基于DSP 的擴頻通信接收系統(tǒng)的研究

姚新敏

（西安郵電大學 自動化學院，陜西 西安 710121）

0 引言

擴頻技術是將基帶信號的頻譜擴展至和寬的頻帶進行傳輸，接收端采用相關接收的原理，將擴展的頻譜恢復到基帶信號的頻譜，從而抑制傳輸過程中的干擾。軟件無線電充分利用嵌入通信設備里的單片微機和專用芯片的可編程能力， 提供一種通用的采用寬帶A/D 轉(zhuǎn)換器、DSP 和通用中央處理器(CPU)相結合的無線電臺硬件平臺。 本課題研究完成擴頻通信的捕獲、跟蹤、同步過程，實現(xiàn)對信號的最終解調(diào)，并對該系統(tǒng)的可行性進行分析。

1 擴頻通信基礎理論

擴頻通信技術這種信息傳輸方式，把要發(fā)送的信息擴展到一個很寬的頻帶上， 擴展后的頻帶寬度遠大于所傳信息必需的最小帶寬；頻帶的擴展是通過一個碼序列來實現(xiàn)的， 該碼序列與所傳信息數(shù)據(jù)無關；在接收端則用同樣的碼序列進行相關處理，就可以恢復所傳信息。擴頻通信具有抗干擾能力強、可進行多址通信、安全保密、抗多徑干擾、定時和測距等特點。

1.1 擴頻通信的工作原理

在發(fā)送端輸入信息比特流，先經(jīng)擴頻碼發(fā)生器產(chǎn)生的擴頻碼調(diào)制以展寬信號的頻譜， 頻譜展寬后的信號再搬移到射頻載波上發(fā)送出去。

接收端收到寬帶射頻信號后，將它變頻至中頻，然后由本地產(chǎn)生的與發(fā)端相同的擴頻碼序列進行相關解擴、解調(diào)、恢復成原始信息輸出。 與一般數(shù)字通信系統(tǒng)比較，擴頻通信就是多了擴頻調(diào)制和解擴部分。

1.2 擴頻信號的解擴

相關解擴運算是通過本地參考信號同接收信號相乘實現(xiàn)的。這個本地信號是發(fā)射擴頻信號的副本，兩者保持嚴格同步。經(jīng)過相關運算，被擴頻碼展寬的有用信號頻譜壓縮回基帶信息頻譜，而無用信號的頻譜反而被本地參考信號展寬， 從而降低了無用信號的功率譜寬度，提高了基帶濾波器輸出端的信噪比。解擴用的相關器有直接式和外差式兩種。

1.3 擴頻序列的捕獲

擴頻序列的捕獲是指接收機在開始接收發(fā)送來的擴頻信號時，調(diào)整和選擇接收機的本地擴頻序列相位，使它與發(fā)送來的擴頻序列相位一致，也就是接收機捕獲住發(fā)送的擴頻序列相位的過程，又叫擴頻序列的初始同步。

1.4 跳頻序列的同步

跳頻序列的同步是由跳頻序列同步跟蹤環(huán)使用延遲鑒相器，環(huán)路中的頻率合成器在跳頻序列發(fā)生器作用下，產(chǎn)生兩個與接收到的跳頻信號的跳變頻率超前和滯后一段時間的信號。信號頻率與接收信號的頻率正好相差一個中頻，經(jīng)乘法器混頻濾波器濾波、平方后相減，就獲得了超前一段時間的本振信號與接收信號混頻后的中頻信號，同滯后一段時間的本振信號與接收信號混頻后的中頻信號相差的電壓，是有超前滯后鑒別能力的信號，能實現(xiàn)跳頻信號的同步跟蹤。

2 基于DSP 的擴頻通信接收系統(tǒng)

2.1 DSP 系統(tǒng)概述

輸入信號首先進行帶限濾波和抽樣， 然后進行A/D （Analog to Digital）變換將信號變換成數(shù)字比特流。 根據(jù)奈奎斯特抽樣定理，為保證信息不丟失，抽樣頻率至少必須是輸入帶限信號最高頻率的2 倍。

DSP 芯片的輸入是A/D 變換后得到的以抽樣形式表示的數(shù)字信號，DSP 芯片對輸入的數(shù)字信號進行某種形式的處理。 數(shù)字處理是DSP 的關鍵，在交換系統(tǒng)中，處理器的作用是進行路由選擇，再經(jīng)過處理后的數(shù)字樣值再經(jīng)D/A（Digital to Analog）變換轉(zhuǎn)換為模擬樣值，之后再進行內(nèi)插和平滑濾波就可得到連續(xù)的模擬波形。

2.2 DSP 系統(tǒng)的設計思路

實時DSP 系統(tǒng)的設計包括硬件設計和軟件設計兩個方面。 硬件設計首先要根據(jù)系統(tǒng)運算量的大小、對運算精度的要求、系統(tǒng)成本限制以及體積、功耗等要求選擇合適的DSP 芯片，然后設計DSP 芯片的外圍電路及其他電路。 軟件設計和編程主要根據(jù)系統(tǒng)要求和所選的DSP 芯片編寫相應的DSP 匯編程序， 若系統(tǒng)運算量不大且有高級語言編譯器支持，也可用高級語言（如C 語言）編程。 由于現(xiàn)有的高級語言編譯器的效率還比不上手工編寫匯編語言的效率，因此在實際應用系統(tǒng)中常常采用高級語言和匯編語言的混合編程方法。 采用這種方法，既可縮短軟件開發(fā)的周期，提高程序的可讀性和可移植性，又能滿足系統(tǒng)實時運算的要求。

2.3 程序的設計思路

Matlab 程序是按照擴頻通信中直擴的方法實現(xiàn)的，CCS 中程序是它的一個實現(xiàn)同步的部分。 程序的開始是做初始化的預設值，程序的思路是讀取從Matlab 產(chǎn)生的發(fā)射端擴頻后數(shù)據(jù)， 在接收端先實現(xiàn)系統(tǒng)同步，然后將這些數(shù)據(jù)恢復，它做的是第一部分工作，即同步過程，因此數(shù)據(jù)的獲得是通過讀取文本的數(shù)據(jù)產(chǎn)生。

在CCS 程序中做一次同步處理，不能是先讀取一幀數(shù)據(jù)，然后完全處理這一幀數(shù)據(jù)， 再讀下一幀數(shù)據(jù)。 FIFO 是一個先入先出的緩存器，即先到的數(shù)據(jù)先輸出，它可以緩存一段數(shù)據(jù)。如果完全處理完一幀數(shù)據(jù)的話，再從FIFO 讀數(shù)據(jù)，就可能出現(xiàn)一種情況，AD 采樣的數(shù)據(jù)源源不斷輸入FIFO，輸滿后，就不能輸入數(shù)據(jù)。

2.4 TMS320C6416 環(huán)境下對代碼進行優(yōu)化分析

編譯器可以對代碼進行不同級別的優(yōu)化，高級優(yōu)化由專門的優(yōu)化器完成，低級的和目標DSP 有關的優(yōu)化由代碼生成器（code generator）完成。 最優(yōu)代碼只有通過高級優(yōu)化才能實現(xiàn)。

其中主要觀測數(shù)據(jù)為：代碼長度（Code Size）和Incl.Total： 在統(tǒng)計工程中剖析代碼段消耗的所有時鐘周期（Incl.Total）。

上圖左邊運行時沒有進行任何優(yōu)化，優(yōu)化時代碼長度為3100，消耗時鐘周期為372524971，時鐘周期乘以1.67ns 可以估算出代碼執(zhí)行一次消耗時間約為0.622 秒。

上圖右邊運行時進行程序優(yōu)化，代碼長度長度為2332，消耗時鐘周期為271801505，時鐘周期乘以1.67ns 可以估算出代碼執(zhí)行一次消耗時間約為 0.454 秒。

從結果可以看出，對程序進行優(yōu)化可以不同程度的改善代碼性能和程序運行時間， 對程序進行較為完善的優(yōu)化可以大大減小代碼長度，減小消耗的時鐘周期，從而提高了系統(tǒng)的處理能力。

3 小結

擴頻通信具有很強的抗干擾特性， 在軍事和民用上具有重要價值。TMS320C64X 系列DSP 具有強大的數(shù)據(jù)處理能力，它配合好芯片外圍硬件設計可以滿足大部分高速率， 高性能的要求。 本文主要介紹基于DSP來完成擴頻后信號的解擴， 在此基礎上進行的優(yōu)化， 研究了性能最強的TMS320C6416 的優(yōu)化策略， 并針對TI 的DSP 處理芯片TMS320C6416的特點，提高系統(tǒng)了的處理能力，并對優(yōu)化前后進行了對比分析。

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