摘要：基于軟件無線電擴頻通信中的載波頻偏及收發(fā)兩端信源速率不匹配進(jìn)行了研究，并提出了實現(xiàn)擴頻同步的解決算法。 關(guān)鍵詞：軟件無線電 DSP 擴頻通信 擴頻通信提供了一種抗干擾的有效途徑。由于采用了偽隨機編碼擴展頻譜，以及相關(guān)接收技術(shù)，使其具有很強的抗干擾性能。軟件無線電SDR(Software Defined Radio)是近年來發(fā)展起來的一門新興學(xué)科。它采用數(shù)字信號處理技術(shù)，在可編程控制的通用硬件平臺上，利用軟件來定義無線電臺的各部分功能。其核心思想是在盡可能靠近天線的地方使用寬帶“數(shù)字/模擬”轉(zhuǎn)換器，盡早地完成信號的數(shù)字化，從而使得無線電臺的功能盡可能地用軟件來定義和實現(xiàn)。基于軟件無線電進(jìn)行擴頻通信系統(tǒng)設(shè)計具有設(shè)計靈活、易于調(diào)試、縮短系統(tǒng)開發(fā)時間，同時還具有可兼容性，是未來的發(fā)展趨勢。 1 系統(tǒng)介紹 在系統(tǒng)發(fā)射端，數(shù)據(jù)流經(jīng)過2比特串并轉(zhuǎn)換后分為I、Q兩路，然后對I、Q兩路數(shù)據(jù)進(jìn)行擴頻。I路和Q路所選用的擴頻碼子不相同，它們相互正交。接著擴頻后的I、Q路信號分別通過平方根升余弦濾波，最后進(jìn)行正交調(diào)制，將信號發(fā)射出去。系統(tǒng)發(fā)射端原理圖如圖1所示。 圖1 系統(tǒng)接收端原理圖如圖2所示。在接收端，采用正交下變頻技術(shù)將接收信號頻帶搬移到零中頻，這樣便于DSP處理，然后利用低通濾波濾除基帶帶外噪聲，再進(jìn)行 A/D變換，變換成可處理的數(shù)字信號，然后送入DSP;在DSP內(nèi)進(jìn)行同步搜索和頻偏估計，在同步搜索成功的基礎(chǔ)上，糾正載波頻偏和調(diào)整碼元采樣速率;進(jìn)入同步跟蹤環(huán)節(jié)，它鎖定同步信息并跟蹤載波頻偏變化，然后進(jìn)行擴頻碼的非相干解擴解調(diào)，最后輸出原理信息。 系統(tǒng)正常工作是建立在同步的基礎(chǔ)上，為了保證收端與發(fā)端同步，接收端的頻率源采用直接數(shù)字頻率合成器(Direct Digital Frequency Synthesis簡稱DDS或DDFS)。它受DSP控制，通過DSP的控制，調(diào)整收端頻率，最終實現(xiàn)收發(fā)兩端同步。 系統(tǒng)基于軟件無線電開發(fā)，其關(guān)鍵點是艇DSP實現(xiàn)處理數(shù)據(jù)。婁了保證實時處理數(shù)據(jù)，系統(tǒng)選用的DSP器件為TI公司生產(chǎn)的高速定點數(shù)字信號處理芯片 TMS320C6416，其運行時鐘目前最高可達(dá)700MHz，單指令周期內(nèi)最多可支持八條指令并行運行，故運算速度最高可達(dá)5600MIPS，是目前業(yè)界最快的數(shù)字信號處理器。該DSP在系統(tǒng)中主要負(fù)責(zé)同步的提取，識別有用信號，以及解擴后信號的處理。采用基于軟件無線電設(shè)計的思想符合通信系統(tǒng)數(shù)字化、實時化的發(fā)展趨勢。 2 系統(tǒng)同步問題分析 系統(tǒng)的同步是一個關(guān)鍵問題，系統(tǒng)的正常工作須建立在同步的基礎(chǔ)上。下面就系統(tǒng)同步的核心問題進(jìn)行分析，分析引發(fā)同步不確定的因素可能造成的影響。 圖2 2.1 同步的不確定性因素 引發(fā)同步不確定性的因素主要有以下幾方面： (1)頻率源通信中所用到的頻率源 晶振并不是理想中的頻率源，它主要受以下兩方面影響： %26;#183;頻率準(zhǔn)確度，晶振的實際頻率總與標(biāo)稱頻率存在一定差異; %26;#183;頻率穩(wěn)定度，它主要由溫度變化引起。 由于頻率源之間存在的頻偏和頻率源的頻率漂移會造成發(fā)射端與接收端的載波頻率不一致和載波的漂移，使系統(tǒng)性能下降。另一方面，它會造成收發(fā)兩部信息流速率不一致，當(dāng)發(fā)端信息流速率大于收端速率時，可能造成信息丟失，當(dāng)發(fā)端信息流速率小于收端速率時，收端會錯誤地多收數(shù)據(jù)。因此，系統(tǒng)需要保證收發(fā)端頻率一致。 (2)電波傳播的時延 由于發(fā)射端與接收端相隔一定距離，以及頻偏的存在，在時間上的積累反映為載波的相偏。 (3)多普勒頻移 它是由發(fā)射端與接收端相對位置的變化，引起頻率和傳輸時間的變化。 (4)多徑效應(yīng) 它是在傳輸過程中由于多路徑傳播引起的。它主要影響系統(tǒng)中碼相位、載波頻率相位延遲造成同步的不確定。 在衛(wèi)星通信中需要考慮的主要是頻率源的穩(wěn)準(zhǔn)度和多普勒現(xiàn)象。 2.2 同步問題的影響分析 2.2.1 同步中的載波頻偏分析 為了便于分析，這里暫時忽略信道噪聲的影響，則發(fā)射端信號為： S(t)=si(t)cos2πft+sq(t)sin2πft (1) 其中si(t)、sq(t)分別為I、Q路已擴頻的正交信號，f為載波頻率。接收端采用正交下變頻法解擴，相關(guān)后有：
式中T為碼元速率的倒數(shù)，Δf為接收端載波相對于發(fā)送端載波頻率的偏移，φ為接收端相對于發(fā)送端的未知相偏(由兩二甲基甲酰胺波的相位差及信道時延造成)。 由上述推導(dǎo)不難發(fā)現(xiàn)，由于頻偏(Δf)的存在，它對相關(guān)峰有一定影響，呈Sa(πΔfT)關(guān)系。在頻偏小時，它對于求相關(guān)峰的影響可以忽略。 2.2.2 收發(fā)兩端信息流頻率源不一致問題分析 如果收發(fā)兩端真正同步，那么發(fā)端的信息流速率應(yīng)與收端解碼速率一致，而一般對碼片采樣點為一整數(shù)，那么此時收端采樣頻率(fs)應(yīng)與發(fā)端擴頻碼速率(RN)的比值為一整數(shù);不妨設(shè)為M，則有： fs=M%26;#215;RN (5) 設(shè)擴頻碼長為LN，每碼片采樣M，則理論上采樣一條擴頻碼的樣點值Ns有： Ns=LN%26;#215;M (6) 從上面推導(dǎo)還不可知載波的頻偏只影響盯關(guān)峰峰值，不影響對擴頻碼采樣獲得的樣點數(shù)。然而，如果收端與發(fā)送之間的信息流頻率不一致，采樣的一條擴頻碼的點數(shù) N’s可能不等于Ns;如果采樣速率f’s>M%26;#215;RN，則估計出的下一幀擴頻碼起始位置就比實際的起始位置要偏后;為了盡可能減少收發(fā)兩端信息流頻偏值，應(yīng)盡可能選用穩(wěn)準(zhǔn)度較高的晶振，盡可能保證傳一幀擴頻碼的時間Ts內(nèi)實際采樣點與理論采樣點相差很小。然而，在同步搜索階段，由于沒有任何有用信息，在DSP處理時，運算量非常大，要判斷擴頻碼的起始位置，同時估計系統(tǒng)的載波頻偏，一般不可能實時處理完畢，這就需要采取拋幀處理。即在處理當(dāng)前幀時，將隨后的若干幀丟掉，為了準(zhǔn)確估計所拋幀數(shù)，一般利用定時器的定時功能丟棄數(shù)據(jù)從而間接實現(xiàn)準(zhǔn)確拋數(shù)據(jù)幀數(shù)據(jù) 。前提是先假設(shè)收發(fā)數(shù)據(jù)流一致，通過估計傳一幀擴頻碼所需時間來估計需要拋幀數(shù)據(jù)的時間。然而，實際中一般收發(fā)數(shù)據(jù)流不一致，雖然差異較小，但這樣可能因為累計偏差最后使得起始位置偏離所估計的位置。這就需要DSP控制DDS來調(diào)整接收端頻率源，保證收發(fā)兩端頻率源一致。 3 基于DSP的同步算法 3.1 載波頻偏估計算法 對于載波同步時出現(xiàn)的載波頻偏估計算法較多，時域頻偏估計和糾正的方法有多種，例如：phase lock loop(PLL)法、Fitz算法、Maximum likelihood(ML)算法、Data aided(DA)算法、Difference feedforward estimation(DFE)算法、Decision Directed Methods(DDM)算法以及Automatic frequency control(AFC)法。在DSP中用得較多的是DEF算法，它是利用相鄰兩幀的相位差來估計頻偏。 頻域估計頻偏算法是利用FFT變換，通過循環(huán)移位實現(xiàn)頻譜搬移，在頻域作相關(guān)運算，或退出頻域后再在時域作相關(guān)處理，通過估計相關(guān)峰最大值所對應(yīng)的頻偏位置獲得頻偏大小。 在DSP處理時的搜索階段，可以通過計算相隔N幀的相位差來估計頻偏。 公式：Δf=(φN+I-φN)/N (7) 這里考慮的頻偏相對信息速率不大。如果相對頻偏較大，為了糾正大的頻偏，可以采取步進(jìn)措施。當(dāng)DSP在同步搜索階段檢測不同信號時，通過DDS微調(diào)，改變下變頻頻率，從而實現(xiàn)廣域糾頻偏。
3.2 收發(fā)端信息流不一致解決算法 對于收端信息流與發(fā)端信息流速率不一致的情況，由上面基于軟件無線電處理解擴分析知道，實際中一般存在收發(fā)數(shù)據(jù)流不一致，雖然差異較小，但這樣可能因為累計偏差最后使得起始位置偏離所估計的位置。因此在運算時，為了獲得精確的擴頻碼起始位置，需要一定措施;如果直接處理，可以采用多級逼近法;開始時判決在一定的擴頻碼起始位置范圍，接收的數(shù)據(jù)經(jīng)過相關(guān)處理，是否滿足判決條件;然后基于上一次的同步碼位置，進(jìn)一步壓縮同步碼的起始位置范圍，直到找到同步碼的真正起始位置。對于本系統(tǒng)采用二級逼近法實現(xiàn)，流程圖如圖3所法。 但是該算法不夠精練，需要進(jìn)一步改進(jìn)，下面提出一種改進(jìn)算法：相對-實際兩步法算法。它分兩步進(jìn)行，在檢測到有效信息時，先利用相對位置估計同步碼的起始位置，它的思想是連續(xù)作兩次同步搜索，記錄各自的擴頻碼起始位置，然后用后一次的同步起始位置減去前一次的同步起始位置，進(jìn)行模擴頻碼碼長處理。如果獲得的結(jié)果為零，則說明收發(fā)兩端整數(shù)流頻率一致;如果不為零，說明系統(tǒng)兩端收發(fā)頻率不一致;如果大于零，則說明接收方采樣速率慢，需要調(diào)快收端頻率;如果小于零，則說明接收方采樣速率快，需要調(diào)慢收端頻率;當(dāng)最終調(diào)整到系統(tǒng)收發(fā)頻率一致時，系統(tǒng)進(jìn)入跟蹤階段，系統(tǒng)在跟蹤階段完成數(shù)據(jù)的解擴。由于晶振的飄移特點，在跟蹤階段需要進(jìn)行同步跟蹤，但此時跟蹤范圍縮小，在只需驗算擴頻碼起始位置及其前后各幾個點，具體視系統(tǒng)要求而定。 采用DSP進(jìn)行解擴不同于采用純硬件解擴，它不但需要考慮載波頻偏的影響，還需要考慮系統(tǒng)同步過程中估計的擴頻起始位置與實際的擴頻碼起始位置不一致的情況，即同步起始位置飄移問題，以及系統(tǒng)同步以后如何保證系統(tǒng)不丟失同步信息。本文就以上兩種情況分別提出相應(yīng)的自滿，以上算法已在某系統(tǒng)中采用，經(jīng)試驗證明可以滿足系統(tǒng)要求。
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