基于DSP 的擴(kuò)頻通信接收系統(tǒng)的研究

姚新敏

（西安郵電大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，陜西 西安 710121）

0 引言

擴(kuò)頻技術(shù)是將基帶信號(hào)的頻譜擴(kuò)展至和寬的頻帶進(jìn)行傳輸，接收端采用相關(guān)接收的原理，將擴(kuò)展的頻譜恢復(fù)到基帶信號(hào)的頻譜，從而抑制傳輸過(guò)程中的干擾。軟件無(wú)線電充分利用嵌入通信設(shè)備里的單片微機(jī)和專(zhuān)用芯片的可編程能力， 提供一種通用的采用寬帶A/D 轉(zhuǎn)換器、DSP 和通用中央處理器(CPU)相結(jié)合的無(wú)線電臺(tái)硬件平臺(tái)。 本課題研究完成擴(kuò)頻通信的捕獲、跟蹤、同步過(guò)程，實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的最終解調(diào)，并對(duì)該系統(tǒng)的可行性進(jìn)行分析。

1 擴(kuò)頻通信基礎(chǔ)理論

擴(kuò)頻通信技術(shù)這種信息傳輸方式，把要發(fā)送的信息擴(kuò)展到一個(gè)很寬的頻帶上， 擴(kuò)展后的頻帶寬度遠(yuǎn)大于所傳信息必需的最小帶寬；頻帶的擴(kuò)展是通過(guò)一個(gè)碼序列來(lái)實(shí)現(xiàn)的， 該碼序列與所傳信息數(shù)據(jù)無(wú)關(guān)；在接收端則用同樣的碼序列進(jìn)行相關(guān)處理，就可以恢復(fù)所傳信息。擴(kuò)頻通信具有抗干擾能力強(qiáng)、可進(jìn)行多址通信、安全保密、抗多徑干擾、定時(shí)和測(cè)距等特點(diǎn)。

1.1 擴(kuò)頻通信的工作原理

在發(fā)送端輸入信息比特流，先經(jīng)擴(kuò)頻碼發(fā)生器產(chǎn)生的擴(kuò)頻碼調(diào)制以展寬信號(hào)的頻譜， 頻譜展寬后的信號(hào)再搬移到射頻載波上發(fā)送出去。

接收端收到寬帶射頻信號(hào)后，將它變頻至中頻，然后由本地產(chǎn)生的與發(fā)端相同的擴(kuò)頻碼序列進(jìn)行相關(guān)解擴(kuò)、解調(diào)、恢復(fù)成原始信息輸出。 與一般數(shù)字通信系統(tǒng)比較，擴(kuò)頻通信就是多了擴(kuò)頻調(diào)制和解擴(kuò)部分。

1.2 擴(kuò)頻信號(hào)的解擴(kuò)

相關(guān)解擴(kuò)運(yùn)算是通過(guò)本地參考信號(hào)同接收信號(hào)相乘實(shí)現(xiàn)的。這個(gè)本地信號(hào)是發(fā)射擴(kuò)頻信號(hào)的副本，兩者保持嚴(yán)格同步。經(jīng)過(guò)相關(guān)運(yùn)算，被擴(kuò)頻碼展寬的有用信號(hào)頻譜壓縮回基帶信息頻譜，而無(wú)用信號(hào)的頻譜反而被本地參考信號(hào)展寬， 從而降低了無(wú)用信號(hào)的功率譜寬度，提高了基帶濾波器輸出端的信噪比。解擴(kuò)用的相關(guān)器有直接式和外差式兩種。

1.3 擴(kuò)頻序列的捕獲

擴(kuò)頻序列的捕獲是指接收機(jī)在開(kāi)始接收發(fā)送來(lái)的擴(kuò)頻信號(hào)時(shí)，調(diào)整和選擇接收機(jī)的本地?cái)U(kuò)頻序列相位，使它與發(fā)送來(lái)的擴(kuò)頻序列相位一致，也就是接收機(jī)捕獲住發(fā)送的擴(kuò)頻序列相位的過(guò)程，又叫擴(kuò)頻序列的初始同步。

1.4 跳頻序列的同步

跳頻序列的同步是由跳頻序列同步跟蹤環(huán)使用延遲鑒相器，環(huán)路中的頻率合成器在跳頻序列發(fā)生器作用下，產(chǎn)生兩個(gè)與接收到的跳頻信號(hào)的跳變頻率超前和滯后一段時(shí)間的信號(hào)。信號(hào)頻率與接收信號(hào)的頻率正好相差一個(gè)中頻，經(jīng)乘法器混頻濾波器濾波、平方后相減，就獲得了超前一段時(shí)間的本振信號(hào)與接收信號(hào)混頻后的中頻信號(hào)，同滯后一段時(shí)間的本振信號(hào)與接收信號(hào)混頻后的中頻信號(hào)相差的電壓，是有超前滯后鑒別能力的信號(hào)，能實(shí)現(xiàn)跳頻信號(hào)的同步跟蹤。

2 基于DSP 的擴(kuò)頻通信接收系統(tǒng)

2.1 DSP 系統(tǒng)概述

輸入信號(hào)首先進(jìn)行帶限濾波和抽樣， 然后進(jìn)行A/D （Analog to Digital）變換將信號(hào)變換成數(shù)字比特流。 根據(jù)奈奎斯特抽樣定理，為保證信息不丟失，抽樣頻率至少必須是輸入帶限信號(hào)最高頻率的2 倍。

DSP 芯片的輸入是A/D 變換后得到的以抽樣形式表示的數(shù)字信號(hào)，DSP 芯片對(duì)輸入的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行某種形式的處理。 數(shù)字處理是DSP 的關(guān)鍵，在交換系統(tǒng)中，處理器的作用是進(jìn)行路由選擇，再經(jīng)過(guò)處理后的數(shù)字樣值再經(jīng)D/A（Digital to Analog）變換轉(zhuǎn)換為模擬樣值，之后再進(jìn)行內(nèi)插和平滑濾波就可得到連續(xù)的模擬波形。

2.2 DSP 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路

實(shí)時(shí)DSP 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)包括硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩個(gè)方面。 硬件設(shè)計(jì)首先要根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)算量的大小、對(duì)運(yùn)算精度的要求、系統(tǒng)成本限制以及體積、功耗等要求選擇合適的DSP 芯片，然后設(shè)計(jì)DSP 芯片的外圍電路及其他電路。 軟件設(shè)計(jì)和編程主要根據(jù)系統(tǒng)要求和所選的DSP 芯片編寫(xiě)相應(yīng)的DSP 匯編程序， 若系統(tǒng)運(yùn)算量不大且有高級(jí)語(yǔ)言編譯器支持，也可用高級(jí)語(yǔ)言（如C 語(yǔ)言）編程。 由于現(xiàn)有的高級(jí)語(yǔ)言編譯器的效率還比不上手工編寫(xiě)匯編語(yǔ)言的效率，因此在實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)中常常采用高級(jí)語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言的混合編程方法。 采用這種方法，既可縮短軟件開(kāi)發(fā)的周期，提高程序的可讀性和可移植性，又能滿(mǎn)足系統(tǒng)實(shí)時(shí)運(yùn)算的要求。

2.3 程序的設(shè)計(jì)思路

Matlab 程序是按照擴(kuò)頻通信中直擴(kuò)的方法實(shí)現(xiàn)的，CCS 中程序是它的一個(gè)實(shí)現(xiàn)同步的部分。 程序的開(kāi)始是做初始化的預(yù)設(shè)值，程序的思路是讀取從Matlab 產(chǎn)生的發(fā)射端擴(kuò)頻后數(shù)據(jù)， 在接收端先實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)同步，然后將這些數(shù)據(jù)恢復(fù)，它做的是第一部分工作，即同步過(guò)程，因此數(shù)據(jù)的獲得是通過(guò)讀取文本的數(shù)據(jù)產(chǎn)生。

在CCS 程序中做一次同步處理，不能是先讀取一幀數(shù)據(jù)，然后完全處理這一幀數(shù)據(jù)， 再讀下一幀數(shù)據(jù)。 FIFO 是一個(gè)先入先出的緩存器，即先到的數(shù)據(jù)先輸出，它可以緩存一段數(shù)據(jù)。如果完全處理完一幀數(shù)據(jù)的話(huà)，再?gòu)腇IFO 讀數(shù)據(jù)，就可能出現(xiàn)一種情況，AD 采樣的數(shù)據(jù)源源不斷輸入FIFO，輸滿(mǎn)后，就不能輸入數(shù)據(jù)。

2.4 TMS320C6416 環(huán)境下對(duì)代碼進(jìn)行優(yōu)化分析

編譯器可以對(duì)代碼進(jìn)行不同級(jí)別的優(yōu)化，高級(jí)優(yōu)化由專(zhuān)門(mén)的優(yōu)化器完成，低級(jí)的和目標(biāo)DSP 有關(guān)的優(yōu)化由代碼生成器（code generator）完成。 最優(yōu)代碼只有通過(guò)高級(jí)優(yōu)化才能實(shí)現(xiàn)。

其中主要觀測(cè)數(shù)據(jù)為：代碼長(zhǎng)度（Code Size）和Incl.Total： 在統(tǒng)計(jì)工程中剖析代碼段消耗的所有時(shí)鐘周期（Incl.Total）。

上圖左邊運(yùn)行時(shí)沒(méi)有進(jìn)行任何優(yōu)化，優(yōu)化時(shí)代碼長(zhǎng)度為3100，消耗時(shí)鐘周期為372524971，時(shí)鐘周期乘以1.67ns 可以估算出代碼執(zhí)行一次消耗時(shí)間約為0.622 秒。

上圖右邊運(yùn)行時(shí)進(jìn)行程序優(yōu)化，代碼長(zhǎng)度長(zhǎng)度為2332，消耗時(shí)鐘周期為271801505，時(shí)鐘周期乘以1.67ns 可以估算出代碼執(zhí)行一次消耗時(shí)間約為 0.454 秒。

從結(jié)果可以看出，對(duì)程序進(jìn)行優(yōu)化可以不同程度的改善代碼性能和程序運(yùn)行時(shí)間， 對(duì)程序進(jìn)行較為完善的優(yōu)化可以大大減小代碼長(zhǎng)度，減小消耗的時(shí)鐘周期，從而提高了系統(tǒng)的處理能力。

3 小結(jié)

擴(kuò)頻通信具有很強(qiáng)的抗干擾特性， 在軍事和民用上具有重要價(jià)值。TMS320C64X 系列DSP 具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，它配合好芯片外圍硬件設(shè)計(jì)可以滿(mǎn)足大部分高速率， 高性能的要求。 本文主要介紹基于DSP來(lái)完成擴(kuò)頻后信號(hào)的解擴(kuò)， 在此基礎(chǔ)上進(jìn)行的優(yōu)化， 研究了性能最強(qiáng)的TMS320C6416 的優(yōu)化策略， 并針對(duì)TI 的DSP 處理芯片TMS320C6416的特點(diǎn)，提高系統(tǒng)了的處理能力，并對(duì)優(yōu)化前后進(jìn)行了對(duì)比分析。

［1］王前，李韜.利用DSP Builder 設(shè)計(jì)直序擴(kuò)頻通信系統(tǒng)[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2009，26（4）：55-57.

［2］Texas Instruments Incorporated；TMS320C6000 系列 DSP 編程工具與指南[M].北京：清華大學(xué)出版社，2006.

［3］江思敏，劉暢，主編.TMS320C6000DSP 應(yīng)用開(kāi)發(fā)教程：DSP 應(yīng)用開(kāi)發(fā)教程系列[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

［4］TMS320C6X 系列用戶(hù)手冊(cè)[S].TI 公司.

［5］李柳嬋.DSP 在擴(kuò)頻通信技術(shù)中的應(yīng)用[J].企業(yè)科技與發(fā)展，2011（16）：36-37.