多路測量信號(hào)擴(kuò)頻傳輸?shù)腄SP系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1. 引 言

在測控領(lǐng)域，通常要求對(duì)多路檢測信號(hào)進(jìn)行傳輸。信號(hào)的傳輸過程中常受到周圍復(fù)雜環(huán)境的干擾會(huì)產(chǎn)生較大的失真。如采用擴(kuò)頻通信傳輸系統(tǒng)，在發(fā)射機(jī)中用偽隨機(jī)序列對(duì)所傳輸信號(hào)的頻譜進(jìn)行擴(kuò)展并利用碼分復(fù)用實(shí)現(xiàn)多路信號(hào)的復(fù)用；在接收機(jī)中再對(duì)其解擴(kuò)，恢復(fù)原傳輸信號(hào)。利用擴(kuò)頻通信的擴(kuò)頻增益，可大大提高通信系統(tǒng)的信噪比 [1-2]，增加傳輸信號(hào)的可靠性改善通信質(zhì)量、提高通信效率。 同時(shí) DSP具有可滿足算法控制復(fù)雜結(jié)構(gòu)、運(yùn)算速度高、尋址方式靈活和通信性能強(qiáng)大等需求，可以通過軟件修改傳輸信號(hào)參數(shù)，因此具有很大的靈活性。本文利用 DSP系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)多
路測量信號(hào)擴(kuò)頻傳輸，結(jié)合了擴(kuò)頻通信和 DSP的優(yōu)點(diǎn) [3-4]，是一種有發(fā)展前途的檢測信號(hào)傳輸實(shí)現(xiàn)方式。

2. 多路檢測信號(hào)的擴(kuò)頻傳輸系統(tǒng)

系統(tǒng)的組成按照功能劃分為發(fā)射模塊和接收模塊。在發(fā)射模塊中，多路基帶數(shù)字信號(hào)（模擬信號(hào)則先通過模數(shù)轉(zhuǎn)換）分別由各自對(duì)應(yīng)的偽隨機(jī)序列進(jìn)行擴(kuò)頻調(diào)制，這些偽隨機(jī)序列各不相同但相互正交（或準(zhǔn)正交），用這些序列進(jìn)行擴(kuò)頻調(diào)制同時(shí)利用碼分復(fù)用技術(shù)把多路信號(hào)復(fù)合成一路信號(hào)送主調(diào)制器進(jìn)行載波調(diào)制后，再發(fā)射出去。 在接收模塊中，先對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行載波解調(diào)，然后再用本地的與每一路已同步好的偽隨機(jī)序列進(jìn)行相關(guān)解擴(kuò)，因?yàn)楦髀沸盘?hào)對(duì)應(yīng)的偽隨機(jī)序列互不相關(guān)，因而可恢復(fù)出每一路原始的基帶信號(hào)，這里的信號(hào)是指數(shù)字信號(hào)，若需要模擬信號(hào)，則可把數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)。本系統(tǒng)對(duì)接收模塊的偽隨機(jī)序列的同步采用常用的滑動(dòng)相關(guān)捕獲來實(shí)現(xiàn)[5]。多路測量

信號(hào)擴(kuò)頻傳輸系統(tǒng)的組成原理圖如圖 1所示。擴(kuò)頻傳輸系統(tǒng)中，擴(kuò)頻信號(hào)帶寬 B 2與信息帶寬 B 1之比稱為處理增益GP，即

在擴(kuò)頻通信中，接收機(jī)作擴(kuò)頻解調(diào)后，只提取擴(kuò)頻序列相關(guān)處理后的帶寬 B 1的信號(hào)成分，而排除掉擴(kuò)展到寬頻帶 B 2中的外部干擾、噪聲和其它用戶通信的影響，所以擴(kuò)頻處理增益 GP能夠準(zhǔn)確反映擴(kuò)頻通信的抗干擾的能力。



擴(kuò)頻序列的碼長N越大，碼元寬度 TC越小，則碼速 Rc越大，擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的擴(kuò)頻增益也越大。
擴(kuò)頻處理增益越高，系統(tǒng)的抗干擾能力越強(qiáng)。以周期為 127的 Gold序列為擴(kuò)頻序列的一路信號(hào)的傳輸過程為例，數(shù)據(jù)的發(fā)送頻率為 19200，擴(kuò)頻序列的頻率為 19200×127，誤碼率是未擴(kuò)頻傳輸?shù)?0.04417，數(shù)據(jù)接收時(shí)的誤碼率降低近兩個(gè)數(shù)量級(jí)。
本系統(tǒng)采用的 Gold擴(kuò)頻序列的周期為127，其碼分多址的可以實(shí)現(xiàn) 12路的檢測信號(hào)的同時(shí)同頻的擴(kuò)頻傳輸。多路檢測信號(hào)的擴(kuò)頻傳輸可以保證在接收端的低誤碼率要求下實(shí)現(xiàn)可靠傳輸。

3. 多路檢測信號(hào)擴(kuò)頻傳輸

DSP實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)多路測量信號(hào)擴(kuò)頻傳輸系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)多路測量信號(hào)（包括模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)，模擬信號(hào)可先經(jīng) A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，數(shù)字信號(hào)存儲(chǔ)在系統(tǒng)的存儲(chǔ)器中，然后再進(jìn)行擴(kuò)頻傳輸）的擴(kuò)頻調(diào)制、同步、擴(kuò)頻解調(diào)等功能，同時(shí)便于以后對(duì)其擴(kuò)展以完成其他功能。由于這是一個(gè) DSP硬件平臺(tái)的設(shè)計(jì)，所以保證了以后功能擴(kuò)展的實(shí)現(xiàn)中盡量不改變硬件的設(shè)計(jì)或者對(duì)硬件設(shè)計(jì)改變很小，且只需要添加部分軟件或者對(duì)軟件進(jìn)行修改就可以達(dá)到其功能擴(kuò)展升級(jí)，所以盡量減少專用芯片的使用而采用具有擴(kuò)展性的芯片。整個(gè)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)框圖如圖 2所示。
在總體設(shè)計(jì)中，采用定點(diǎn) DSP實(shí)現(xiàn)多路測量信號(hào)的擴(kuò)頻調(diào)制、解擴(kuò)，用 FPGA來實(shí)現(xiàn)擴(kuò)頻信號(hào)的同步[7]。整個(gè)系統(tǒng)平臺(tái)包括數(shù)字信號(hào)處理器 (DSP)內(nèi)核、 FPGA、存儲(chǔ)器、 A/D轉(zhuǎn)換、
JTAG接口等。根據(jù)現(xiàn)有的實(shí)際情況，數(shù)字信號(hào)處理器 (DSP)采用 TI（德州儀器）公司的 TMS320C5416[6]，F(xiàn)PGA芯片選用 ALTERA公司的 EP1K100QC208-3，F(xiàn)LSAH存儲(chǔ)器使用 AMD公司的 AM29LV200，A/D轉(zhuǎn)換使用 TI公司的開關(guān)電容結(jié)構(gòu)的逐次比較型 8位 A/D轉(zhuǎn)換器 TLC540。JTAG為仿真接口連接。

4. DSP系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

作為整個(gè)系統(tǒng)的控制和處理核心，DSP要完成大量的工作，總結(jié)起來主要有下面幾項(xiàng)：
1．對(duì)其自身的初始化；
2．載入擴(kuò)頻碼序列并存放于片內(nèi) RAM里，以及接收時(shí)根據(jù) FPGA的同步信號(hào)完成擴(kuò)頻序列的同步；
3．接收 A/D轉(zhuǎn)換送來的數(shù)據(jù)，并存放在預(yù)先開辟的數(shù)據(jù)區(qū)間；
4．對(duì)接收到的多路數(shù)據(jù)分別進(jìn)行擴(kuò)頻調(diào)制，并將調(diào)制后的數(shù)據(jù)也存放在開辟好的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)間；
一對(duì)經(jīng)過擴(kuò)頻調(diào)制后的多路數(shù)據(jù)合成一路數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)字調(diào)制；
一對(duì)接收到的擴(kuò)頻信號(hào)進(jìn)行擴(kuò)頻解調(diào)，恢復(fù)出原始的多路信號(hào)并送入數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)間。

本系統(tǒng)所有的 DSP軟件設(shè)計(jì)都是在 CCS2.0集成開發(fā)環(huán)境 [8]下進(jìn)行的，采用基于 TI公司 C5000系列 DSP的匯編語言和 C語言混合編寫的。其發(fā)射模塊和接收模塊的軟件流程分別如圖 3(a)和(b)所示：
本系統(tǒng)采用對(duì)每路測量信號(hào)分別做擴(kuò)頻調(diào)制的同時(shí)利用擴(kuò)頻碼碼分復(fù)用后再進(jìn)行傳輸?shù)姆椒ǎ恍杞?jīng)過頻分復(fù)用或時(shí)分復(fù)用后再做擴(kuò)頻調(diào)制進(jìn)行傳輸[9]，這使得系統(tǒng)更簡化，在提高信號(hào)傳輸可靠性的同時(shí)也可提高系統(tǒng)的頻帶利用率。電路設(shè)計(jì)中主要涉及到了擴(kuò)頻信號(hào)的基帶處理。如果要實(shí)現(xiàn)信號(hào)的無線擴(kuò)頻傳輸。則可以在設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，加入射頻調(diào)制模塊，基帶信號(hào)經(jīng)過調(diào)制后轉(zhuǎn)換為射頻信號(hào)發(fā)射出去，接收到的射頻信號(hào)經(jīng)射頻解調(diào)后，再進(jìn)行解擴(kuò)處理即可。

5.結(jié)束語
在多路測量信號(hào)的擴(kuò)頻傳輸系統(tǒng)中，利用不同偽隨機(jī)碼調(diào)制不同信號(hào)，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的復(fù)用和擴(kuò)頻傳輸。在接收端實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)同步后，先解調(diào)再利用相干檢測法解擴(kuò)，恢復(fù)出原信號(hào)實(shí)現(xiàn)多路信號(hào)。該擴(kuò)頻通信系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)多路信號(hào)的有效傳輸，具有抗干擾能力強(qiáng)、易保密等優(yōu)點(diǎn)。本系統(tǒng)利用 DSP系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)多路測量信號(hào)擴(kuò)頻傳輸，充分利用了 DSP器件的優(yōu)點(diǎn)和擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的特性，是一種有發(fā)展前途的檢測信號(hào)傳輸實(shí)現(xiàn)方式。

圖 3 DSP系統(tǒng)軟件流程
本文創(chuàng)新點(diǎn)：本文在對(duì)多路測量信號(hào)的傳輸系統(tǒng)研究的基礎(chǔ)上，提出了對(duì)所傳輸信號(hào)的頻譜進(jìn)行擴(kuò)展的同時(shí)利用碼分復(fù)用實(shí)現(xiàn)多路信號(hào)復(fù)用傳輸?shù)姆椒?。并利?DSP實(shí)現(xiàn)了多路測量信號(hào)擴(kuò)頻傳輸系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明該系統(tǒng)是可行的。