谈谈扩频通信系统的设计与实现

摘 要扩频通信系统由于具有通信距离远、通信容量大、传输质量好,保密性强等优点,在现代通信系统中具有广阔的应用前景。设计的扩频接收系统直接对中频采样信号进行处理,经过内部处理之后直接输出传输的基带信息信号。

关键词软件无线电;直接序列扩频;调制;解扩

中图分类号TP文献标识码A文章编号1673-9671-(2010)111-0024-01

软件无线电作为一种以现代通信理论为基础,以数字信号处理为核心,以电子技术为支撑的新的无线通信体系结构,具有灵活性、开放性、可扩展性等点。软件无线电概念一经提出,就得到了通信、电子、计算机等领域的关注,军、民无线通信、电子、雷达、信息化家电领域也得到了广泛推广。其基本思是以一个通用、标准、模块化的硬件平台为依托,通过软件编程来实现无线电各种功能,从基于硬件、面向用途的电台设计方法中解放出来的。

所谓扩频技术是指通过注入一个更高频率的信号将发送的基带信息扩展到一个更宽的频带内的射频通信系统,即发射信号的能量被扩展到一个更宽的频带内使其看起来如同噪声一样,接收端通过相关接收,将信号恢复到信息带宽的一种技术;基于该技术的系统就称为扩展频谱系统或扩频系统。与一般的窄带通信系统相比,扩频通信多了扩频调制和解扩部分。而正是由于这种在发送端把窄带信息扩展成宽带信号,在接收端又将其解扩成窄带信息的处理过程,带来了一系列好处:

1抗干扰性能强,误码率低

扩频通信在空间传输时所占有的带宽相对较宽,接收端又采用相关检测的方法解扩,使得有用的宽带信号恢复成窄带信号,而把无用的信号扩展成宽带信号,然后通过窄带滤波技术提取有用的信号。这样,由于干扰信号在接收端的非相关性,解扩后窄带信号中只有很微弱的成份,信噪比提高,因此抗干扰性能增强。

2易于同频使用,实现码分多址

在CDMA扩频通信系统中,区分各个用户主要是依靠不同的扩频序列。在扩频序列不同的情况下,频谱中的同一频率可以提供给几个甚至更多的用户使用而不相互干扰,这样不仅可以增加系统用户量,而且可以提高无线频谱的利用率,克服了频谱资源短缺的问题。

3抗衰落、抗多径干扰

扩频序列具有良好的相关特性,因此在接收端可以利用这一特性很容易的从多径信号中提取或分离出最强的有用信号,也可以把多个路径的同一扩频序列的波形相加使之得以加强,以提高接收信噪比,从而可以有效的克服多径效应。

4扩频通信

扩频通信是数字通信,特别适合数字话音和数据的同时传输。扩频通信自身具有加密功能且其保密性强,便于开展通信业务。扩频通信容易采用码分多址、语音压缩等多项新技术,更加适用于计算机网络以及数字化的语音和图像信息的传输。

5能精确地定时和测距

当发射出去的扩频信号在被测物体反射回来后,在接收端解调出扩频码序列,然后比较收发两个码序列相位之差,就可以精确测出扩频信号往返的时间差,从而算出二者之间的距离。

直接序列扩频(DSSS)是目前应用最广泛的一种扩频方式。它是将要发送的信息用伪随机码(PN)码扩展到很宽的一个频带上去,在接收端,用与发送端扩展用的相同的伪随机码对接收到的信号进行相关处理,恢复出发送的信息。对于干扰信号而言,由于与伪随机码不相关,在接收端被扩展,使落入信号通频带内的干扰信号功率大大降低,从而提高了相关器的输出信噪比,达到了抗干扰的目的。在直接序列扩频通信系统中,通常对载波进行相移键控调制。为了节约发射功率和提高发射机的工作效率,扩频通信系统常采用平衡调制器。抑制载波的平衡调制对提高扩频信号的抗侦破能力也有利。

在发射机端,待传输的数据信号与伪随机码(扩频码)波形相乘(或与伪随机码序列模二和),形成的复合码对载波进行调制,然后由天线发射出去。在接收机端,要产生一个和发信机中的伪随机码同步的本地伪随机码,对接收信号进行解扩,解扩后的信号送到解调器解调,恢复出传送的信息。

在扩频信号成功捕获后,收发PN码相位差在一个码片以内,同步系统的跟踪部分启动。跟踪过程也称为精同步过程,其作用是使本地PN序列跟踪或锁定于外来PN序列从而保持严格同步。当外界因素引起收发两端PN码相位偏移时,跟踪过程能自动调整本地PN码相位以跟踪发射端PN码变化。跟踪系统多采用闭环运行的锁相技术。当两端相位发生差别后,锁相环路能够根据误差大小自动调整本地时钟源从而减少误差达到精确同步。

跟踪过程可分为相干与非相干两类。相干方式是假定本地载波已经和外来信号同频同相,这意味着跟踪前必须先建立载波同步。非相干方式则没有这个要求,它可以在还没有获得载波同步之前就开始工作。大多数同步系统都是采用非相干方式。常用的伪码跟踪环路有延迟锁定环和抖动环两种,它们都是基于迟早门的锁相环,即是利用接收信号分别与本地的超前和滞后信号作相关运算,运算结果之差作为误差信号去控制NCO。

由于PN码的自相关主峰是底宽为两个码片的三角形,这样两个相关器输出的有一定时差的两个三角形相关峰值经过相加器反相合成以后成为一个S形曲线,此即锁相环的鉴相特性,利用该鉴相特性,如果收到的扩频信号与本地码信号有超前或滞后,则相加器输出的误差信号为零,利用该误差信号去控制PN码时钟,从而实现码同步跟踪过程。

随着软件无线电技术的不断发展和大规模可编程逻辑器件不断进步,片上可编程系统(SOPC)的应用日益广泛,FPGA技术越来越多地应用于通信系统的搭建。本设计就是应用软件无线电的设计方法,以FPGA代替传统的硬件平台以VHDL语言为软件支持搭建了直接序列扩频通信系统:直接序列扩频发射系统和直接序列扩频接收系统。

本设计在对直接序列扩频通信理论、DQPSK调制和解调方式进行研究的基础上,建立了该系统的硬件电路平台,在FPGA开发平台上实现了直接序列扩频通信系统的基带处理模块,软件和硬件的结合使该系统的搭建更加容易,缩短了开发周期。

该系统的具体实现步骤是:

1)阅读有关技术文献,研究直接扩频技术的理论知识,为直接序列扩频通信系统的搭建奠定理论基础。

2)查找有关资料,对比各种FPGA芯片资料,从资源和经济的角度出发选择合适的FPGA芯片。

3)通过比较各种扩频码的捕获和跟踪方法,选择了滑动相关捕获方法作为本设计的扩频码捕获方法,选择延时锁定方法作为本设计的扩频码跟踪方法;通过比较各种调制解调方式,选择了DQPSK作为本设计的调制方式,给出了调制解调的算法。

4)结合理论和系统设计的需要发见直接序列扩频硬件系统,并在FPGA实验平台上由软件实现。

5)搭建直接序列扩频接收系统的硬件平台,为实现载波的较大范围精确跟踪,确定了载波恢复的方式和算法,采用锁频环与锁相环结合的方式,锁相环采用判决反馈环,锁频环采用点积差积环,并结合实际情况对理论上的方案进行了改进,完成了载波大范围精确跟踪的目的,最终实现了载波可以在40kHz的范围内的精确跟踪。

6)在Xilinx开发平台上,应用VHDL语言实现了扩频通信系统的解扩和解调功能。在搭建的硬件平台上完成了调试,并通过调试验证了发射和接收系统软件设计的正确性。