基于軟件無(wú)線電的直擴(kuò)通信終端設(shè)計(jì)與仿真

摘要：隨著軟件無(wú)線電技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，由軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)直擴(kuò)通信終端已成為可能?；谲浖o(wú)線電的思想，提出了一種基于軟件無(wú)線電的直擴(kuò)通信終端設(shè)計(jì)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(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了仿真，驗(yàn)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(diǎn)。
關(guān)鍵詞：軟件無(wú)線電；直擴(kuò)通信；擴(kuò)頻增益；偽碼同步

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)行高精使測(cè)距等諸多優(yōu)點(diǎn)。
    本文提出了一種基于軟件無(wú)線電的直擴(kuò)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。給出了各項(xiàng)設(shè)計(jì)參數(shù)指標(biāo)，并對(duì)所提出的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。

1 系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)
    基于軟件無(wú)線電的直擴(kuò)通信終端采用對(duì)中頻進(jìn)行數(shù)字化采樣，由軟件編程實(shí)現(xiàn)信號(hào)的擴(kuò)頻、調(diào)制、解擴(kuò)、解調(diào)等數(shù)字信號(hào)處理。本文重點(diǎn)介紹直擴(kuò)通信終端的中頻數(shù)字處理的具體實(shí)現(xiàn)方案。直擴(kuò)通信終端的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。


    信號(hào)發(fā)射時(shí)，信息經(jīng)過(guò)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(hào)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(guò)內(nèi)插把低速率的擴(kuò)頻基帶信號(hào)提升到DAC的轉(zhuǎn)換速率上。內(nèi)插后的數(shù)據(jù)通過(guò)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(hào)與載波相乘實(shí)現(xiàn)數(shù)字調(diào)制，之后通過(guò)高速DAC轉(zhuǎn)換成中頻模擬信號(hào)。
    信號(hào)接收時(shí)，中頻模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)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(guò)信號(hào)解擴(kuò)解調(diào)以及相應(yīng)的信道和信源解碼。

2 系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)
    直擴(kuò)通信終端參數(shù)約束主要有如下幾個(gè)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(yǔ)音通信，而且目前語(yǔ)音編碼(如CELP、AMBE編碼)后的數(shù)據(jù)速率一般為 2.4Kb／s，4Kb／s，4.8Kb／s，8Kb／s，9.6Kb／s。因而在信息速率的選擇上設(shè)定信息速率為8Kb／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(jì)直擴(kuò)通信終端目前完成的是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信，因而為了簡(jiǎn)便起見(jiàn)，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(zhǎng)度太長(zhǎng)，則不僅增長(zhǎng)了接收機(jī)的捕獲時(shí)間還增加了接收機(jī)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性。若m序列長(zhǎng)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(gè)重要參數(shù)，反映了系統(tǒng)抗干擾能力的強(qiáng)弱，是對(duì)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：
  
    其中：BRF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(jì)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(jì)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(hào)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(jiǎn)化了接收機(jī)的電路設(shè)計(jì)。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21．4MHz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(duì)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(lái)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(wú)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(shí)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(duì)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(jì)，采用16.384 MHz的采樣速率對(duì)偽碼進(jìn)行采樣，即一個(gè)偽碼采四點(diǎn)。因而信息信號(hào)經(jīng)擴(kuò)頻后得到的基帶擴(kuò)頻信號(hào)速率為16.384Mb／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(duì)基帶擴(kuò)頻信號(hào)進(jìn)行內(nèi)插，內(nèi)插因子為81．92／16．384=5。接收過(guò)程為發(fā)送過(guò)程的反過(guò)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(duì)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(jì)中為了節(jié)省電路資源，把成形濾波器設(shè)計(jì)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(xiàng)濾波結(jié)構(gòu)?；鶐U(kuò)頻信號(hào)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(hào)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(hào)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(guò)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。


    由圖2可知，信息數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)擴(kuò)頻之后，其頻譜在整個(gè)頻段中得到了擴(kuò)展，再與載頻為21．4 MHz的載波相乘實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的上變頻(即DPSK調(diào)制)。
    在接收端，信號(hào)經(jīng)過(guò)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(hào)的解擴(kuò)工作，解擴(kuò)后的仿真波形如圖3所示。


    由圖3可以看出，信號(hào)經(jīng)過(guò)相關(guān)解擴(kuò)處理后，有用信號(hào)被解擴(kuò)，其功率譜集中于信息帶寬內(nèi)。而無(wú)用信號(hào)通過(guò)相關(guān)器后，頻譜雖然大大的展寬了，但信號(hào)在整個(gè)頻帶內(nèi)的能量不變。
    解擴(kuò)后的信號(hào)經(jīng)過(guò)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(hào)經(jīng)過(guò)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。



4 結(jié)語(yǔ)
    主要討論了擴(kuò)頻通信中的直擴(kuò)通信系統(tǒng)的軟件無(wú)線電實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)及其參數(shù)設(shè)計(jì)，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(shí)表明該設(shè)計(jì)方案具有體積小，靈活性好，低功耗，擴(kuò)展性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。