为9 0 度，而不会发生1 8 0 度的相位突变。其调制框图如图3 6 所示。 数据导 复用符 s ( t ) 图3 60 q p s k 调制结构框图 ， 注：实际设计与上图略有不同，去掉了w a l s h 正交扩频部分。利用7 阶移位 寄存器产生1 2 7 位g o l d 码，并根据实际系统要求对最后一位补0 构成1 2 8 位的i 、 q 支路扩频码。o q p s k 调制的串并变换也在实际设计中做了改变，即上下支路所 传数据相同，这一变化有利于接收部分频差相差估计模块的实现。 ( 6 ) 基带滤波器：采用4 8 阶f i r 滤波器，完成c h i p 成型滤波后，i 、q 两路 的码流分别与两路正交载波相乘，合并后形成射频输出信号。基带滤波器的抽头 系数满足以下关系： 勰( k ) 。f f ih 0 ( 4 7 k 盘4 8 瞻“4 8 式( 3 _ 2 ) j i l ( 七) 一0 2 1 6 d s p + f p g a 在直扩通信系统中的实现 3 2 系统接收部分 系统接收部分的总体结构框图如图3 7 所示： 图3 7 接收部分结构框图 中频模拟信号经过a d 变换进入f p g a ：在f p g a 中，中频数字信号首先经过数 字下变频转换为i 、q 两路正交基带数字信号；然后基带数字信号送入多径搜索器 完成多径相关峰的检测，并为r a k e 接收的相关器指示同步相关的位置；接下来i 、 q 正交支路数据连同多径搜索结果一同送入相关器进行相关处理；相关输出结果送 入频差相差估计模块进行信道估计；估计结果一方面送入数字下变频模块进行修 正，另一方面送入解调模块与相关输出结果配合完成相干解调；最后经过对齐的 多径分量进行合并，输出即为d s p 送来的原始基带信号。这一信号送入d s p 完成 解交织和v i t e r b i 译码，最终得到原始比特数据。 在设计中，数字上、下变频器、匹配相关器组、多径搜索器以及频差相差估 计模块是几个重要的模块，以下简要介绍实现算法。 ( 1 ) 数字下变频器( d d c ) ：经过o q p s k 调制和上变频的中频信号经过a d 、信 道和d a 首先到达接收机的数字下变频器。d d c 的主要部分是一个数控振荡器 ( n c o ) 、两个乘法器和两个l p f 。n c o 的作用是产生本地振荡，并根据频差相差估 计模块的输出结果控制本振信号的产生。接下来将本振信号和数字中频信号送入 乘法器，二者的乘积经过低通滤波得到i 、q 两路基带信号。 ( 2 ) 匹配相关器组：实际的结构匹配相关结构如图3 8 所示。 第三章直扩通信系统的方案设计 1 7 图3 8 匹配相关器结构框图 仅考虑单用户的情况时接收信号可以表示为： r o ) 一善届阻，p 一可) c 0 哎( f q ) + 办) + u o o q ) s i n ( q ( f 一- ) + 办) 】 式( 3 - 3 ) 其中m p ) 为扩频后经滤波成型的信号，声为各径衰减因子，r 为各径延迟，磊为各 径相差z 爿j l 厶m 表示各径。调制采用的是o q p s k ，i ，q 两路采用不同的扩频 码扩频，序列可表示为： n j z ：g 1 。，u 口= ) ，。g 2 。 式( 3 4 ) 与虼为数据码元，g 0 与g 。为两个扩频码序列。若不考虑衰减( 卢= 1 ) ，式( 3 - 3 ) 中的一径输入数字信号可表示为： 如，矗) = 靠g i c o s ( a , - l + 谚) + 6 k s i n ( 致撵互+ 魂) 式( 3 - 5 ) i 为采样周期，r a 一0 , 1 , 2 一不考虑噪声，经下变频及低通滤波后可得到： i ( m , n ) 。寻g 。c o s ( a o j 露z + 磊) + 寻g 。s i n ( a 心以正+ 唬) 式( 3 - 6 ) q ( 胁，n ) 。一1 - x 。g 1 ns i n ( a o , r , + 如) + 丢) ，。g 。c o s ( a q ”t + 弼) 式( 3 7 ) a m , 为频差，丸是收发端固有相差及信道引入相移的总和a 分别与两个g o l d 序列 相关后得到： 1 ( r e + 1 ) # - 11伽+ l - l 粥k 4 圭瓦。蚤皖c o s ( 叩霉+ 九) + 主k 荟瓯吒s i n ( a m , n z + 九) 式( 3 8 ) 1“+ r - l1 伽+ 1 ) - 1 佑2 - 主以三瓯吃s ( a 缈互+ 九) + 专匕磊嚷s i n ( a o , n z + 弼) 式( 3 9 ) 1扣+ 1 ) d1扣+ 坠- l 眠一壹瓦磊g 三出( 叩互+ 办) + 专k 墨g h 吆c o s ( a a , 开i + 靠) 式( 3 1 0 ) 1i m + 1 埘- l1 ( m * d , q - 1 q g 乙一一主以薹，瓯吒s 雌叩i + 弼) + 薹，嚷o o 酗螂i + 弼) 式( 3 - 1 1 ) 进行归一化令g 三一吒一1 。n 为一个数据符号中的采样点数。当一；1 ，并 产生相关峰时( 即完成对一个符号的解扩) 有： 1 8 d s p + f p g a 在直扩通信系统中的实现 ( 用+ 1 ) _ v 一1 i g i + q g 2 一蔓c o s ( 吐n t 十魂) 一巩 。苎盎7 i g 2 。一q g l 一罗s i n ( 吐n 互+ 如) 一匕 式( 3 - 1 3 ) 最终输出的相关峰为e + 瑶。但上面式子成立的条件是矗一虼一1 。也就是说只 有在i ，q 两路数据相同时( 前导序列或两路传输数据比特相同) 才可以用式( 3 1 2 ) 和( 3 1 3 ) 求出相关峰。 图3 9 替代的次优相关器结构 当两路传输数据不同时只能寻找一种次优的替代方法。因为i 路与q 路的多 径情况一致，所以相关时可以基于一个g o l d 序列对i ，q 两路信号进行处理，如 图3 9 所示，图中c n - 1 等为g o l d 序列值。 。 这种方式的匹配结果要略差于最佳方式，但它的应用不受i ，q 两路数据相同 的条件限制，并且比最佳方式简单。在f p g a 实现时为了节省资源最初的匹配滤波 器捕获( 程序中m a t c h _ c o r r e l a t i o n 中的m a t c h - f i l t e r 模块) 就采用这种方式，相 关器细同步采用最佳方式。 ( 3 ) 多径搜索器：多径搜索器由前面介绍的匹配相关器与多径选择器组成， 是r a l ( e 接收机特有的一个模块，其性能直接影响r a k e 接收机的性能及实现复杂 度。多径搜索器中的匹配滤波器工作在非相干模式，因为在接收突发分组的初始 阶段，无法获得各径频差与相差的信息，所以采用“最佳非相干接收”。 多径搜索器可以一直搜索多径，并根据搜索结果对每个码元调整各条多径的 定时关系：也可以仅在每帧开始搜索多径，此后解调器的定时关系保持不变。 第三章直扩通信系统的方案设计 图3 1 0 多径搜索器的窗1 3 设置 在s n r 较低的情况下，由于噪声的影响，会出现多个较大的相关值。考虑到 两个g o l d 序列的互相关性，实际的扩频增益通常只有十几d b ( 1 2 7 位的g o l d 序 列，最大互相关与自相关峰值的比值为0 1 3 ，即为一8 8 d b ) 。因此，在s n r 比较 低的情况下，如果不对相关峰进行过滤，搜索器很有可能锁定在错误的峰值上。 所以，如图3 1 0 所示进行搜索器窗口的设置。 多径搜索窗口的长度为多径搜索器的搜索范围，在此窗口中出现的超过“相 关峰门限”的相关峰才有可能成为有效多径。该窗口长度可设为十几个c h i p 的长 度。相关峰窗口的确定及相关峰捕获的策略大致如下： 搜索器工作于捕获、搜索、跟踪三种状态。某帧开始时，搜索器第一次搜索 出几个相关峰( 相关峰信息由匹配相关模块提供，相关峰间隔大于c h i p 周期z ， 且峰值超过门限) ，分别与几条多径对应，由此确定出相关峰初始位置。我们认为 在一帧中多径的时延情况保持不变，则搜索器对后续码元启动窗口机制，在距这 些“相关峰初始位置”一个数据比特间隔( k t ， 为p n 序列的长度) 处生成时间c k 窗，以期能够包含下一个数据对应的相关峰，时间窗口长度太小会增加漏峰概率， 太大会增大错峰概率，一般可以设为5 个样点宽。选出时间窗内相关值的最大值， 并与捕获判决门限进行比较，只有窗口中超过门限的相关值才被认为是有效相关 蝰。 若相关值大于判决门限的次数达到3 次，则将相关峰出现时刻对应的输出样 值送往解调及频偏估计电路，并计算相关峰值与时间窗中点的时间差作为偏差信 号并根据该偏差值确定下一个时间窗定位。若相关值小于门限，则保持时间窗间 隔，漏峰计数值加1 。将该数值与某一特定数值相比较，若大于此值则重新进行捕 获，反之则继续搜索。捕获过程中如果连续3 次相关值高于判决门限，则转入跟 踪模式对载波和相位跟踪。而在等待“连续3 次相关值高于判决门限”的过程中， 若连续2 次相关值低于判决门限，则重新开始捕获。 在设计中，每帧数据前加1 0 个左右的前导序列( 全0 序列) ，考虑到捕获过 2 0 d s p + f p g a 在直扩通信系统中的实现 程中的漏峰错峰，连续捕到8 个前导序列相关峰认为一帧有效。前三个相关峰用 于完成捕获，正确锁定相关峰，第3 - 7 个相关峰用于频差估计对d d c 进行调整， 第8 个相关峰用于信道相移的估计，此后进行相干解调。 在噪声环境中，相关峰门限的设置是非常重要的，合适的门限将有效降低“虚 警概率”与“漏警概率”，关键在于对噪声功率的估计。可以认为在输出明显的相 关峰之前的相关值是噪声，对其进行累加并求平均就得到平均噪声功率。因此在 两个码元之间设定“噪声功率窗口”，该窗口不包括有效相关峰，窗口长度可以设 为6 4 个样点。对其中的相关值累加并取平均，得到噪声功率的估计值。噪声平均 值计算的实现过程可以参考相关文档。 多径搜索模块的主要完成进行搜索窗的设定，完成多径的选取以及产生各种 控制信号。可以说该模块是整个接收机的控制中心，它决定其它各模块的工作状 态。 ( 4 ) 频差相差估计： 频差估计：该模块主要利用相关器的相关输出对信道进行估计。由 ( 3 - 1 2 ) 、( 3 - 1 3 ) 式，当i - - - - 0 时，屁用复数表示为： 1 x o + j y o = 罗e j ( a 掣瓦+ 如 式( 3 1 4 ) 翩 假设一段时问内的初始相移( f o ) 不变，则第二次相关运算的结果可得： x l 。薹c o s ( a 堋t + 妒o ) ，y 1 2 + 妒o ) n 薹s i n ( a w n t , x j + j y l = p 肿协阢+ j y o ) 经推导可得： 衅志嗍辅 q2 志n r c 瑶雨y i x i _ 了i - y , 瓦x ji ) 式( 3 1 5 ) 式( 3 1 6 ) 式( 3 1 7 ) 式( 3 1 8 ) 可以看出，根据任意两次连续的相关结果即可估计出频差q ( 条件是：数据 符号已知，频差与初始相移保持不变) 。实际设计中对连续几次估计出的频差进行 平均，据此估计值对d d c 中的n c o 进行修正或在d d c 之后对每个样点进行修正。 相差估计：根据校正频差后匹配相关的输出，在训练序列期间 气一靠；1 ，相应得到： 第三章直扩通信系统的方案设计 ( m + 1 ) 一1 ( 甜+ l 一1 工。一薹，c o s 晚) ，匕一羔，s i i l ( 九) 式( 3 1 9 ) 因此可以估出c o s # e