擴(kuò)頻通信系統(tǒng)CCSK信息調(diào)制解調(diào)算法設(shè)計(jì)

摘要：采用直序擴(kuò)頻的通信系統(tǒng)具有較高的抗干擾能力，但通信信息速率會(huì)大幅下降。因此，在通信速率和抗干擾之間找到一個(gè)平衡點(diǎn)，是擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的一個(gè)重要技術(shù)問題。文中提出了一種CCSK編碼解碼枝術(shù)，該技術(shù)可以有效地提高擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的通信速率。

關(guān)鍵詞：擴(kuò)頻通信；數(shù)字相關(guān)；BPSK；循環(huán)移位鍵控

0 引言

在直序擴(kuò)頻系統(tǒng)中，Nbit擴(kuò)頻碼只能代表1bit信息，例如發(fā)射方發(fā)送32 bit的擴(kuò)頻碼，接收方經(jīng)過相關(guān)解擴(kuò)處理后得到的有效信息為1 bit，信息速率為碼速率的1／32。而通過循環(huán)移位鍵控(CCSK)信息編碼，就可以用Nbit擴(kuò)頻碼代表K位信息，即(N，K)編碼。在采用32 bit擴(kuò)頻碼的系統(tǒng)中，通過CCSK編碼將原始擴(kuò)頻碼循環(huán)移位產(chǎn)生32種不同的擴(kuò)頻碼，發(fā)射方通過發(fā)送原始擴(kuò)頻碼的32種不同循環(huán)碼可以代表5 bit有效數(shù)據(jù)，這樣的編碼方式可以使32bit碼流攜帶5bit信息，因此，在碼速率不變的前提下，可比采用直序擴(kuò)頻數(shù)據(jù)調(diào)制的信息速率提高5倍，同樣，接收方通過CCSK的相關(guān)處理，可以解調(diào)出5 bit信息。

1 CCSK信息調(diào)制算法設(shè)計(jì)

所謂CCSK信息編碼，就是通過軟件算法或硬件電路計(jì)算將預(yù)發(fā)射數(shù)據(jù)向?qū)?yīng)擴(kuò)頻碼轉(zhuǎn)換。CCSK編碼可以通過數(shù)據(jù)映射表產(chǎn)生，也可以通過邏輯電路實(shí)時(shí)計(jì)算產(chǎn)生。

通過CCSK數(shù)據(jù)映射表實(shí)現(xiàn)CCSK編碼，其信息轉(zhuǎn)換速率較高、處理操作較少，但需要的硬件資源較多，尤其是對(duì)于需要快速切換擴(kuò)頻碼的抗干擾系統(tǒng)，其較大的擴(kuò)頻碼集合，需要制作大量對(duì)應(yīng)的CCSK碼表，因此，映射表法比較適合通過處理器(DSP)軟件計(jì)算產(chǎn)生。而實(shí)時(shí)計(jì)算實(shí)現(xiàn)CCSK編碼，其資源消耗較少，但處理操作較多。為提高其轉(zhuǎn)換速率，降低轉(zhuǎn)換時(shí)間，應(yīng)通過FPGA設(shè)計(jì)相應(yīng)邏輯電路來實(shí)現(xiàn)。下面以32 bit擴(kuò)頻碼通信為例，詳細(xì)介紹實(shí)現(xiàn)兩種CCSK編碼的設(shè)計(jì)方法。

1．1 CCSK數(shù)據(jù)映射表

通過表映射實(shí)現(xiàn)CCSK編碼時(shí)，首先要對(duì)32 bit擴(kuò)頻碼進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，以產(chǎn)生32 bit原擴(kuò)頻碼的32個(gè)循環(huán)移位碼。假定一個(gè)32 bit擴(kuò)頻序列{a0，a1，a2，…，a29，a30，a31}通過右循環(huán)移位處理可以得到的32種不同位排列次序的數(shù)據(jù)如下：

{a0，a1，a2，…，a29，a30，a31}循環(huán)右移0次帶表數(shù)據(jù)0

{a31，a0，a1，a2，…，a29，a30} 循環(huán)右移1次帶表數(shù)據(jù)1

{a30，a31，a0，a1，a2，…，a29}循環(huán)右移2次帶表數(shù)據(jù)2

……

{a1，a2，…，a29，a31，a0}循環(huán)右移31次帶表數(shù)據(jù)31

那么，實(shí)現(xiàn)循環(huán)移位編碼的方式如下：

假定原信息數(shù)據(jù)為N(0≤N≤31)，原擴(kuò)頻碼為m(32 bitm序列)，則有32 bit映射擴(kuò)頻碼M為：

M=(m>>n)&0xffffffff+(m<<(32-n))&0xffffffff

即當(dāng)原信息數(shù)據(jù)為N時(shí)，將原m序列右移N位得到的32bit數(shù)據(jù)與m序列右移32-N位得到的32bit數(shù)據(jù)相加，就可得到32bit映射擴(kuò)頻碼M。將0～31的5 bit數(shù)據(jù)代入上式，就可以得到32種M序列構(gòu)建的CCSK擴(kuò)頻碼映射表。對(duì)于具有L(L&ge;0)個(gè)可選擴(kuò)頻碼集合的系統(tǒng)，可通過上式計(jì)算產(chǎn)生L個(gè)由32個(gè)元素組成的碼表。當(dāng)系統(tǒng)對(duì)原數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼時(shí)，即可通過擴(kuò)頻碼號(hào)L和原數(shù)據(jù)N，在碼表中提取元素號(hào)為32×L+N的映射擴(kuò)頻碼。

在一個(gè)擴(kuò)頻碼集合較大的系統(tǒng)中，計(jì)算產(chǎn)生的大量碼表需要占用較多數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間。對(duì)FPGA而言，存儲(chǔ)碼表所占的存儲(chǔ)器資源比例較大但對(duì)某些DSP則相對(duì)較小，因此，用碼表映射方法實(shí)現(xiàn)CCSK數(shù)據(jù)編碼的方法比較適合DSP軟件處理。

1．2 CCSK邏輯編碼電路的實(shí)時(shí)計(jì)算

CCSK邏輯編碼電路實(shí)時(shí)計(jì)算同碼表映射具有類似的算法，不同的是通過邏輯電路實(shí)時(shí)計(jì)算不必存儲(chǔ)大量的預(yù)處理數(shù)據(jù)，從而減少了硬件資源的消耗。其電路由兩級(jí)32 bit存儲(chǔ)器和多路選擇器組成，其電路原理框圖如圖1所示。該電路將32 bitm序列存儲(chǔ)在2個(gè)級(jí)聯(lián)的存儲(chǔ)器內(nèi)成為一個(gè)64 bit的序列，這樣，當(dāng)輸入5bit調(diào)制數(shù)據(jù)N時(shí)，預(yù)存的64 bit序列中的第N位到第N+31位輸出就是得到的32 bit序列M。一般情況下，根據(jù)輸入的原信息數(shù)據(jù)的不同，可以得到32種不同的M序列如下：

{a0，a1，a2，…，a29，a30，a31}原信息數(shù)據(jù)0

{a31，a0，a1，a2，…，a29，a30} 原信息數(shù)據(jù)1

{a30，a31，a0，a1，a2，…，a29} 原信息數(shù)據(jù)2

……

{a1，a2，…，a29，a30，a31，a0}原信息數(shù)據(jù)31

由上述可見，32種序列同軟件計(jì)算得到的M序列完全一致。通過FPGA內(nèi)部的LE單元構(gòu)建圖1所示的邏輯電路比較容易，而且消耗的硬件資源也較少。

2 CCSK信息解調(diào)算法設(shè)計(jì)

在數(shù)字中通信制系統(tǒng)中，要實(shí)現(xiàn)CCSK信息解調(diào)，首先要通過A／D采樣、正交基帶下編碼、低通濾波等數(shù)字信號(hào)處理方式對(duì)輸入中頻信號(hào)進(jìn)行相位檢測(cè)，最后采用數(shù)字相關(guān)器對(duì)正交基帶碼流進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算以產(chǎn)生I、Q兩路相關(guān)峰，再通過正交相關(guān)峰合成產(chǎn)生符號(hào)位為正的正交相關(guān)峰。圖2所示為正交基帶下變頻信號(hào)處理電路原理框圖。

數(shù)字相關(guān)器是CCSK信息解調(diào)的關(guān)鍵部件，通過相關(guān)器進(jìn)行CCSK信息解調(diào)有兩種不同的邏輯電路架構(gòu)，包括兩級(jí)串聯(lián)型相關(guān)處理算法電路和多極并行數(shù)字相關(guān)器。無輪哪種CCSK相關(guān)解調(diào)器，其核心都是數(shù)字相關(guān)器，而數(shù)字相關(guān)器分為全加器型數(shù)字相關(guān)器和流水線加法器型數(shù)字相關(guān)器。這兩種數(shù)字相關(guān)器的原理框圖如圖3所示。

2．1 兩級(jí)串聯(lián)型CCSK數(shù)字相關(guān)器算法設(shè)計(jì)

兩級(jí)串聯(lián)型CCSK相關(guān)解調(diào)邏輯電路一般由兩個(gè)全加器型數(shù)字相關(guān)器級(jí)聯(lián)而成。如采用32 bit m序列擴(kuò)頻碼的系統(tǒng)，可將兩個(gè)32 bit相關(guān)器級(jí)聯(lián)成64 bit相關(guān)器，其m序列本地碼可設(shè)置成兩個(gè)同樣的m序列：

{a31，a30，a29，…，a2，a1，a0，a31，a30，a29，…，a2，a1，a0}

當(dāng)輸入基帶碼流信號(hào)為m序列的某一種32 bit循環(huán)移位碼時(shí)，相關(guān)器就會(huì)輸出相應(yīng)的相關(guān)峰信號(hào)。其過程如下：

輸入基帶碼流為32 bit m序列的原碼時(shí)(時(shí)間次序?yàn)閧a31，a30，a29，…，a2，a1，a0})，當(dāng)碼流與第一段本地碼對(duì)應(yīng)緩沖器內(nèi)的本地序列{a31，a30，a29，…，a2，a1，a0}一致時(shí)，相關(guān)器就會(huì)輸出第一相關(guān)峰；在采樣同步時(shí)鐘的驅(qū)動(dòng)下，輸入碼流進(jìn)入第二段本地碼對(duì)應(yīng)緩沖器內(nèi)，此后，當(dāng)碼流與相關(guān)器的本地序列{a31，a30，a29，…，a2，a1，a0}一致時(shí)，相關(guān)器就會(huì)輸出第二相關(guān)峰。

當(dāng)輸入信號(hào)是擴(kuò)頻碼m序列的1次循環(huán)移位碼時(shí)，只有當(dāng)輸入碼流信號(hào)被驅(qū)動(dòng)到{a30，a29，&hellip;，a2，a1，a0，a31}的位置上時(shí)，相關(guān)器才輸出相關(guān)峰信號(hào)。相對(duì)于0次循環(huán)移位碼產(chǎn)生的相關(guān)峰，其時(shí)序延遲了一個(gè)碼片單位。依次類推，當(dāng)輸入信號(hào)是擴(kuò)頻碼m序列的N(0≤N≤31)次循環(huán)移位碼時(shí)，通?？梢缘玫窖舆tN個(gè)碼片時(shí)間的相關(guān)峰。圖4所示是相關(guān)峰時(shí)序延遲示意圖。

通過計(jì)算相關(guān)峰輸出時(shí)間同基準(zhǔn)(0延遲)相關(guān)峰之間的時(shí)間差，可以提取調(diào)制在信號(hào)上的信息數(shù)據(jù)N：

N=(數(shù)據(jù)相關(guān)峰字符時(shí)間-基準(zhǔn)相關(guān)峰字符時(shí)間)／碼片時(shí)間

采用兩級(jí)串聯(lián)型CCSK相關(guān)解調(diào)邏輯電路解調(diào)CCSK信息消耗的硬件資源較少，但由于要對(duì)相關(guān)峰進(jìn)行定時(shí)檢測(cè)以及消除部分相關(guān)峰，因此，對(duì)電路的處理時(shí)序較為嚴(yán)格，只能采用全加器型數(shù)字相關(guān)器來實(shí)現(xiàn)。而流水線加法器數(shù)字相關(guān)器由于不具有實(shí)時(shí)歸零功能，無法實(shí)現(xiàn)兩級(jí)級(jí)聯(lián)，因此不適合兩級(jí)串聯(lián)型CCSK相關(guān)解調(diào)邏輯電路的相關(guān)器。

2．2 多路并行CCSK數(shù)字相關(guān)器算法設(shè)計(jì)

多路并行型CCSK數(shù)字相關(guān)器輸入的的是m序列N次循環(huán)移位碼，如32 bit系統(tǒng)中，m序列N次循環(huán)移位碼有32種，接收方可以通過32個(gè)32 bit并行數(shù)字相關(guān)器對(duì)基帶碼流進(jìn)行相關(guān)處理。當(dāng)輸入碼流同第N路相關(guān)器的相關(guān)輸出超出信號(hào)門限時(shí)，則認(rèn)定接收到的數(shù)據(jù)為N，圖5所示就是并行相關(guān)峰輸出信號(hào)。

多路并行型CCSK數(shù)字相關(guān)器的電路結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，對(duì)電路時(shí)序的要求也較低，相關(guān)器輸出時(shí)序位置固定，不需要進(jìn)行時(shí)間差計(jì)算提取信息，也不需要對(duì)部分相關(guān)峰進(jìn)行時(shí)序處理，故可采用對(duì)加法進(jìn)位延遲要求較低的流水線加法器型數(shù)字相關(guān)器作為相關(guān)處理的核心部件。但是，多路并行型CCSK數(shù)字相關(guān)器消耗的硬件資源在同樣碼速率和碼長(zhǎng)時(shí)，比兩級(jí)串聯(lián)型CCSK數(shù)字相關(guān)器要多若干倍，因此，32 bit擴(kuò)頻系統(tǒng)中采用多路并行型CCSK數(shù)字相關(guān)器要比兩級(jí)串聯(lián)型CCSK數(shù)字相關(guān)器所消耗的資源多16倍。

3 結(jié)語

本文對(duì)CCSK信息的調(diào)制和解調(diào)算法進(jìn)行了介紹，給出了CCSK邏輯編碼電路的實(shí)時(shí)計(jì)算方法，同時(shí)對(duì)兩級(jí)串聯(lián)型CCSK數(shù)字相關(guān)器算法和多路并行CCSK數(shù)字相關(guān)器算法的設(shè)計(jì)進(jìn)行了說明。采用直序擴(kuò)頻的通信系統(tǒng)具有較高的抗干擾能力，但通信信息速率會(huì)大幅下降。因此，在通信速率和抗干擾之間找到一個(gè)平衡點(diǎn)，是擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的一個(gè)重要技術(shù)問題。而利用本文提出的CCSK編碼解碼技術(shù)可以有效地提高擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的通信速率。