一種多進制擴頻通信基帶接收的實現方法

洪 亮，云 穎

（上海航天電子技術研究所，上海201109）

一種多進制擴頻通信基帶接收的實現方法

洪 亮，云 穎

（上海航天電子技術研究所，上海201109）

為了在不增加帶寬和不減小靈敏度的情況下增加擴頻通信的數據傳輸速率，采用了多進制擴頻通信的方法，該方法利用不同的擴頻碼來代表并傳輸信息，而不是用一種擴頻碼對信息源進行頻譜擴展，不同的擴頻碼之間互相關性小且自相關性強，針對多進制擴頻通信的設計思想，介紹了FPGA實現方法，詳細描述了多進制擴頻通信中數字下變頻、偽碼捕獲和跟蹤、載波捕獲和跟蹤的理論推導和技術實現途徑。利用多進制擴頻通信可以提高數據傳輸速率，在工程應用中，多進制擴頻通信是一個可靠且有效的數據傳輸方法。

擴頻通信；多進制；載波跟蹤；偽碼捕獲；數字下變頻

0 引言

與傳統的直擴技術相比，多進制擴頻發送的偽碼是可變的，通常發送的偽碼是同族的，發送的偽碼取決于原始數據，如果可以發送的偽碼有64種，那么其中任一個偽碼就可以代表6 bit信息，這樣傳輸數據速率就可以成倍提高，由于發送的偽碼仍然是一個完整的周期并且沒有提高偽碼速率，所以不會減小靈敏度或者增加帶寬。

多進制擴頻技術已在美軍JTIDS系統中得到應用，其數據通信信道的信號內碼采用32進制正交碼擴頻信號，以64進制Gold序列碼族為例，對數字接收部分的關鍵技術進行理論和實踐分析，得出一個可行的技術實現方案。

1 工作原理

多進制擴頻系統中，m位信息碼由長為N的偽隨機碼來代表［1］。m位信息碼有M＝2m個狀態，則該多進制擴頻系統稱為M進制擴頻系統，M進制擴頻系統需要M條長為N的相互正交的偽隨機碼來表示M個狀態，M條偽隨機碼與m位信息碼的M個狀態一一對應。下面都以64進制擴頻系統為例進行說明。

作為發射端，如圖1所示，信息源經過編碼、組幀和64進制擴頻，射頻部分對其進行上變頻，然后通過天線發射、編碼和組幀之后的串行數據流進行串并轉換，設串并轉換為位寬8 bit的并行數據流為sn，sn的低6位sn[5：0]對應M＝64條偽隨機碼，記為PNQ，同時PNQ作為Q路本身可以攜帶一位數據sn[6]，記為bn，最高位sn[7]由I路發送，記為an，I路的偽隨機碼是固定的，記為PNI，PNI和PNQ之間的相對碼相位信息是確定的，經過射頻上變頻之后，發送數據可以表示為：

U＝an*PNI*cos（ωt＋θ）＋bn*PNQ*sin（ωt＋θ），（1）

式中，ω代表載頻，θ代表相位。從上面可以看出，在不改變射頻調制、天線和射頻帶寬的情況下，64進制擴頻系統的傳輸速率是直擴系統的8倍，反而言之，如果傳輸速率相同，那么射頻帶寬只需要1/8。

圖1 多進制基帶發射模塊

對中頻接收端的基帶處理而言，如圖2所示，設接收到的中頻信號為：

ωi為中頻載波頻率，θi為中頻載波相位，用本地PNI對中頻信號進行偽碼相位的捕獲和跟蹤，由于PNI偽碼和PNQ偽碼之間的碼相位關系是確定的，一旦找到PNI的偽碼相位，那么就得到了PNQ的偽碼相位，Q路只需要用64路偽隨機碼同時進行解擴，無需重新進行偽碼捕獲。對于載波跟蹤而言，可以利用PNI的相關結果進行載波頻率，PNI的自相關結果代表了sn[7]，Q路中的64路必定只有1路相關結果大于門限，其余路的相關結果都很小，那么64路中只有1路相關峰最大，這1路就代表了sn[5：0]，同時PNQ的相關結果代表了sn[6]，于是就恢復出了8 bit信息，隨后進行并串轉換、幀同步和解碼，得到最終的原始信息。

圖2 多進制接收模塊

2 接收模塊設計

2.1 數字下變頻

假設中頻輸入信號的中心頻率為fc，帶寬為2fb，采樣率為fs，那么首先fs應該滿足采樣定理，確保采樣后的頻率不混疊，采樣后的信號是把原來的中頻信號以fs為步進在頻域上進行無限延拓，數字下變頻的作用是把延拓后最接近基帶的頻譜搬移到基帶上，然后用低通濾波器濾除高頻分量。采樣后的中頻信號表示為ui，數字下變頻器用NCO產生正弦分量u1和余弦分量u2。

上述運算中的NCO可由Xilinx的IP core（Direct Digital Synthesizer）完成，也可自行編寫，兩者原理相同，都是以采樣間隔時間內的相位變化來代表頻率，設置一個ROM，把一個完整周期的余弦函數值存放其中，通過讀地址的變化來改變輸出的頻率，乘法器用Xilinx的專用乘法器完成。

由式（5）和式（6）可見，其中包含倍頻分量，這需要通過低通濾波器［2］濾除，濾波器用Xilinx的IP core（FIR compiler）實現，濾波器系數用Matlab的fdatool產生，低通濾波器的輸出信號為：

2.2 I路和Q路并行相關器

相關器采用滑動相關的方法，即把接收的偽碼與本地偽碼在一個序列周期內做相關，目的是尋找偽碼相位，為了更快地實現偽碼相位的捕獲，使用多通道并行計算相關峰，每個通道的本地偽碼相互錯開1/4或1/2個碼相位，當載波頻率一致且接收的偽碼與本地偽碼基本對齊時，可得最大相關峰。

I路和Q路都使用PNI去做解擴處理，式（7）和式（8）轉變為：

由于PNI和PNQ的互相關值很小，式（9）和式（10）的第2項都可以忽略，an在一個偽碼內保持不變，uI1和uQ1做平方和就是相關峰。

在軟件設計中，相關計算過程體現為：當本地偽碼為0時，累加值減去uI，當本地偽碼為1時，累加值加上uI，由此可得I路相關結果，同理計算Q路相關結果，兩路相關結果做平方和得到相關峰。

2.3 捕獲跟蹤控制器

捕獲跟蹤控制器的功能是通過調整本地偽碼相位和本地載波頻率，來實現載波捕獲和偽碼捕獲。相關峰是調整本地載波和偽碼的依據，相關峰受到兩個因素的影響，一個是頻差Δw，另一個是偽碼相位，從式（9）和式（10）中可以看出，θe（t）仍然是一個含有頻差Δw的值，只有當Δw→0且碼相位對齊的時候，相關峰值最大。當偽碼對齊的時候，相關峰值相對于Δw顯現sinc函數的特征［3］。捕獲策略是首先尋找偽碼相位，當完成一個序列周期的偽碼掃描后，如果相關峰沒有大于門限，則調整本地載波頻率，繼續嘗試在下一個頻點進行所有碼相位的掃描，如果相關峰大于門限，則調整本地偽碼相位，使之與接收偽碼相位基本對齊，然后掃描當前頻點周圍的頻點，找到相關峰最大值對應的頻率點，此頻率即為最接近實際載波的頻率，最后把本地載波頻率調整至此頻點，門限采用一個偽碼周期內I路和Q路的能量累加和。此刻本地的載波頻率和偽碼相位與實際接收信號仍然有偏差，這個偏差需要載波跟蹤和偽碼跟蹤去無限接近［4］，跟蹤的結果反饋到捕獲跟蹤控制器，由捕獲跟蹤控制器去調整本地偽碼和本地載波頻率。

在軟件設計中，此模塊可由狀態機去實現，可以分為頻率粗捕狀態、偽碼捕獲狀態、頻率細調狀態、偽碼細調狀態和跟蹤狀態，跟蹤狀態中設有退出機制，即始終無法同步的情況下，狀態機回到初始態重新開始捕獲、掃描和跟蹤。

2.4 本地偽碼發生器

本地偽碼發生器需要產生65路正交偽碼，Walsh序列雖然有很好的正交性，但自相關性能不佳，m序列雖然自相關和互相關性能都不錯，但m序列的數量太少，所以可以采用自相關和互相關性能都良好的Gold序列，Gold序列是由一對優先m序列通過裝載不同初始值的移位寄存器模2加得到的一個碼族，在跟蹤與數據中繼衛星系統（TDRSS）中NASA選用了這種碼，實現方法上來說，可以選用65個寬度為1 bit，深度為2L－1的ROM，L為移位寄存器的位數，用上電初始化的方式把這些ROM裝載Gold序列的完整周期。通過讀ROM的方式產生本地偽碼序列，如果需要相位調整，只要改變讀地址就可以了，當找到PNI的偽碼相位后，同時調整本地PNI和PNQ的偽碼相位，使其與接收偽碼相位一致，由于PNI和PNQ之間的偽碼相位關系是確定的，所以找到PNI的偽碼相位等同于找到PNQ的偽碼相位，這是由發射端的偽碼相位關系決定的。

2.5 載波跟蹤

載波跟蹤是為了克服多普勒頻率漂移的影響，載波跟蹤由鑒相器、環路濾波器和NCO組成［5］，鑒相器的處理對象是并行累加結果，完成累加之后的值才體現了擴頻增益。

鑒相器的目的是求出接收載波和本地載波之間的相位差θe（t ），在一個偽碼周期內，θe（t）可以認為基本是不變的，求arctan，就可以直接得到θe（t ）［6］，arctan可以用Xilinx的IP core（cordic）實現，θe（t）的范圍在（－π，π）之間，BPSK調制時可能會出現倒π現象，即相位差會鎖定在0或者π，所以需要把（－π，－3π/2）之間θe（t）對應到（0，π/2），（π/2，π）之間的θe（t ）對應到（－π/2，0），這樣θe（t）的取值范圍就在（－π/2，π/2），當相位差穩定鎖在0或者π，鑒相器的輸出為0，即代表載波跟蹤環已經實現了跟蹤。

2.6 偽碼跟蹤

發射機和接收機的晶振頻率不可能完全一致，那么發射機的偽碼頻率和接收機的偽碼速率就不一致，這就會導致偽碼相位的相對滑動，所以需要對接收偽碼相位進行跟蹤［7］，由于偽碼對齊的時候相關峰最大，可以使用早－遲通道［6］的方法來跟蹤，即不斷比較早通道、當前通道、遲通道的相關峰，始終把最大相關峰對應的偽碼相位調整到當前通道，就可以實現偽碼跟蹤［8］。

2.7 64路并行相關器

64路并行相關器是用64種偽碼同時對接收偽碼做相關［9］，相關結果必定只有1個是大于門限的，用PNQ對Q路進行相關運算，運算結果如下：

式（11）和式（12）的第2項可以略去，把uI3和uQ3做平方和就可以得到Q路的相關峰，由最大相關峰對應的通道號就可以得出6 bit信息［10］，當進行載波跟蹤過程時，θe（t ）→0，由uQ3的符號位又可得1 bit信息。

3 結束語

通過對多進制擴頻通信進行理論推導分析，證明了多進制擴頻通信可以在不減小靈敏度的情況下增加通信數據速率，并表征了信號處理過程中的多進制擴頻信號特征，工程上結合FPGA的特性，提出了多進制擴頻通信中各個算法模塊［11］的實現方法，利用多進制擴頻通信的保密性和高數據速率，為衛星通信、戰術電臺和深空通信［12］等領域提供了一個新的實現思路。

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圖5 入射波為不同頻率時的輸出相位差曲線

4 結束語

將奧米亞棕蠅聽覺系統的耦合結構應用于測向天線陣，天線陣基線長度很小（文中為1 cm）時，對于［0 90°］范圍內的入射角，當入射頻率在較大范圍內變化時，該耦合結構均能實現接收相位差的放大，進而實現高精度測向。在不增加基線長度的情況下保證了測向精度，從而兼顧了測向設備的小型化和高測向精度，對于工程應用具有重要的價值。

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Baseband Receiver Design for M-ary Spread Spectrum System

HONG Liang，YUN Ying
（Shanghai Aerospace Electronic Technology Institute，Shanghai201109，China）

In order to increase the transmission rate of spread spectrum system with limited bandwidth and no loss of sensitivity，the technique of M－ary spread spectrum is adopted.Instead of spreading signal spectrum by only one kind of PN sequence，the data source to be transmitted is represented by different PN sequences.Thecross－correlation value between different PN sequences is small while the auto－correlation value is big.An implementation method using FPGA is presented based on the principle of M－ary spread spectrum.Detailed description of theory and technical approach is given for digital down conversion，PN sequence acquisition and tracking，carrier acquisition and tracking.Data rate can be increased by using the method of M－ary spread spectrum.In the project application，M－ary spread spectrum is proved to be a reliable and effectivemethod.

spread spectrum communication；M－ary；carrier tracking；code acquisition；digital down conversion

V443.1

A

1003－3114（2015）04－104－4

10.3969/j.issn.1003－3114.2015.04.27

洪 亮，云 穎.一種多進制擴頻通信基帶接收的實現方法［J］.無線電通信技術，2015，41（4）：104－107.

2015－02－08

洪亮（1984—），男，工程師，主要研究方向：軟件無線電。云穎（1984—），女，工程師，主要研究方向：軟件無線電。