一種擴(kuò)頻接收機(jī)的設(shè)計(jì)分析

管吉興,陳 榮,高躍清,蘇龍閣

(中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所,河北石家莊050081)

0 引言

擴(kuò)頻通信被廣泛應(yīng)用于民用和軍事通信中,因?yàn)槠渚哂锌垢蓴_能力強(qiáng)、可進(jìn)行碼分多址通信、安全保密性好以及截獲率低等優(yōu)點(diǎn)。目前射頻數(shù)字化比較困難,中頻數(shù)字化已經(jīng)比較成熟。數(shù)字化擴(kuò)頻接收機(jī)需要完成快速復(fù)雜的信號(hào)處理,具有高速處理能力的FPGA使得擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的高度集成化成為可能。由于全數(shù)字?jǐn)U頻接收機(jī)在模/數(shù)變換后采用了全數(shù)字信號(hào)處理技術(shù),因而具有較高的效率和靈活性。

提出了一種BPSK調(diào)制的語音通信直接序列擴(kuò)頻接收機(jī)的設(shè)計(jì)分析,介紹了其組成和工作原理,給出了主要功能模塊的實(shí)現(xiàn)框圖和注意事項(xiàng)。設(shè)計(jì)采用中頻數(shù)字化方法,解擴(kuò)解調(diào)部分在FPGA中實(shí)現(xiàn),并給出了測試結(jié)果。測試結(jié)果表明,該接收機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定可靠,達(dá)到了預(yù)先要求的各項(xiàng)性能指標(biāo)。

1 總體設(shè)計(jì)

1.1 組成

擴(kuò)頻接收機(jī)作用是完成對(duì)接收的射頻信號(hào)的解擴(kuò)和解調(diào),輸出基帶信息數(shù)據(jù)和同步時(shí)鐘。擴(kuò)頻接收機(jī)包括天線單元、下變頻單元、解擴(kuò)解調(diào)單元、時(shí)鐘產(chǎn)生單元、電源單元和監(jiān)控單元。各部分的功能如下：

①天線單元接收空間射頻信號(hào),并輸送給下變頻單元;

②下變頻單元作用是將射頻信號(hào)進(jìn)行放大、濾波,下變頻到70 MHz中頻;

③解擴(kuò)解調(diào)單元主要功能是對(duì)輸入的中頻信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化、解擴(kuò)和解調(diào),輸出基帶信息和同步時(shí)鐘;

④時(shí)鐘產(chǎn)生單元提供系統(tǒng)所需時(shí)鐘,如A/D采集時(shí)鐘等;

⑤電源單元接收外部輸入交流電源,將其變換到設(shè)備所需的各種直流電壓;

⑥監(jiān)控單元設(shè)置設(shè)備工作的各種參數(shù),并接收各單元上報(bào)的狀態(tài)信息,實(shí)時(shí)在顯示屏上顯示。

1.2 工作原理

擴(kuò)頻接收機(jī)工作原理是恢復(fù)出本地?cái)U(kuò)頻碼,與輸入的擴(kuò)頻信號(hào)進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算,完成解擴(kuò)處理;解擴(kuò)后的基帶數(shù)據(jù)經(jīng)過定時(shí)同步電路,完成位同步操作,輸出數(shù)據(jù)和同步時(shí)鐘。

具體的工作流程：射頻信號(hào)經(jīng)由天線單元、下變頻單元變?yōu)?0 MHz中頻信號(hào);中頻信號(hào)在解擴(kuò)解調(diào)單元進(jìn)行自動(dòng)增益控制(AGC)、A/D數(shù)字化、解擴(kuò)、解調(diào),輸出基帶數(shù)據(jù)和同步時(shí)鐘。

1.3 頂層設(shè)計(jì)

天線單元、下變頻單元、時(shí)鐘產(chǎn)生單元、電源單元和監(jiān)控單元等部分電路成熟,這里不做贅述,重點(diǎn)對(duì)解擴(kuò)解調(diào)單元進(jìn)行設(shè)計(jì)。解擴(kuò)解調(diào)單元原理框圖如圖1所示。

圖1 解擴(kuò)解調(diào)單元原理框圖

解擴(kuò)解調(diào)單元首先對(duì)70 MHz中頻信號(hào)進(jìn)行自動(dòng)增益控制、A/D變換,然后經(jīng)過數(shù)字下變頻(DDC)、相關(guān)解擴(kuò)、定時(shí)同步,輸出基帶數(shù)字信號(hào)和同步時(shí)鐘。壓控增益放大器(VGA)在AGC控制作用下完成自動(dòng)增益控制功能;載波跟蹤完成載波搜索和跟蹤功能,載波環(huán)路采用Costas環(huán);偽碼捕獲和偽碼跟蹤環(huán)完成偽碼的捕獲和跟蹤,恢復(fù)出對(duì)齊的擴(kuò)頻碼并送給相關(guān)解擴(kuò)。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 AGC

AGC根據(jù)信號(hào)強(qiáng)度自動(dòng)調(diào)節(jié)壓控放大器的增益,使輸入中頻信號(hào)保持在一定的幅度,既不使A/D過載,又在A/D的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi),保證A/D能夠良好工作。設(shè)計(jì)中AGC包括2部分：壓控VGA和AGC控制電路。VGA位于A/D之前,外部有控制電壓輸入口;AGC控制電路在FPGA中采用數(shù)字化實(shí)現(xiàn),通過求取信號(hào)的幅度信息、積分處理和D/A變換后,送VGA實(shí)現(xiàn)增益控制。

載波跟蹤環(huán)路鎖定前,AGC工作在非相干模式,通過估算信號(hào)加噪聲的平均能量控制電平變化;環(huán)路鎖定后,AGC轉(zhuǎn)入相干模式,通過估算信號(hào)能量控制電平的變化。

2.2 DDC

DDC是A/D變換后的主要工作,是數(shù)字處理運(yùn)算量較大的部分,輸出同相支路I、正交支路Q兩路信號(hào)。DDC的組成包括數(shù)字混頻器、數(shù)字控制振蕩器(NCO)和低通濾波器(LPF)3部分。

中頻信號(hào)經(jīng)過A/D采樣后的原始數(shù)據(jù),分2路輸入到混頻器中,與NCO產(chǎn)生的正交本振信號(hào)進(jìn)行混頻,然后再經(jīng)過低通濾波器進(jìn)行濾波和抽取,再以合適的速率傳到后續(xù)單元做進(jìn)一步處理。濾波器可通過加載不同系數(shù),完成不同帶寬設(shè)計(jì)。

數(shù)字混頻器采用FPGA內(nèi)部的乘法器硬核實(shí)現(xiàn),以滿足高速指標(biāo),同時(shí)降低邏輯資源消耗;NCO為下變頻提供本振信號(hào),采用ROM查表實(shí)現(xiàn),需要消耗大量的存儲(chǔ)器資源;低通濾波器采用多級(jí)濾波器級(jí)聯(lián)的方式,以減少延時(shí)和資源消耗,其中第1級(jí)濾波器通常選用級(jí)聯(lián)積分梳狀(Cascaded Integrator-Comb,CIC)濾波器。

2.3 偽碼捕獲

偽碼捕獲與載波捕獲一起執(zhí)行。考慮到輸入信號(hào)信噪比低且存在一定多普勒頻偏,采用頻率/時(shí)間(擴(kuò)頻碼相位)兩維通道并行相關(guān)搜索方法。

偽碼捕獲采用數(shù)字匹配濾波器(DMF)方法。由于輸入中頻信號(hào)通常存在多普勒頻偏,難以直接求出精確的載波頻率,所以通常選用非相干基帶匹配濾波器。非相干基帶匹配濾波器的捕獲原理是,接收信號(hào)與本地NCO的同相I和正交Q載波相乘,得到同相和正交2個(gè)分量,經(jīng)低通濾波器(LPF)、基帶DMF和平方檢波后,將同相和正交分量相加,得出相關(guān)結(jié)果,并與門限值相比較。當(dāng)檢測到相關(guān)峰值超過門限值時(shí),表明擴(kuò)頻碼相位已同步,同時(shí)也完成了載波的粗捕獲,否則,繼續(xù)頻率搜索。

傳統(tǒng)的DMF設(shè)計(jì)效率較低,當(dāng)PN碼碼長較長時(shí),需要占用較多的FPGA資源,成本較高。通過改進(jìn)延遲線的結(jié)構(gòu),并結(jié)合時(shí)分復(fù)用技術(shù),提出DMF的遞歸折疊結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)極大地降低了DMF的資源消耗。

對(duì)于要求捕獲靈敏度高的情況,可采用視頻累積的方法。累積時(shí),要根據(jù)載波多普勒頻偏自動(dòng)補(bǔ)償擴(kuò)頻碼多普勒頻偏,具體可通過在累加窗口中添加或刪除相應(yīng)數(shù)據(jù),完成數(shù)據(jù)對(duì)齊。門限值比較算法采用基于窗口計(jì)數(shù)器的自適應(yīng)門限算法,其與傳統(tǒng)的固定門限檢測法相比,這種算法可提高檢測概率,同時(shí)降低虛警,縮短正確捕獲時(shí)間。

2.4 偽碼跟蹤環(huán)

由于擴(kuò)頻通信通常工作在較低的信噪比下,相干載波不容易得到,所以,采用非相干的延遲鎖定環(huán)(DLL)來實(shí)現(xiàn)對(duì)偽碼的跟蹤。延遲鎖定環(huán)原理框圖如圖2所示。

圖2 延遲鎖定環(huán)原理框圖

DLL是由2個(gè)支路的相關(guān)器構(gòu)成的鎖相環(huán)路。輸入擴(kuò)頻信號(hào)同2個(gè)分別超前、滯后于本地同步擴(kuò)頻碼半個(gè)碼片的擴(kuò)頻碼進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算,相關(guān)器由乘法器、低通濾波器(LPF)和平方包絡(luò)檢波器組成。按照擴(kuò)頻碼相關(guān)特性,輸入信號(hào)與本地?cái)U(kuò)頻碼的相關(guān)特性應(yīng)為三角波,但由于2個(gè)相關(guān)支路的本地?cái)U(kuò)頻碼相差一個(gè)碼片,2個(gè)相關(guān)峰相減得到一條S形曲線,此即DLL鎖相環(huán)的鑒相特性。

對(duì)于多普勒頻偏較大的系統(tǒng),需要載波輔助碼跟蹤環(huán)。來自載波跟蹤環(huán)的環(huán)路濾波器的輸出按一定的比例因子調(diào)整之后,作為輔助量加載到DLL的環(huán)路濾波器的輸出端上。有了載波輔助碼跟蹤,擴(kuò)頻碼跟蹤精度更高、更準(zhǔn)確。

2.5 載波跟蹤環(huán)

擴(kuò)頻通信采用BPSK數(shù)字調(diào)制技術(shù),屬于載波抑制系統(tǒng)。所謂載波抑制系統(tǒng)是指沒有載波鎖相環(huán)可跟蹤的殘留載波分量的系統(tǒng)。對(duì)抑制載波信號(hào)進(jìn)行跟蹤通常需要采用一些特殊的鎖相環(huán)路,常見的有平方環(huán)、同相—正交環(huán)(Costas環(huán))、判決反饋環(huán)和通用載波恢復(fù)環(huán)等。對(duì)于擴(kuò)頻通信系統(tǒng)中的BPSK調(diào)制信號(hào)來說,一般均采用Costas環(huán)進(jìn)行載波跟蹤。Costas環(huán)的原理相關(guān)文章比較多,這里不做贅述。

依靠Costas環(huán)自身捕獲,捕獲時(shí)間長,捕獲帶窄,還可能出現(xiàn)延滯、假鎖等不可靠的捕獲現(xiàn)象。因此需要一些有效的輔助捕獲方法,常用的方法有掃描法、變參數(shù)法和干擾補(bǔ)償法等。該文設(shè)計(jì)采用匹配濾波器(DMF)的方法進(jìn)行輔助捕獲,捕獲過程分為初捕和精捕。由于擴(kuò)頻碼相關(guān)峰值對(duì)多普勒頻移比較敏感,在多普勒頻移范圍內(nèi)分段掃描,計(jì)算接收的擴(kuò)頻碼和本地?cái)U(kuò)頻碼的相關(guān)值,繼而和門限比較,大于門限的認(rèn)為初捕成功,否則調(diào)整多普勒頻移的區(qū)間繼續(xù)搜索,直到捕獲為止。當(dāng)初捕成功后,通過轉(zhuǎn)換開關(guān)的控制,轉(zhuǎn)入Costas環(huán)的精捕階段。采用匹配濾波法的好處是捕獲時(shí)間較小,其捕獲區(qū)間又能滿足下一步Costas環(huán)捕獲的要求,特別適合于大多普勒頻移的場合。

2.6 定時(shí)同步

在數(shù)字通信中,接收機(jī)要對(duì)所接收的數(shù)字信息進(jìn)行抽樣判決,則在本地接收端要產(chǎn)生抽樣時(shí)鐘序列,這就是定時(shí)同步。通過本地高精度采樣時(shí)鐘對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行采樣,采樣時(shí)鐘獨(dú)立于信號(hào)時(shí)鐘,不需要進(jìn)行反饋,采樣信號(hào)送入內(nèi)插濾波器進(jìn)行二次采樣,通過算法對(duì)采樣值進(jìn)行計(jì)算來得到信號(hào)。定時(shí)同步環(huán)路原理圖如圖3所示。

圖3 定時(shí)同步環(huán)路原理圖

定時(shí)同步環(huán)路由內(nèi)插濾波器、Gardner誤差估計(jì)、環(huán)路濾波、定時(shí)NCO及同步電路組成,其主要作用是調(diào)整定時(shí)相位及頻率偏差,輸出最佳的定時(shí)信號(hào)。

Garnder算法不需要反饋,每一個(gè)符號(hào)只需要采用2個(gè)采樣值,其中一個(gè)點(diǎn)叫strobe點(diǎn),也就是符號(hào)最佳觀察點(diǎn),另外一個(gè)點(diǎn)叫midstrobe,也就是2個(gè)最佳觀察點(diǎn)之間的采樣點(diǎn)。該算法簡單較廣泛適用,與載波相位無關(guān)。

3 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方法和指標(biāo)測試

3.1 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方法

結(jié)構(gòu)上采用2U標(biāo)準(zhǔn)機(jī)箱,進(jìn)行了上架設(shè)計(jì)。機(jī)箱前面板有控制鍵盤和顯示屏幕,后面板為信號(hào)和電源連接器。模擬信道電路采用通用電路實(shí)現(xiàn),結(jié)構(gòu)采用金屬屏蔽盒設(shè)計(jì),以提高電磁兼容性。監(jiān)控單元電路采用單片機(jī)實(shí)現(xiàn),其連接輸入鍵盤和輸出顯示屏,并配有RS485和RS232接口,已完成對(duì)接收機(jī)各部分的監(jiān)視、控制和通信。

解擴(kuò)解調(diào)單元基于軟件無線電思想,采用DSP和FPGA的形式實(shí)現(xiàn)。DSP主要完成各種環(huán)路工作參數(shù)的計(jì)算、載波跟蹤環(huán)頻率引導(dǎo)和各種環(huán)路控制功能;FPGA主要進(jìn)行數(shù)字下變頻、濾波、抽取、偽碼捕獲和各種環(huán)路的主體運(yùn)算部分;FPGA與DSP之間通過高速總線實(shí)時(shí)交互數(shù)據(jù),完成解擴(kuò)解調(diào)功能。

DSP選用TI公司的 TMS320C6701,主頻150 MHz,開發(fā)軟件為代碼編譯工具(CCS);FPGA選用XILINX公司的XC5VLX220,規(guī)模達(dá)到220 000個(gè)邏輯單元,開發(fā)軟件為集成開發(fā)環(huán)境(ISE);A/D選用高速器件AD6644,最高采樣率達(dá)105MHz,采用帶通欠采樣模式;AGC環(huán)路的D/A轉(zhuǎn)換器選用普通低速率器件,位寬為12。

3.2 指標(biāo)測試

接收的擴(kuò)頻信號(hào)為差分BPSK調(diào)制,擴(kuò)頻碼長度127,擴(kuò)頻碼的碼片速率3.048 Mc/s,數(shù)據(jù)速率為24 kbps,多普勒范圍-80 kHz～+80 kHz。測試信號(hào)產(chǎn)生采用標(biāo)準(zhǔn)可編程數(shù)字信號(hào)發(fā)生器,噪聲產(chǎn)生選用標(biāo)準(zhǔn)噪聲發(fā)生器。對(duì)于整機(jī)測試,采用無線測試方式,即標(biāo)校高塔發(fā)送確知調(diào)制信號(hào),接收端使用頻譜儀標(biāo)校信噪比。對(duì)于解擴(kuò)解調(diào)單元測試,采用信號(hào)源加噪聲源的有線測試方式,中心頻率為70 MHz。

通過測試得出,捕獲門限達(dá)到47 dBHz,捕獲時(shí)間小于1 s,接收機(jī)動(dòng)態(tài)范圍優(yōu)于70 dB,接收機(jī)誤碼率門限比理論值差0.5 dB。

4 結(jié)束語

測試結(jié)果驗(yàn)證了BPSK直接序列擴(kuò)頻接收機(jī)設(shè)計(jì)的正確性和可行性。給出的解擴(kuò)解調(diào)電路的原理框圖和實(shí)現(xiàn)注意事項(xiàng),具有一定實(shí)踐價(jià)值。該文設(shè)計(jì)是針對(duì)低碼速率展開論述的,對(duì)于高碼速率的設(shè)計(jì),方法同樣適用。

DMF偽碼捕獲方式原理簡單,捕獲時(shí)間快,但是靈活性差,對(duì)于多種擴(kuò)頻碼速率的設(shè)計(jì),需要采用其他靈活性強(qiáng)的捕獲方式。載波跟蹤環(huán)采用的costas環(huán)方式,針對(duì)BPSK和QPSK調(diào)制模式,costas的結(jié)構(gòu)不同,具體可參考通信原理書籍。

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