一種多進(jìn)制擴(kuò)頻通信基帶接收的實(shí)現(xiàn)方法

洪 亮，云 穎

（上海航天電子技術(shù)研究所，上海201109）

一種多進(jìn)制擴(kuò)頻通信基帶接收的實(shí)現(xiàn)方法

洪 亮，云 穎

（上海航天電子技術(shù)研究所，上海201109）

為了在不增加帶寬和不減小靈敏度的情況下增加擴(kuò)頻通信的數(shù)據(jù)傳輸速率，采用了多進(jìn)制擴(kuò)頻通信的方法，該方法利用不同的擴(kuò)頻碼來(lái)代表并傳輸信息，而不是用一種擴(kuò)頻碼對(duì)信息源進(jìn)行頻譜擴(kuò)展，不同的擴(kuò)頻碼之間互相關(guān)性小且自相關(guān)性強(qiáng)，針對(duì)多進(jìn)制擴(kuò)頻通信的設(shè)計(jì)思想，介紹了FPGA實(shí)現(xiàn)方法，詳細(xì)描述了多進(jìn)制擴(kuò)頻通信中數(shù)字下變頻、偽碼捕獲和跟蹤、載波捕獲和跟蹤的理論推導(dǎo)和技術(shù)實(shí)現(xiàn)途徑。利用多進(jìn)制擴(kuò)頻通信可以提高數(shù)據(jù)傳輸速率，在工程應(yīng)用中，多進(jìn)制擴(kuò)頻通信是一個(gè)可靠且有效的數(shù)據(jù)傳輸方法。

擴(kuò)頻通信；多進(jìn)制；載波跟蹤；偽碼捕獲；數(shù)字下變頻

0 引言

與傳統(tǒng)的直擴(kuò)技術(shù)相比，多進(jìn)制擴(kuò)頻發(fā)送的偽碼是可變的，通常發(fā)送的偽碼是同族的，發(fā)送的偽碼取決于原始數(shù)據(jù)，如果可以發(fā)送的偽碼有64種，那么其中任一個(gè)偽碼就可以代表6 bit信息，這樣傳輸數(shù)據(jù)速率就可以成倍提高，由于發(fā)送的偽碼仍然是一個(gè)完整的周期并且沒(méi)有提高偽碼速率，所以不會(huì)減小靈敏度或者增加帶寬。

多進(jìn)制擴(kuò)頻技術(shù)已在美軍JTIDS系統(tǒng)中得到應(yīng)用，其數(shù)據(jù)通信信道的信號(hào)內(nèi)碼采用32進(jìn)制正交碼擴(kuò)頻信號(hào)，以64進(jìn)制Gold序列碼族為例，對(duì)數(shù)字接收部分的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行理論和實(shí)踐分析，得出一個(gè)可行的技術(shù)實(shí)現(xiàn)方案。

1 工作原理

多進(jìn)制擴(kuò)頻系統(tǒng)中，m位信息碼由長(zhǎng)為N的偽隨機(jī)碼來(lái)代表［1］。m位信息碼有M＝2m個(gè)狀態(tài)，則該多進(jìn)制擴(kuò)頻系統(tǒng)稱為M進(jìn)制擴(kuò)頻系統(tǒng)，M進(jìn)制擴(kuò)頻系統(tǒng)需要M條長(zhǎng)為N的相互正交的偽隨機(jī)碼來(lái)表示M個(gè)狀態(tài)，M條偽隨機(jī)碼與m位信息碼的M個(gè)狀態(tài)一一對(duì)應(yīng)。下面都以64進(jìn)制擴(kuò)頻系統(tǒng)為例進(jìn)行說(shuō)明。

作為發(fā)射端，如圖1所示，信息源經(jīng)過(guò)編碼、組幀和64進(jìn)制擴(kuò)頻，射頻部分對(duì)其進(jìn)行上變頻，然后通過(guò)天線發(fā)射、編碼和組幀之后的串行數(shù)據(jù)流進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換，設(shè)串并轉(zhuǎn)換為位寬8 bit的并行數(shù)據(jù)流為sn，sn的低6位sn[5：0]對(duì)應(yīng)M＝64條偽隨機(jī)碼，記為PNQ，同時(shí)PNQ作為Q路本身可以攜帶一位數(shù)據(jù)sn[6]，記為bn，最高位sn[7]由I路發(fā)送，記為an，I路的偽隨機(jī)碼是固定的，記為PNI，PNI和PNQ之間的相對(duì)碼相位信息是確定的，經(jīng)過(guò)射頻上變頻之后，發(fā)送數(shù)據(jù)可以表示為：

U＝an*PNI*cos（ωt＋θ）＋bn*PNQ*sin（ωt＋θ），（1）

式中，ω代表載頻，θ代表相位。從上面可以看出，在不改變射頻調(diào)制、天線和射頻帶寬的情況下，64進(jìn)制擴(kuò)頻系統(tǒng)的傳輸速率是直擴(kuò)系統(tǒng)的8倍，反而言之，如果傳輸速率相同，那么射頻帶寬只需要1/8。

圖1 多進(jìn)制基帶發(fā)射模塊

對(duì)中頻接收端的基帶處理而言，如圖2所示，設(shè)接收到的中頻信號(hào)為：

ωi為中頻載波頻率，θi為中頻載波相位，用本地PNI對(duì)中頻信號(hào)進(jìn)行偽碼相位的捕獲和跟蹤，由于PNI偽碼和PNQ偽碼之間的碼相位關(guān)系是確定的，一旦找到PNI的偽碼相位，那么就得到了PNQ的偽碼相位，Q路只需要用64路偽隨機(jī)碼同時(shí)進(jìn)行解擴(kuò)，無(wú)需重新進(jìn)行偽碼捕獲。對(duì)于載波跟蹤而言，可以利用PNI的相關(guān)結(jié)果進(jìn)行載波頻率，PNI的自相關(guān)結(jié)果代表了sn[7]，Q路中的64路必定只有1路相關(guān)結(jié)果大于門(mén)限，其余路的相關(guān)結(jié)果都很小，那么64路中只有1路相關(guān)峰最大，這1路就代表了sn[5：0]，同時(shí)PNQ的相關(guān)結(jié)果代表了sn[6]，于是就恢復(fù)出了8 bit信息，隨后進(jìn)行并串轉(zhuǎn)換、幀同步和解碼，得到最終的原始信息。

圖2 多進(jìn)制接收模塊

2 接收模塊設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)字下變頻

假設(shè)中頻輸入信號(hào)的中心頻率為fc，帶寬為2fb，采樣率為fs，那么首先f(wàn)s應(yīng)該滿足采樣定理，確保采樣后的頻率不混疊，采樣后的信號(hào)是把原來(lái)的中頻信號(hào)以fs為步進(jìn)在頻域上進(jìn)行無(wú)限延拓，數(shù)字下變頻的作用是把延拓后最接近基帶的頻譜搬移到基帶上，然后用低通濾波器濾除高頻分量。采樣后的中頻信號(hào)表示為ui，數(shù)字下變頻器用NCO產(chǎn)生正弦分量u1和余弦分量u2。

上述運(yùn)算中的NCO可由Xilinx的IP core（Direct Digital Synthesizer）完成，也可自行編寫(xiě)，兩者原理相同，都是以采樣間隔時(shí)間內(nèi)的相位變化來(lái)代表頻率，設(shè)置一個(gè)ROM，把一個(gè)完整周期的余弦函數(shù)值存放其中，通過(guò)讀地址的變化來(lái)改變輸出的頻率，乘法器用Xilinx的專用乘法器完成。

由式（5）和式（6）可見(jiàn)，其中包含倍頻分量，這需要通過(guò)低通濾波器［2］濾除，濾波器用Xilinx的IP core（FIR compiler）實(shí)現(xiàn)，濾波器系數(shù)用Matlab的fdatool產(chǎn)生，低通濾波器的輸出信號(hào)為：

2.2 I路和Q路并行相關(guān)器

相關(guān)器采用滑動(dòng)相關(guān)的方法，即把接收的偽碼與本地偽碼在一個(gè)序列周期內(nèi)做相關(guān)，目的是尋找偽碼相位，為了更快地實(shí)現(xiàn)偽碼相位的捕獲，使用多通道并行計(jì)算相關(guān)峰，每個(gè)通道的本地偽碼相互錯(cuò)開(kāi)1/4或1/2個(gè)碼相位，當(dāng)載波頻率一致且接收的偽碼與本地偽碼基本對(duì)齊時(shí)，可得最大相關(guān)峰。

I路和Q路都使用PNI去做解擴(kuò)處理，式（7）和式（8）轉(zhuǎn)變?yōu)椋?/p>

由于PNI和PNQ的互相關(guān)值很小，式（9）和式（10）的第2項(xiàng)都可以忽略，an在一個(gè)偽碼內(nèi)保持不變，uI1和uQ1做平方和就是相關(guān)峰。

在軟件設(shè)計(jì)中，相關(guān)計(jì)算過(guò)程體現(xiàn)為：當(dāng)本地偽碼為0時(shí)，累加值減去uI，當(dāng)本地偽碼為1時(shí)，累加值加上uI，由此可得I路相關(guān)結(jié)果，同理計(jì)算Q路相關(guān)結(jié)果，兩路相關(guān)結(jié)果做平方和得到相關(guān)峰。

2.3 捕獲跟蹤控制器

捕獲跟蹤控制器的功能是通過(guò)調(diào)整本地偽碼相位和本地載波頻率，來(lái)實(shí)現(xiàn)載波捕獲和偽碼捕獲。相關(guān)峰是調(diào)整本地載波和偽碼的依據(jù)，相關(guān)峰受到兩個(gè)因素的影響，一個(gè)是頻差Δw，另一個(gè)是偽碼相位，從式（9）和式（10）中可以看出，θe（t）仍然是一個(gè)含有頻差Δw的值，只有當(dāng)Δw→0且碼相位對(duì)齊的時(shí)候，相關(guān)峰值最大。當(dāng)偽碼對(duì)齊的時(shí)候，相關(guān)峰值相對(duì)于Δw顯現(xiàn)sinc函數(shù)的特征［3］。捕獲策略是首先尋找偽碼相位，當(dāng)完成一個(gè)序列周期的偽碼掃描后，如果相關(guān)峰沒(méi)有大于門(mén)限，則調(diào)整本地載波頻率，繼續(xù)嘗試在下一個(gè)頻點(diǎn)進(jìn)行所有碼相位的掃描，如果相關(guān)峰大于門(mén)限，則調(diào)整本地偽碼相位，使之與接收偽碼相位基本對(duì)齊，然后掃描當(dāng)前頻點(diǎn)周圍的頻點(diǎn)，找到相關(guān)峰最大值對(duì)應(yīng)的頻率點(diǎn)，此頻率即為最接近實(shí)際載波的頻率，最后把本地載波頻率調(diào)整至此頻點(diǎn)，門(mén)限采用一個(gè)偽碼周期內(nèi)I路和Q路的能量累加和。此刻本地的載波頻率和偽碼相位與實(shí)際接收信號(hào)仍然有偏差，這個(gè)偏差需要載波跟蹤和偽碼跟蹤去無(wú)限接近［4］，跟蹤的結(jié)果反饋到捕獲跟蹤控制器，由捕獲跟蹤控制器去調(diào)整本地偽碼和本地載波頻率。

在軟件設(shè)計(jì)中，此模塊可由狀態(tài)機(jī)去實(shí)現(xiàn)，可以分為頻率粗捕狀態(tài)、偽碼捕獲狀態(tài)、頻率細(xì)調(diào)狀態(tài)、偽碼細(xì)調(diào)狀態(tài)和跟蹤狀態(tài)，跟蹤狀態(tài)中設(shè)有退出機(jī)制，即始終無(wú)法同步的情況下，狀態(tài)機(jī)回到初始態(tài)重新開(kāi)始捕獲、掃描和跟蹤。

2.4 本地偽碼發(fā)生器

本地偽碼發(fā)生器需要產(chǎn)生65路正交偽碼，Walsh序列雖然有很好的正交性，但自相關(guān)性能不佳，m序列雖然自相關(guān)和互相關(guān)性能都不錯(cuò)，但m序列的數(shù)量太少，所以可以采用自相關(guān)和互相關(guān)性能都良好的Gold序列，Gold序列是由一對(duì)優(yōu)先m序列通過(guò)裝載不同初始值的移位寄存器模2加得到的一個(gè)碼族，在跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)（TDRSS）中NASA選用了這種碼，實(shí)現(xiàn)方法上來(lái)說(shuō)，可以選用65個(gè)寬度為1 bit，深度為2L－1的ROM，L為移位寄存器的位數(shù)，用上電初始化的方式把這些ROM裝載Gold序列的完整周期。通過(guò)讀ROM的方式產(chǎn)生本地偽碼序列，如果需要相位調(diào)整，只要改變讀地址就可以了，當(dāng)找到PNI的偽碼相位后，同時(shí)調(diào)整本地PNI和PNQ的偽碼相位，使其與接收偽碼相位一致，由于PNI和PNQ之間的偽碼相位關(guān)系是確定的，所以找到PNI的偽碼相位等同于找到PNQ的偽碼相位，這是由發(fā)射端的偽碼相位關(guān)系決定的。

2.5 載波跟蹤

載波跟蹤是為了克服多普勒頻率漂移的影響，載波跟蹤由鑒相器、環(huán)路濾波器和NCO組成［5］，鑒相器的處理對(duì)象是并行累加結(jié)果，完成累加之后的值才體現(xiàn)了擴(kuò)頻增益。

鑒相器的目的是求出接收載波和本地載波之間的相位差θe（t ），在一個(gè)偽碼周期內(nèi)，θe（t）可以認(rèn)為基本是不變的，求arctan，就可以直接得到θe（t ）［6］，arctan可以用Xilinx的IP core（cordic）實(shí)現(xiàn)，θe（t）的范圍在（－π，π）之間，BPSK調(diào)制時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)倒π現(xiàn)象，即相位差會(huì)鎖定在0或者π，所以需要把（－π，－3π/2）之間θe（t）對(duì)應(yīng)到（0，π/2），（π/2，π）之間的θe（t ）對(duì)應(yīng)到（－π/2，0），這樣θe（t）的取值范圍就在（－π/2，π/2），當(dāng)相位差穩(wěn)定鎖在0或者π，鑒相器的輸出為0，即代表載波跟蹤環(huán)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了跟蹤。

2.6 偽碼跟蹤

發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的晶振頻率不可能完全一致，那么發(fā)射機(jī)的偽碼頻率和接收機(jī)的偽碼速率就不一致，這就會(huì)導(dǎo)致偽碼相位的相對(duì)滑動(dòng)，所以需要對(duì)接收偽碼相位進(jìn)行跟蹤［7］，由于偽碼對(duì)齊的時(shí)候相關(guān)峰最大，可以使用早－遲通道［6］的方法來(lái)跟蹤，即不斷比較早通道、當(dāng)前通道、遲通道的相關(guān)峰，始終把最大相關(guān)峰對(duì)應(yīng)的偽碼相位調(diào)整到當(dāng)前通道，就可以實(shí)現(xiàn)偽碼跟蹤［8］。

2.7 64路并行相關(guān)器

64路并行相關(guān)器是用64種偽碼同時(shí)對(duì)接收偽碼做相關(guān)［9］，相關(guān)結(jié)果必定只有1個(gè)是大于門(mén)限的，用PNQ對(duì)Q路進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果如下：

式（11）和式（12）的第2項(xiàng)可以略去，把uI3和uQ3做平方和就可以得到Q路的相關(guān)峰，由最大相關(guān)峰對(duì)應(yīng)的通道號(hào)就可以得出6 bit信息［10］，當(dāng)進(jìn)行載波跟蹤過(guò)程時(shí)，θe（t ）→0，由uQ3的符號(hào)位又可得1 bit信息。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)多進(jìn)制擴(kuò)頻通信進(jìn)行理論推導(dǎo)分析，證明了多進(jìn)制擴(kuò)頻通信可以在不減小靈敏度的情況下增加通信數(shù)據(jù)速率，并表征了信號(hào)處理過(guò)程中的多進(jìn)制擴(kuò)頻信號(hào)特征，工程上結(jié)合FPGA的特性，提出了多進(jìn)制擴(kuò)頻通信中各個(gè)算法模塊［11］的實(shí)現(xiàn)方法，利用多進(jìn)制擴(kuò)頻通信的保密性和高數(shù)據(jù)速率，為衛(wèi)星通信、戰(zhàn)術(shù)電臺(tái)和深空通信［12］等領(lǐng)域提供了一個(gè)新的實(shí)現(xiàn)思路。

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圖5 入射波為不同頻率時(shí)的輸出相位差曲線

4 結(jié)束語(yǔ)

將奧米亞棕蠅聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)的耦合結(jié)構(gòu)應(yīng)用于測(cè)向天線陣，天線陣基線長(zhǎng)度很?。ㄎ闹袨? cm）時(shí)，對(duì)于［0 90°］范圍內(nèi)的入射角，當(dāng)入射頻率在較大范圍內(nèi)變化時(shí)，該耦合結(jié)構(gòu)均能實(shí)現(xiàn)接收相位差的放大，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)向。在不增加基線長(zhǎng)度的情況下保證了測(cè)向精度，從而兼顧了測(cè)向設(shè)備的小型化和高測(cè)向精度，對(duì)于工程應(yīng)用具有重要的價(jià)值。

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Baseband Receiver Design for M-ary Spread Spectrum System

HONG Liang，YUN Ying
（Shanghai Aerospace Electronic Technology Institute，Shanghai201109，China）

In order to increase the transmission rate of spread spectrum system with limited bandwidth and no loss of sensitivity，the technique of M－ary spread spectrum is adopted.Instead of spreading signal spectrum by only one kind of PN sequence，the data source to be transmitted is represented by different PN sequences.Thecross－correlation value between different PN sequences is small while the auto－correlation value is big.An implementation method using FPGA is presented based on the principle of M－ary spread spectrum.Detailed description of theory and technical approach is given for digital down conversion，PN sequence acquisition and tracking，carrier acquisition and tracking.Data rate can be increased by using the method of M－ary spread spectrum.In the project application，M－ary spread spectrum is proved to be a reliable and effectivemethod.

spread spectrum communication；M－ary；carrier tracking；code acquisition；digital down conversion

V443.1

A

1003－3114（2015）04－104－4

10.3969/j.issn.1003－3114.2015.04.27

洪 亮，云 穎.一種多進(jìn)制擴(kuò)頻通信基帶接收的實(shí)現(xiàn)方法［J］.無(wú)線電通信技術(shù)，2015，41（4）：104－107.

2015－02－08

洪亮（1984—），男，工程師，主要研究方向：軟件無(wú)線電。云穎（1984—），女，工程師，主要研究方向：軟件無(wú)線電。