一種基于FPGA的直接序列擴(kuò)頻基帶處理器

摘    要：本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種基于FPGA的直接序列擴(kuò)頻基帶處理器，并闡述了其基本原理和設(shè)計(jì)方案。
關(guān)鍵詞：擴(kuò)頻；FPGA；數(shù)字匹配濾波器；基帶處理器
引言
擴(kuò)頻通信技術(shù)具有抗干擾、抗多徑、保密性好、不易截獲以及可實(shí)現(xiàn)碼分多址等許多優(yōu)點(diǎn)，已成為無(wú)線通信物理層的主要通信手段。本文設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一種基于直接序列擴(kuò)頻技術(shù)(DS-SS)的基帶處理器。

直接序列擴(kuò)頻通信
直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。該處理器由FPGA芯片，完成圖1中兩虛線框所示的基帶信號(hào)處理部分。擴(kuò)頻方式為11位barker碼擴(kuò)頻，采用自同步加擾技術(shù)，支持最大數(shù)據(jù)速率為1.024Mbps的DBPSK和2.048Mbps的DQPSK兩種調(diào)制方式，F(xiàn)PGA的主時(shí)鐘頻率為22.528MHz。

設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)
該基帶擴(kuò)頻處理器包括基帶發(fā)送信號(hào)處理和基帶接收信號(hào)處理兩部分。
發(fā)送端實(shí)現(xiàn)方案
基帶發(fā)送處理用FPGA實(shí)現(xiàn)，包括接收數(shù)據(jù)的加擾、串/并轉(zhuǎn)換、差分編碼、頻譜擴(kuò)展、脈沖成型和時(shí)序控制等電路模塊，其總體實(shí)現(xiàn)方案如圖2所示。
數(shù)據(jù)加擾
本設(shè)計(jì)采用解擾時(shí)不需要復(fù)雜同步的自同步加擾技術(shù)，擾碼器由7階線性反饋移位寄存器構(gòu)成。
串/并轉(zhuǎn)換
該基帶處理器支持DBPSK和DQPSK兩種調(diào)制方式。當(dāng)工作在BPSK方式時(shí)，數(shù)據(jù)以bit為單位進(jìn)行處理，I/Q路數(shù)據(jù)相同。工作在DQPSK方式時(shí)，傳輸數(shù)據(jù)以相鄰的兩bit為單位進(jìn)行處理，其中奇數(shù)bit進(jìn)入I通道，偶數(shù)bit進(jìn)入Q通道，完成串/并轉(zhuǎn)換的功能。
差分編碼
差分編碼使PSK信號(hào)變成DPSK信號(hào)，以克服“相位模糊”問(wèn)題。差分編碼方案取決于調(diào)制方式是BPSK還是QPSK。當(dāng)采用BPSK方式時(shí)，編碼運(yùn)算比較簡(jiǎn)單：輸出bit(k)由輸入bit(k)異或輸出bit(k-1)得到；采用QPSK方式時(shí)，因?yàn)樗姆N可能的前一輸出狀態(tài)和四種可能的當(dāng)前輸入狀態(tài)可以確定十六種輸出狀態(tài)，所以差分運(yùn)算方案比采用BPSK復(fù)雜的多，其編碼方案如表1所示。
頻譜擴(kuò)展
本設(shè)計(jì)選用自相關(guān)特性非常好的11位barker碼作為擴(kuò)頻碼，通過(guò)barker碼和編碼后的輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行模二加實(shí)現(xiàn)擴(kuò)頻調(diào)制，1.024Mbps 的I/Q路數(shù)據(jù)，經(jīng)11.268Mbps的barker碼擴(kuò)頻后變成11Mbps。
脈沖成型
為了更適合于信道傳輸?shù)囊螅枰?jīng)過(guò)波形成型后以壓縮頻帶，減小碼間干擾，同時(shí)使信號(hào)能量更加集中，增強(qiáng)信噪比。本設(shè)計(jì)采用一個(gè)滾降系數(shù)a=0.22的升余弦FIR數(shù)字濾波器完成I/Q路信號(hào)的成型，經(jīng)成型后的I/Q路數(shù)據(jù)作為基帶處理器發(fā)送端的輸出數(shù)據(jù)送往外部調(diào)制器進(jìn)行下一步處理。
接收端實(shí)現(xiàn)方案
基帶接收處理同樣用FPGA實(shí)現(xiàn)，包括AGC處理、前端處理(FEC)、數(shù)字匹配濾波器(DMF)、捕獲跟蹤、差分解調(diào)和自動(dòng)頻率控制、并/串轉(zhuǎn)換和解擾，以及時(shí)序控制等電路模塊(見(jiàn)圖3)。   
基帶AGC處理
AGC處理模塊通過(guò)誤差估計(jì)、低通積分和能量調(diào)整，并經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換和濾波，調(diào)整接收信號(hào)的能量，使A/D轉(zhuǎn)換輸入的信號(hào)保持最佳的電平值。必須注意，AGC環(huán)路是一個(gè)慢跟蹤環(huán)路，不提供信號(hào)能量快速抖動(dòng)的增益調(diào)整。
前端處理
前端處理電路由量化比特?cái)?shù)轉(zhuǎn)化和平滑處理兩部分電路組成。
本文選用Maxim公司的MAX1198實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換，其量化比特?cái)?shù)為8bit。量化比特?cái)?shù)超過(guò)3bit時(shí)，輸出信噪比僅有2dB的較小差距。鑒于此，為避免硬件成本太高，用量化比特?cái)?shù)轉(zhuǎn)化電路將8bit表示的量化電平轉(zhuǎn)化為3bit表示。
平滑處理電路利用PN碼的游程分布特性，使DMF相關(guān)峰變得更加尖銳，有利于跟蹤數(shù)據(jù)的變化，也充分利用了信號(hào)能量，經(jīng)平滑處理后進(jìn)入DMF的數(shù)據(jù)為(rk+rk-1)/2。
捕獲和跟蹤                      
擴(kuò)頻序列的同步包括相位捕捉和相位跟蹤，序列的捕捉完成后，盡管兩相位達(dá)到一致，但是由于噪聲、擴(kuò)頻序列時(shí)鐘漂移等，將會(huì)使相關(guān)峰的位置出現(xiàn)偏差，因此，本設(shè)計(jì)利用最大峰值的跟蹤處理電路實(shí)現(xiàn)精確的擴(kuò)頻碼同步。
實(shí)際系統(tǒng)中，由于振蕩源頻率漂移及多普勒頻移的影響，相關(guān)峰的位置會(huì)發(fā)生變化，為了對(duì)數(shù)據(jù)符號(hào)進(jìn)行有效的跟蹤，該基帶處理器實(shí)現(xiàn)了一種“飛輪電路”(flywheel circuit)。它根據(jù)前一次成功檢測(cè)到的峰值脈沖，自動(dòng)為后一個(gè)峰值脈沖在時(shí)間上設(shè)置一個(gè)“窗口”，它大約距上次脈沖一個(gè)符號(hào)時(shí)間，而寬度為前后各占一個(gè)基帶采樣時(shí)間。如果“窗口”中沒(méi)有檢測(cè)到相關(guān)峰，則該電路會(huì)自動(dòng)插入一個(gè)符號(hào)時(shí)鐘脈沖，完成補(bǔ)脈沖的作用；如果“窗口”中檢測(cè)到相關(guān)峰，則認(rèn)為是第二個(gè)符號(hào)相關(guān)峰，即開(kāi)窗后，只對(duì)窗中的相關(guān)峰值進(jìn)行檢測(cè)，而窗口外的峰值則被當(dāng)作噪聲消掉，完成消脈沖的作用。
由于噪聲和擴(kuò)頻序列自相關(guān)函數(shù)的影響，相鄰碼周期會(huì)出現(xiàn)相關(guān)峰的“托尾效應(yīng)”，即窗中有多個(gè)大于門限1的相關(guān)值。為了跟蹤，這個(gè)電路在窗中的峰值脈沖中選擇最高的一個(gè)作為相關(guān)峰，并把該時(shí)刻作為下一個(gè)符號(hào)的起始時(shí)刻。此外，飛輪電路還通過(guò)計(jì)數(shù)實(shí)現(xiàn)同步檢測(cè)和跟蹤過(guò)程中的失步檢測(cè)功能。
對(duì)于QPSK信號(hào)，有兩種解調(diào)方式；相干解調(diào)(極性比較法)和差分相干解調(diào)(相位比較法)，一般相干解調(diào)比差分相干解調(diào)性能要好一些，但需要載波恢復(fù)電路。本設(shè)計(jì)采用差分相干解調(diào)，把前一信號(hào)延時(shí)后作為參考信號(hào)進(jìn)行相干解調(diào)，不需要專門的相干載波。如圖4所示，該模塊包括相位翻轉(zhuǎn)、DPSK差分解調(diào)、數(shù)字鑒相、環(huán)路濾波及數(shù)控振蕩器(NCO)單元。I/Q路相關(guān)值在數(shù)字鑒相器中完成鑒相運(yùn)算，經(jīng)環(huán)路濾波后產(chǎn)生自動(dòng)頻率控制字，控制壓控振蕩器的輸出，調(diào)整由于頻率漂移造成的相位波動(dòng)。
相鄰符號(hào)的“點(diǎn)積(dot)”和“叉積(cross)”是DPSK解調(diào)和鑒相的基本運(yùn)算。設(shè)Ik、Qk表示當(dāng)前符號(hào)的I/Q路相關(guān)值，Ik-1、Qk-1表示前一符號(hào)的I/Q路相關(guān)值，則：
Dot(k)=Ik