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参数 可调 信号源 设计

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0288、多参数可调扩频信号源的设计,参数,可调,信号源,设计

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实 验 技 术 多 参 数 可 调 扩 频 信 号 源 的 设 计马 国 宁（ 电 子 科 技 大 学 成 都 610054）摘 要 ： 给 出 了 一 种 利 用 ARM LPC2104， 锁 相 环 MC145151， 压 控 振 荡 器 MC1648， CPLD 芯 片EMP7128 和 FIFO IDT7205 等 实 现 直 接 序 列 扩 频 （ DSSS） 信 号 源 的 设 计 方 案 。 该 信 号 源 能 通 过 载波 频 率 ， 码 率 ， 输 出 信 号 幅 度 ， 伪 码 长 度 及 信 噪 比 进 行 调 整 来 模 拟 现 实 环 境 中 的 多 种 信 号 ， 为 估计 DSSS 信 号 参 数 的 算 法 研 究 提 供 数 据 。关 键 词 ： 扩 频 ； BPSK； 伪 随 机 序 列 ； 锁 相 环中 图 分 类 号 ： TN91 文 献 标 识 码 ： B 文 章 编 号 ： 1672 -4550（ 2006） 01 -0005 -04Design of Spread Spectrum Signal Generator withAdjustable Multi - ParameterMa Guoning（ University of Electronic Science and Technology of China Chengdu 610054）Abstract： A design method of DSSS signal generator with ARM LPC2104， PLL MC145151 - 2，VCO MC1648， CPLD - EMP 7128 and FIFO IDT 7250 etc. is presented in this paper. Many kinds ofsignals in the actual environment can be simulated through adjusting the parameters including carrier wavefrequency， bit rate， output signal amplitude， length of pseudorandom sequence and SNR， which can pro-vide data for the algorithm research about parameter estimation of DSSS signal.Key words： spread spectrum； BPSK； pseudorandom sequence； PLL1 引 言扩 展 频 谱 通 信 （ Spread Spectrum Communica-tion） 作 为 一 种 新 型 的 通 信 体 系 ， 具 有 抗 干 扰 能 力强 、 截 获 率 低 、 码 分 多 址 、 信 号 隐 蔽 、 保 密 、 易 于测 距 等 优 点 ， 是 通 信 领 域 的 一 个 重 要 发 展 方 向 。 正是 由 于 这 些 优 点 ， 扩 频 通 信 在 军 事 上 受 到 了 极 大 的重 视 。 为 配 合 对 扩 频 信 号 的 码 率 、 载 波 频 率 、 伪 码序 列 等 重 要 参 数 估 计 的 研 究 ， 迫 切 需 要 一 台 能 够 对现 实 环 境 中 直 接 序 列 扩 频 信 号 进 行 精 确 模 拟 的 信 号源 ， 该 信 号 源 需 要 能 够 产 生 直 接 序 列 调 制 的 BPSK扩 频 信 号 ， 并 与 白 噪 声 进 行 相 加 ， 形 成 信 噪 比 可 调的 连 续 输 出 信 号 ， 且 能 够 分 别 调 整 载 波 频 率 ， 伪 码码 率 ， 伪 码 长 度 和 伪 码 等 参 数 。 信 噪 比 的 调 整 是 通过 改 变 信 号 的 输 出 幅 度 来 实 现 ， 噪 声 的 输 出 幅 度 固定 不 变 。 具 体 要 求 如 下 ： （ 1） 体 制 ： DS - SS -BPSK； （ 2） 频 率 稳 定 度 ： #10-6； （ 3） 载 波 的 可调 范 围 ： 3 9 MHz； （ 4） 伪 码 码 率 的 可 调 范 围 ：1 3 MHz； （ 5） 信 号 码 率 的 可 调 范 围 ： 1 3 kHz；（ 6） 信 号 输 出 幅 度 可 调 范 围 ： 100 mV 1. 8 V。为 了 能 够 实 现 上 述 多 参 数 可 调 的 信 号 ， 需 要 设计 能 够 产 生 符 合 上 述 指 标 的 信 号 源 。 BPSK 扩 频 信号 源 的 设 计 可 以 采 用 传 统 的 调 制 技 术 及 PLL 锁 相环 频 率 合 成 ； 也 可 以 采 用 DDS 同 时 进 行 频 率 合 成和 相 位 调 制 。 两 种 方 法 都 各 有 优 缺 点 。 对 于 前 一 种方 式 ： 可 以 采 用 锁 相 环 频 率 合 成 产 生 载 波 及 码 率 时52006 年 2 月第 1 期实 验 科 学 与 技 术 收 稿 日 期 2005 -10 -20 作 者 简 介 马 国 宁 （ 1974 ） ， 男 ， 硕 士 研 究 生 ， 研 究 方 向 ： 通 信 与 信 息 系 统 。钟频率，而利用乘法器来实现 BPSK 调制。用锁相环产生的载波具有频率杂散分量小，频谱纯度高，输出频率范围宽等优点，但锁相环频率转换速度比较慢。同时乘法器可以产生宽带的输出信号。对于后一种方式：频率合成和相位调制可以用一个DDS 专用集成电路来实现，所谓 DDS 就是利用采样定量，通过 ROM 查表法产生数字波形，再通过D/ A 转换形成模拟信号，其优点是电路简单，频率转换速度快，缺点是输出频率频谱不纯、杂散分量比较大等缺点。由于 BPSK 调制载波和码率是稳定的，不需要快的频率转换速度，所以选择采用锁相环来实现频率合成，利用乘法器来实现 BPSK 调制。同时采用 CPLD 来实现直接序列扩频调制和逻辑控制，利用 ARM 和 FIFO 进行数据实时传输。2 信号源原理框图简介信号源原理图如图 1 所示，该信号源从原理上主要分为扩频调制和载波调制两部分，扩频调制包括 CPLD EMP7128、 LPC2104、 IDT7205 及码率产生锁相环。载波调制部分包括载波产生锁相环、BPSK 调制和带通放大器等。 LPC2104 对整个信号源进行控制，并且起着数据传输的作用：将 PC 机传来 的 数 据 写 入 到 FIFO IDT7205 中。 CPLDEMP7128 中的伪码发生器、码率控制锁相环和载波产生锁相环的分频数也由 LPC2104 进行控制。图 1 多参数可调扩频信号源原理框图（ 1）扩频调制部分。伪随机 m 序列的产生由CPLD EMP7128 来实现， EPM7128 是可编程的大规模逻辑器件，为 ALTERA 公司的 MAX7000 系列产品，具有高阻抗、电可擦等特点，可用门单元为2 500 个，管脚间最大延迟为 5 ns，工作电压为+5 V。在 EMP7812 中实现了两个 m 序列发生器，能够产生长度为 511 和 1 023 的 m 序列，通过 arm的一根控制总线来选择是产生 1 023 还是 511 为 m序列。每一个长度还可以通过控制总线进行本原产生多项式的设置，从而可以产生不同的 m 序列。EMP7128 同时读取 FIFO 中的信号数据，并将其由 8 bit 并行数据转换成串行数据与 m 序列进行扩频调制，经过扩频的数据信号输出对载波进行调制。扩频调制采用直接序列扩频调制（ DS），输出的信号波形为：C（ t） =$nCnp（ t - nTn） （ 1）式中：p（ t） =1 0%t%TcTc是伪码码片宽度0其他Cn=10nTn%t%（ n +1） Tnn 为整数。（ 2）载波调制。载波调制采用二进制相移键控（ BPSK）。一般的 BPSK 信号的表达式为：s（ t） = 2Ssin（ w0t + dn2） （ 2）式中：dn=1-1概率为 1/2概率为 1/2； S 为载波信号的功率。直接扩频的 BPSK 信号可表示为：s（ u， t） = c（ u， t） d（ u， t） 2Scosw0t （ 3）式中： c（ u， t）为 m 序列； d（ u， t）为信号数据； u 为随机变量 。载波由锁相环电路产生。 BPSK 的调制是通过乘法器 MC1496 实现， MC1496 是一个平衡调制解调器。通过调整乘法器的增益大小来实现输出信噪比的变化。（ 3）锁相环电路。码率时钟和载波频率都是由锁 相 环 电 路 产 生，锁 相 环 电 路 采 用 锁 相 环MC145151 和压控振荡器 MC1648 组成。 MC145151是基于 CMOS 技术的低功耗锁相环，分频数范围是： N =3 16 383。参考频率可通过外接晶体或外接时钟提供。本信号源为提高频率的稳定度，采用高稳定度晶体为参考时钟。压控振荡器由外部电路MC1648 提供，通过调整外围电路， MC1648 可以输出方波或正弦波，最高频率可达 225 MHz。图 2 是锁相环电路的原理图，左半部分是6Experiment Science & Technology 2006 年 2 月第 1 期MC145151，右半部分是 MC1648 电路和分频比设置电路。图 2 锁相环电路伪码码率时钟的中心频率是 2 MHz，调整范围是 1 3 MHz，步长为 100 kHz，调整 MC1648 的外围电路使输出信号为方波。数据信号码率是伪码码率的 1/ N，其中 N 为 m 序列的长度，数据信号的串行输出时钟是 m 序列的 1/ N。载波中心频率是6 MHz，调整范围是 3 9 MHz，步长 100 kHz，调整 MC1648 外围电路使输出信号为正弦波。（ 4）带通放大器及信号与噪声混合电路。为保证后续电路的取样和传输，需要将调相后的正弦信号进行滤波成形。带通滤波器利用运算放大器来实现。白噪声产生原理是利用具有雪崩效应的齐纳二极管产生噪声，然后再将其经宽带放大器进行放大后与扩频信号进行相加。（ 5） FIFO 数据传输。数据传输利用 IDT7205作为缓存接口来实现。 IDT7205 为 FIFO 型异步读写的存储器芯片，容量为 8 192 9 bit，存取时间为 12 ns，有空、半满、满三个标志位，最大功耗为 660 mW，工作电压为 +5 V。 LPC2104 通过中断方式 PC 传来的数据通过写入口送到 IDT7205 中，EMP7128 连续地由读出口将数据从 FIFO 中读出进行并串转换和扩频调制。（ 6） LPC2104 控制部分。 LPC2104 实现对整个信号源的控制，包括载波频率、伪码码率和伪码序列的设置等，同时还通过串口进行 PC 与信号源之间的数据传输。 LPC2104 具有 ARM7TDMI - S 处理器， CPU 工作频率可达 60 MHz，支持 32 位 ARM指令和 16 位 THUMB 指令。 ARM7TDMI - S 处理器使用三级流水线来增加处理器指令流的速度，这样可使几个操作同时进行，并使处理和存储器系统连续操作，能提供 0. 9 MIPs/ MHz 的指令执行速度。16 Kbit 的片内 RAM 方便数据处理和缓存。3 信号源控制软件流程LPC2104 控制程序的流程图如图 3 所示。初始化中包括串口模式设置， m 序列本原多项式的缺省预置，码率控制锁相环和载波产生锁相环的分频数缺省预置， CPLD EMP7128 逻辑控制电路的初始化预置。开中断包括串口中断和 FIFO 中断， FIFO 中断输入到 LPC2104 的一个外部中断脚。串口中断函数从 PC 机接收控制命令字和数据后存入到缓冲数组中并设置接收到新数据标志，在主循环中将数据送入到 FIFO 中。当 FIFO 中的数据被读出达到半满时， FIFO 中断被触发，向 PC 机发送启动数据传输命令， PC 机在接收到命令后将后续的数据传送到 FIFO 中。图 3 信号源控制软件流程图arm 程序的主循环包括分析数据，并根据分析结果对数据进行相应的处理。首先是根据中断中设置的标志位判断是否收到新数据，若收到则进行数据分析，判断是命令还是数据，如设置锁相环命令或是传输信号数据。然后根据分析的结果设置相应的状态位，最后是数据处理部分。将所有的命令或是处理函数建立一个函数指针数组，通过状态位来调用函数指针数组中与该状态相应的处理函数对其数据或是命令进行处理。4 信号源输出信号的谱分析伪随机序列的自相关函数具有类似于白噪声的自相关函数，其表达式为：R=0A2Tc（ Tc-当 #Tc时当 %Tc时（ 4）（下转第 11 页）72006 年 2 月第 1 期实 验 科 学 与 技 术2003. 4th IEEE Workshop on 15 - 18 June 2003， 304-308. 4 Hua Y. ， Xiang S Anand Y. Blind identification of FIRMIMO channels by decorrelating Subchannels. IEEETrans. On Signal Processing， 2003， 51（ 5）： 1 143 -1 155. 5 Huseyin Arslanand Gregory E. Bottomley. Channel esti-mation in narrowband wireless communication，Wirel. Commun. Mob. Comput. 2001， 1： 201 -219. 6 Siyau M F， Nobles P， Ormondroyd R F. Channel esti-mation for layered space - time systems in time - varyingfrequency selective wireless channels， Vehicular Tech-nology Conference， 2003. VTC 2003 - Fall. 2003 IEEE58th， 2003， 2： 6 -9； 1 258 -1 262. 7 Komninakis C， Fragouli C， Sayed A H， et al. Adap-tive Multi - Input Multi - Output fading channel equali-zation using kalman estimation christos komninakis，2000 IEEE International Conference， 2000， 3：1 655 -1 659. 8 严东 . MIMO 系统的信道估计算法研究及仿真 D .南京：河海大学， 2003. 9 Sampei S， Sunaga T. Rayleigh fading compensation forQAM inland mobile radio communications. IEEETrans. Veh. Technol. 1993， 42： 137 -147. 10 Marius F P， Norman C B. Limitations of Sum - of - si-nusoids fading channel simulator. IEEE Trans. Com-mun. 2001， 49（ 4）：*.（上接第 7 页）在坐标图上是一个三角形：幅度高为 A2，时间由 - Tc到 Tc。由该自相关函数作傅里叶变换可得伪随机序列的功率谱：Sc（ f） =+- Rc（ ） ej2f