運用軟件無線電的直擴(kuò)通信終端設(shè)計

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)行高精使測距等諸多優(yōu)點。
本文提出了一種基于軟件無線電的直擴(kuò)系統(tǒng)的設(shè)計方案。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。

2 系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計
直擴(kuò)通信終端參數(shù)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 2.4Kb／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：

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21．4MHz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16.384Mb／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。

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。

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。

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。