摘 要:隨著軟件無線電技術(shù)在各個領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，由軟件來實現(xiàn)直擴(kuò)通信終端已成為可能。基于軟件無線電的思想，提出了一種基于軟件無線電的直擴(kuò)通信終端設(shè)計方案。分析了擴(kuò)頻偽碼類型、擴(kuò)頻增益、中頻選取、偽碼同步電路等系統(tǒng)參數(shù)，并用Matlab對系統(tǒng)進(jìn)行了仿真，驗證了方案的可行性。該系統(tǒng)具有體積小，靈活性好，低功耗，擴(kuò)展性強(qiáng)等優(yōu)點。

關(guān)鍵詞:軟件無線電; 直擴(kuò)通信; 擴(kuò)頻增益; 偽碼同步

中圖分類號:TN912-34文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)21-0015-03

Design and Simulation of DSSS Communication Terminal Based on Software Defined Radio

CHEN Ying， ZHANG Fu-hong

(College of Communication， Hangzhou Dianzi University， Hangzhou 310018， China)

Abstract: It′s possible to realize DSSS communication by software with wide application of the software radio. The software， digitization， miniaturization are the inevitable development of DSSS terminal.A scheme of DSSS communication terminal based on software radio is provided.Te types of PN， gain， frequency selection， synchronous circuit are analyzed， and the system is simulated by Matlab and the feasibility of the program is verified. The system has advantages of small volume， flexibility， low power and strong expansion.Keywords: software defined radio; DSSS; spread spectrum gain; pseudo code synchronization

0 引 言

直接序列擴(kuò)頻通信是擴(kuò)頻通信技術(shù)中的一種，具有抗干擾、抗多徑衰落、抗阻塞能力強(qiáng)，以及頻譜利用率高、保密性好、截獲率低、易于組網(wǎng)、進(jìn)行高精度測距等諸多優(yōu)點。

本文提出了一種基于軟件無線電[1-2]的直擴(kuò)系統(tǒng)的設(shè)計方案[3-5]。給出了各項設(shè)計參數(shù)指標(biāo)，并對所提出的設(shè)計方案進(jìn)行了仿真[6-7]驗證。

1 系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

基于軟件無線電的直擴(kuò)通信終端采用對中頻進(jìn)行數(shù)字化采樣，由軟件編程實現(xiàn)信號的擴(kuò)頻、調(diào)制、解擴(kuò)、解調(diào)等數(shù)字信號處理。本文重點介紹直擴(kuò)通信終端的中頻數(shù)字處理的具體實現(xiàn)方案。直擴(kuò)通信終端的結(jié)構(gòu)框圖[8]如圖1所示。

信號發(fā)射時，信息經(jīng)過信源、信道編碼后，與擴(kuò)頻偽碼進(jìn)行相乘擴(kuò)頻。為了使擴(kuò)頻后的基帶信號與后面的DAC的轉(zhuǎn)換速率相匹配，在正交調(diào)制之前必須通過內(nèi)插把低速率的擴(kuò)頻基帶信號提升到DAC的轉(zhuǎn)換速率上。內(nèi)插后的數(shù)據(jù)通過成形濾波器，以消除碼間干擾和高頻鏡像干擾，內(nèi)插濾波后的擴(kuò)頻基帶信號與載波相乘實現(xiàn)數(shù)字調(diào)制，之后通過高速DAC轉(zhuǎn)換成中頻模擬信號。

信號接收時，中頻模擬信號經(jīng)過高速ADC采樣后，與本地載波相乘進(jìn)行正交下變頻至零中頻，經(jīng)抽取濾波后，送入偽碼同步環(huán)進(jìn)行偽碼捕獲跟蹤。偽碼同步后，再經(jīng)過信號解擴(kuò)解調(diào)以及相應(yīng)的信道和信源解碼。

圖1 直擴(kuò)通信終端結(jié)構(gòu)框圖

2 系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計

直擴(kuò)通信終端參數(shù)[9-10]約束主要有如下幾個方面:

(1) 信息數(shù)據(jù)的傳輸速率:由于該直擴(kuò)通信終端主要用于低速率數(shù)據(jù)通信以及語音通信，而且目前語音編碼(如CELP、AMBE編碼)后的數(shù)據(jù)速率一般為24 Kb/s，4 Kb/s，48 Kb/s，8 Kb/s，96 Kb/s。因而在信息速率的選擇上設(shè)定信息速率為8 Kb/s，信道編碼采用碼率為1/2的卷積編碼。因此待擴(kuò)頻的數(shù)據(jù)速率為16 Kb/s。

(2) 擴(kuò)頻偽碼類型以及階數(shù):由于所設(shè)計直擴(kuò)通信終端目前完成的是點對點的通信，因而為了簡便起見，在直擴(kuò)通信終端中采用m序列作為擴(kuò)頻偽碼。若m序列的長度太長，則不僅增長了接收機(jī)的捕獲時間還增加了接收機(jī)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性。若m序列長度太短，則中頻數(shù)字化直擴(kuò)通信終端的抗干擾能力減弱。因而采用折中方式，采用11階的m序列作為中頻數(shù)字化直擴(kuò)通信終端的擴(kuò)頻偽碼。

(3) 擴(kuò)頻處理增益:擴(kuò)頻增益是直擴(kuò)通信的一個重要參數(shù)， 反映了系統(tǒng)抗干擾能力的強(qiáng)弱， 是對信噪比改善程度的度量，其定義為接收機(jī)輸出信噪功率比與接收機(jī)的輸入信噪功率比之比，即:

Gp=輸出信噪功率比輸入信噪功率比=BRFBb=RcRb

(1)

其中:BRF為擴(kuò)頻后的帶寬;Bb為基帶數(shù)據(jù)帶寬;Rc為擴(kuò)頻后的偽碼速率;Rb為基帶數(shù)據(jù)速率。在本設(shè)計中，為了提高頻帶利用率，考慮到所允許的最大帶寬，這里設(shè)計偽碼的速率為4.096 Mb/s。因而，

可以得到中頻數(shù)字化直擴(kuò)通信終端的處理增益為24 dB。

(4)數(shù)字調(diào)制方式和中頻載頻:由于DPSK信號采用帶判決反饋結(jié)構(gòu)的叉積鑒頻環(huán)不僅可以消除頻偏，而且還可以進(jìn)行差分解調(diào)，從而不需要載波的相位同步，簡化了接收機(jī)的電路設(shè)計。因而采用DPSK作為中頻數(shù)字化直擴(kuò)通信終端的數(shù)字調(diào)制方式。

在中頻載頻的選擇上，采用214 MHz為中頻數(shù)字化直擴(kuò)通信終端的中頻載頻。

(5) 偽碼同步電路:對于偽碼捕獲電路框架，采用非相干串行捕獲法。其中的積分清洗濾波器可用累加器或者匹配濾波器來代替。由于直擴(kuò)通信終端采用先解擴(kuò)后解調(diào)，在解擴(kuò)之前無法得到精確的載波相位和載頻，因此偽碼跟蹤電路采用非相干超前延時鎖相環(huán)。

3 仿真結(jié)果

由于偽碼速率為4096 Mb/s，故由采樣定理可知至少需8192 MHz的采樣頻率對偽碼采樣，考慮到偽碼跟蹤電路延遲超前鎖相環(huán)的方便設(shè)計，采用16384 MHz的采樣速率對偽碼進(jìn)行采樣，即一個偽碼采四點。因而信息信號經(jīng)擴(kuò)頻后得到的基帶擴(kuò)頻信號速率為16384 Mb/s，而DAC轉(zhuǎn)換速率設(shè)定為8192 Mb/s，所以為匹配數(shù)據(jù)速率需要對基帶擴(kuò)頻信號進(jìn)行內(nèi)插，內(nèi)插因子為81.92/16.384=5。接收過程為發(fā)送過程的反過程，抽取因子等于內(nèi)插因子也為5。

為了提高頻譜利用率，消除碼間干擾，需要使用成形濾波器對擴(kuò)頻后的碼片進(jìn)行成形濾波。在中頻數(shù)字化直擴(kuò)通信終端設(shè)計中為了節(jié)省電路資源，把成形濾波器設(shè)計為既起碼片成形作用，又起內(nèi)插濾波作用。為了降低濾波器的數(shù)據(jù)吞吐率，這里采用多項濾波結(jié)構(gòu)?；鶐U(kuò)頻信號在內(nèi)插了5倍后，速率達(dá)到了8192 Mb/s，因而濾波器的采樣頻率為8192 MHz。由于采用DBPSK調(diào)制，偽碼速率為4096 Mb/s，因調(diào)制后的信號3 dB帶寬為4096 MHz，因此濾波器的截止頻率只要為2.048 MHz即可，但為了能較好地濾出信號頻率，在中頻數(shù)字化直擴(kuò)通信終端中，設(shè)定濾波器的截止頻率為4096 MHz，從而既滿足了內(nèi)插濾波的要求又滿足了碼片成形的要求。由于收發(fā)過程中都使用了成形濾波器，所以成形濾波器采用平方根升余弦濾波器。

根據(jù)所設(shè)定的參數(shù)，進(jìn)行了直擴(kuò)通信終端的擴(kuò)頻調(diào)制仿真，發(fā)射部分Matlab仿真結(jié)果如圖2所示。

圖2 直擴(kuò)通信終端擴(kuò)頻調(diào)制仿真

由圖2可知，信息數(shù)據(jù)經(jīng)過擴(kuò)頻之后，其頻譜在整個頻段中得到了擴(kuò)展，再與載頻為21.4 MHz的載波相乘實現(xiàn)數(shù)據(jù)的上變頻(即DPSK調(diào)制)。

在接收端，信號經(jīng)過下變頻、抽取后，采用串行捕獲方法，偽碼捕獲同步后，便可進(jìn)行信號的解擴(kuò)工作，解擴(kuò)后的仿真波形如圖3所示。

圖3 偽碼解擴(kuò)后信號波形

由圖3可以看出，信號經(jīng)過相關(guān)解擴(kuò)處理后，有用信號被解擴(kuò)，其功率譜集中于信息帶寬內(nèi)。而無用信號通過相關(guān)器后，頻譜雖然大大的展寬了，但信號在整個頻帶內(nèi)的能量不變。

解擴(kuò)后的信號經(jīng)過低通濾波，信息解調(diào)后得到如圖4所示。 接收到的擴(kuò)頻信號經(jīng)過正交下變頻、抽取濾波、偽碼同步、低通濾波和信息解調(diào)后得到的信息數(shù)據(jù)與所發(fā)送的信息數(shù)據(jù)完全一樣。

圖4 解調(diào)出來的信息

4 結(jié) 語

主要討論了擴(kuò)頻通信中的直擴(kuò)通信系統(tǒng)的軟件無線電實現(xiàn)結(jié)構(gòu)及其參數(shù)設(shè)計，包括擴(kuò)頻偽碼類型、擴(kuò)頻增益、中頻選取、偽碼同步電路等，并用Matlab仿真了該方案。仿真結(jié)果表明方案的可行性。同時表明該設(shè)計方案具有體積小，靈活性好，低功耗，擴(kuò)展性強(qiáng)等優(yōu)點。

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