中頻數(shù)字化直接序列擴(kuò)頻接收機(jī)的實(shí)現(xiàn)

文中研究的是常規(guī)偽碼、統(tǒng)一信道中頻數(shù)字化直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)接收部分的實(shí)現(xiàn)方案。系統(tǒng)中數(shù)據(jù)通道使用的偽隨機(jī)碼是1 023位GoLD，命令信道使用的偽隨機(jī)碼是截?cái)嗟膍序列，其周期為256×1 023，偽碼的速率為3.069 Mb／s，中頻70 MHz，信號(hào)的調(diào)制方式為UQPSK。UQPSK信號(hào)的直接序列擴(kuò)頻接收機(jī)實(shí)現(xiàn)的2個(gè)難點(diǎn)是：實(shí)現(xiàn)擴(kuò)頻系統(tǒng)偽碼與載波的快速同步；給出適合FPGA實(shí)現(xiàn)的有關(guān)算法，以確保必要的安全。文中所述系統(tǒng)載波與GOLD碼的同步均采用了FFT輔助及技術(shù)。在GOLD碼同步后，利用其與截?cái)鄊序列的關(guān)系，引導(dǎo)截?cái)鄊序列同步，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的快速同步。

1 采樣與量化

UQPSK調(diào)制信號(hào)的一般數(shù)學(xué)模型為：

式中C1(t)為1 023 GOLD碼；Co(t)是1 023×256的截?cái)鄊序列，PT為信號(hào)l功率。直序列擴(kuò)頻系統(tǒng)的采樣速率設(shè)定時(shí)，一般確保每chip有4～12采樣點(diǎn)，且采樣后信號(hào)的頻譜不混淆。設(shè)系統(tǒng)信道帶寬為10 MHz，RRC濾波器的滾降系數(shù)為0.4，系統(tǒng)可傳符號(hào)速率最大值為3.57 Mb／s，設(shè)計(jì)取偽碼速率為3.069 Mb／s。為此，取采樣頻率30.69 MHz，每chip有10個(gè)樣點(diǎn)。

2 載波與偽碼的同步

載波與偽碼捕獲與同步是擴(kuò)頻通信系統(tǒng)正常工作的關(guān)鍵。捕獲策略有：

(1)載波、偽碼相位串行搜索策略，捕獲時(shí)間相比之下最長(zhǎng)；

(2)載波串行、偽碼相位并行策略與載波并行、偽碼相位串行策略。

(3)載波并行、偽碼行為并行策略，電路最復(fù)雜。

20世紀(jì)90年代，出現(xiàn)了一種頻域的偽碼與載波的FFT捕獲算法。用于載波同步時(shí)，F(xiàn)FT估計(jì)頻差的位置，以補(bǔ)償數(shù)字下變頻NCO，使其進(jìn)入AFC頻率牽引范圍。用于碼捕獲是利用其快速運(yùn)算能力，迅速完成DFT循環(huán)卷積運(yùn)算，進(jìn)而作出檢測(cè)判斷。

2.1 FFT載波同步方法

基于FFT載波捕獲方法有Kay單線性相位平均算法與Rife雙線性幅度算法以及綜合算法。同時(shí)文獻(xiàn)提出修正Rife算法。Rife的修正算法與Kay算法均具有是以面積換取性能的，作為FPGA實(shí)現(xiàn)時(shí)，具有一定的復(fù)雜性。文中所述系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案采用了FFT初步估計(jì)與數(shù)字CPAFC環(huán)路與數(shù)字COST-AS環(huán)路相結(jié)合的方式，如圖1所示。通過(guò)FFT估計(jì)載波的位置，修正本地NCO，使收發(fā)信號(hào)的頻差落在CPAFC的快捕獲帶內(nèi)，再經(jīng)CPAFC的牽引下，再次進(jìn)入COTAS環(huán)路的快捕帶內(nèi)，進(jìn)而完成對(duì)載波的同步。采用文中的設(shè)計(jì)方案可以降低FFT單元實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜性能，同時(shí)又可以改善系統(tǒng)的跟蹤精度。

2.2 偽碼同步方法

擴(kuò)頻測(cè)距系統(tǒng)偽碼的同步方法如圖2所示。在每chip確保具有一個(gè)樣點(diǎn)的條件下，利用相關(guān)卷積運(yùn)算，做接收信號(hào)中GOLD碼與本地GOLD碼的相關(guān)運(yùn)算。相關(guān)值均為小時(shí)，本地偽碼DCO輸出高頻，使得本地GOLD碼的相位快速變化，反之輸出低頻。同時(shí)啟動(dòng)偽碼±0.5 chip的DLL跟蹤環(huán)路，實(shí)現(xiàn)GOLD碼的跟蹤，實(shí)現(xiàn)二者速率、相位同步。當(dāng)GOLD碼同步后，檢測(cè)一基準(zhǔn)相位，并對(duì)系統(tǒng)中截?cái)鄊序列發(fā)生器進(jìn)行置入特征相位，同時(shí)啟動(dòng)對(duì)該GOLD碼的特征相位進(jìn)行有限計(jì)數(shù)。在計(jì)數(shù)到時(shí)，再次對(duì)截?cái)鄊序列發(fā)生器進(jìn)行置位控制，從而保持系統(tǒng)中兩個(gè)不同偽碼同速率、倍同期的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)1023GOLD碼引導(dǎo)18階截?cái)鄊序列的同步。

設(shè)發(fā)射偽碼計(jì)PN(t)，則經(jīng)過(guò)空間傳播接收應(yīng)為其移位函數(shù)PN(t-τ)，設(shè)本地偽碼為．PN(t)，不考慮信號(hào)的強(qiáng)度與噪聲，則通過(guò)偽碼FFT捕獲單元運(yùn)算結(jié)果應(yīng)是RPN[(t-r)-t]。根據(jù)偽碼自相關(guān)函數(shù)的特點(diǎn)，只有在(t-r)=t時(shí)，有最大值出現(xiàn)。對(duì)于長(zhǎng)度為N，chip寬度為Tc的偽碼進(jìn)行FFT偽碼捕獲時(shí)，首先需要計(jì)算部分相關(guān)器的長(zhǎng)度P與FFT的尺寸L。設(shè)信號(hào)中多普勒最大頻移為fdmax=500 kHz，根據(jù)系統(tǒng)偽碼速率最小值為10 kHz估算，有：

P越大，相同的多普勒頻移條件下，會(huì)獲得更好的捕獲性能：檢測(cè)概率提高、捕獲時(shí)間縮短。但是P過(guò)大，需要部分相關(guān)器的數(shù)量與FFT的尺寸也同時(shí)增加，使得系統(tǒng)電路復(fù)雜。FFT的長(zhǎng)度與部分相關(guān)器個(gè)數(shù)的關(guān)系是：

且為2的整數(shù)冪。文中系統(tǒng)GOLD碼長(zhǎng)度為1 023，每chip采樣10個(gè)點(diǎn)，為了與載波捕獲單元共有前端抽取器(載波捕獲抽取率為5)，部分匹配濾波器長(zhǎng)度為2，即每chip一次累積，于是需要FFT長(zhǎng)度為1 024。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)技術(shù)

3.1 I-D濾波器的選取

數(shù)字抽取濾波器作用有兩點(diǎn)：一是取接收信號(hào)與本地NCO相乘后的低頻分量，二是將采樣后的高速率信號(hào)降速，使其滿足后續(xù)電路處理的需要。設(shè)中頻信道的3 dB帶寬為B，信道符號(hào)持續(xù)時(shí)間為T，則有BT>2.4時(shí)，積分一清洗濾波器(I-D累加器)占用較好的優(yōu)勢(shì)。本文所述系統(tǒng)采用典型值時(shí)，計(jì)算出BT=3.25>2.4，所以在載波與偽碼的捕獲與同步系統(tǒng)前使用積分一清洗濾波器(I-D累加器)作為檢測(cè)器是占優(yōu)的，它也適于FPGA實(shí)現(xiàn)。

3.2 其他濾波器的設(shè)計(jì)

CIC濾波器的設(shè)計(jì)：CIC濾波器實(shí)際應(yīng)用中，最有用的一個(gè)參數(shù)是帶寬比例因子6，定義為：

就盡可能地保證帶寬比例因子取較小的值，否則會(huì)引起高頻失真。因此常用作抽取系統(tǒng)的第一級(jí)。多級(jí)CIC濾波器級(jí)聯(lián)后，造成頻帶內(nèi)較大幅度衰減，因此，其后應(yīng)級(jí)聯(lián)差值二階多項(xiàng)式(ISOP)濾波器對(duì)CIC濾波器帶內(nèi)進(jìn)行補(bǔ)償，其一般式為：

其中c可通過(guò)仿真獲取，抽取率為5時(shí)，對(duì)5級(jí)CIC濾波器進(jìn)行補(bǔ)償時(shí)，需c=0.45。系統(tǒng)中的HBF采用Lagrange差值方法設(shè)計(jì)。FIR濾波器應(yīng)采用轉(zhuǎn)置折疊式FIR數(shù)字濾波器結(jié)構(gòu)。

濾波器內(nèi)部字長(zhǎng)選擇：要確保濾波器數(shù)據(jù)運(yùn)算過(guò)程中不產(chǎn)生溢出錯(cuò)誤，必須設(shè)計(jì)必要的數(shù)據(jù)保護(hù)位。L階濾波器，如果輸入數(shù)據(jù)是有符號(hào)數(shù)據(jù)，應(yīng)在運(yùn)算結(jié)果字長(zhǎng)的基礎(chǔ)上再增加log2L-1 b保護(hù)位；如果輸入數(shù)據(jù)是無(wú)符號(hào)數(shù)據(jù)，則額外增加log2L b保護(hù)位。同時(shí)，還需額外增加系統(tǒng)動(dòng)態(tài)范圍保護(hù)位，其大小可由濾波器的響應(yīng)f(n)確定，具體估計(jì)按下式進(jìn)行：

濾波器系數(shù)要規(guī)格化：規(guī)格化后的每個(gè)濾波器系數(shù)盡可能使用“2的冪”表示，并結(jié)合簡(jiǎn)化加法器圖(Reduced Adder Graph，RAG)算法，使多重系數(shù)重復(fù)使用，以簡(jiǎn)化乘法器模塊設(shè)計(jì)，之后再乘以增益因子。

系統(tǒng)中的NCO實(shí)現(xiàn)采用10級(jí)流水線實(shí)現(xiàn)，內(nèi)部字長(zhǎng)為8 b(因?yàn)锳DC量化字長(zhǎng)選8 b)，增加兩級(jí)45°旋轉(zhuǎn)，使得CORDIC算法可以覆蓋到-180°～+180°，具體可參閱相關(guān)文獻(xiàn)。

4 結(jié) 語(yǔ)

文中所述中頻數(shù)字化直接序列擴(kuò)頻接收機(jī)的實(shí)現(xiàn)采用FPGA實(shí)現(xiàn)，其中FFT單元采用的是基4流水線結(jié)構(gòu)。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)是采用了非相干載波同步技術(shù)，載波與偽碼的捕獲是同步進(jìn)行的，因此系統(tǒng)正常工作要求頻帶占用是獨(dú)享的。由于載波同步采用了FFT輔助捕獲技術(shù)，載波的跟蹤采用了數(shù)字CPAFC環(huán)路牽引，數(shù)字COSTAS環(huán)路精確跟蹤技術(shù)，改善了FFT的柵欄效應(yīng)，提高了跟蹤的精度，對(duì)接收信號(hào)的載波快變也具有一定的適應(yīng)性。

作者：趙林軍(陜西理工學(xué)院 陜西漢中 723003) 來(lái)源：現(xiàn)代電子技術(shù)