基于軟件無線電的直接擴頻序列接收機新方案

摘 要:在低信噪比的低壓電力線通信環境中，使用傳統的擴頻解調方法，不易提取同步載波。針對這一問題，提出一種基于軟件無線電結構的直接擴頻序列(DSSS)接收機方案。該方案以帶通采樣定理為依據，結合A/D轉換器和數字低通濾波器，無需提取同步載波即可完成已調信號的解調，并在基帶完成信號的解擴。通過理論和仿真證明，該方案開銷低，抗噪性能強，適合在惡劣的通信環境中使用。

關鍵詞:低壓電力線通信;擴頻;軟件無線電;帶通采樣定理

中圖分類號:TN91442 文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)05-009-04

Novel Design of Direct Sequence Spread Spectrum Receiver Based on Software Radio

CHEN Zhonghui，FENG Xinxin

(College of Physics and Information Engineering，Fuzhou University，Fuzhou，350108，China)

Abstract:The synchronous carrier is difficult to extract in low SNR power line communication environment by traditional spread-spectrum demodulation method.To solve this problem，a novel design of Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS) receiver based on software radio structure and band-pass sampling theorem is proposed.The designed receiver consists of A/D converter and digital low-pass filter，which can demodulate information without carrier synchronization.Moreover，spread-spectrum demodulation can be realized in baseband.Both theoretical analysis and simulation results prove that the novel receiver structure has low cost and high anti-noise performance，and it can be applied in rough communication environment.

Keywords:low voltage power line communication;spread spectrum;software radio;bandpass sampling theorem

0 引 言

擴頻通信的基本原理是將待傳輸信息的信號頻譜用某個特定的擴頻函數擴展后成為寬頻帶信號，送入信道傳輸，接收端利用相應的技術把信號壓縮到原有的帶寬。擴頻處理的本質是在接收端對噪聲的頻譜進行擴展，降低了其對信號的影響。因此，它不但能實現寬帶低功率密度傳輸，有效避免輻射限制問題，而且還獲得了可觀的處理增益。

PLC(Power Line Carrier)是以電力線作為通信媒介的一種通信方式。近年來，研究的熱點集中在利用380/220 V低壓電力線進行數據傳輸。但是，電力線網絡是為電力傳輸而設計的，從來就不是一種理想的通信介質。在380/220 V低壓電力線上進行信號傳輸，表現出線路阻抗小，信號衰減大，干擾強，且具有時變性等特 點。因此，將擴頻技術應用于電力線通信的最大優越性在于它具有抗干擾和抗電力線時變衰減的能力，可以大大增加傳輸距離和提高抗干擾性能。

由于低壓電力線的惡劣環境，擴頻通信接收機的主要難點集中于載波同步和偽碼同步這兩部分。為了解決這一問題，提出了一種新穎的應用于低壓電力線環境下直擴通信系統的接收機方案。該方案借助軟件無線電的思路——將A/D，D/A盡可能靠近天線放置，將通信信號數字化，以帶通采樣定理為理論依據，通過數字低通濾波器，完成已調信號的解調;然后，在基帶進行信號偽碼的同步，完成信號的解擴。這種方法大大節省了硬件資源，同時，抗干擾能力強，適用于噪聲情況復雜，干擾強的低壓電力線載波通信。

1 傳統的直接序列擴頻系統方案

常規的擴頻接收機通常分為解擴、解調兩部分進行。解擴部分的原理是利用偽碼良好的自相關特性，進行相干檢測，完成信號解擴。解調則是在已被解擴了的攜帶有用信息的已調信號中，檢測出發射端發射的數字基帶信號。通常采用相干檢測器，需要產生與發送端同頻同相的本地載波。這一同步載波通常采用鎖相環、平方環、科斯塔斯環等方法加以提取。

低壓電力線環境具有嚴重的噪聲污染，同時，對信號會產生高達20 dB以上的衰減。在這種惡劣的通信環境下，有用信號淹沒在大噪聲中，若采用常規方法，很難解決同步載波的提取和擴頻碼的捕獲問題，直接制約了系統的性能。因此，本文將提出一種基于軟件無線電結構的新型DSSS接收機方案。

圖1 傳統DSSS接收機模型

2 基于軟件無線電的DSSS接收機方案

軟件無線電的關鍵思想在于將無線電臺盡可能多的功能放在一個開放性、模塊化的平臺上由軟件來實現，這就要求將A/D/A轉換器盡可能地靠近天線。對來自天線的射頻信號進行采樣，后續處理過程則在數字域中由軟件來實現，這樣便能得到最大的靈活性。理想的軟件無線電系統將傳統的信道編解碼部分劃分成如下模塊，包括天線模塊、RF轉換模塊、A/D、D/A轉換模塊、IF處理模塊、基帶模塊和比特流模塊等。其中，A/D部分是整個軟件無線電的核心。A/D轉換器的性能，如轉換速率、工作帶寬、動態范圍等，決定了射頻前端不同的處理結構、微處理器對數字信號的不同處理方式。它的位置的不同，決定了軟件無線電的三種不同結構:射頻低通采樣軟件無線電結構、射頻帶通采樣軟件無線電結構和寬帶中頻帶通采樣軟件無線電結構。前兩種方案更接近于理想的軟件無線電結構，但是，在無線通信環境中，受到器件性能的限制，往往不被采用。

在低壓電力線環境中，傳輸頻帶通常為10～450 kHz，如果采用射頻帶通采樣模型，現有的A/D器件可以實現，因此本文提出的模型基于帶通采樣定理，A/D轉換在射頻端完成。

接收機系統框圖如圖2所示。首先將從低壓電力線信道接收到的信號送入一個前端濾波器。濾波后的信號送入A/D，以特殊采樣頻率fs進行帶通采樣，保證經過發送端平衡調制后的信號頻譜搬移到零中頻位置。采樣后的數字信號，經過數字低通濾波器，濾出基帶信號頻譜，還原成受噪聲污染的復合碼波形。在基帶對復合碼波形進行解擴，解擴后的信號送至數據檢測器，恢復原信息序列。

2.1 前端濾波器設計

對于低壓電力線環境下的射頻帶通信號，盡管信號限制在一定的帶通范圍，但噪聲分布在整個頻段范圍之內。因此，帶通采樣時，即使帶內信號不會混疊，帶外噪聲卻有可能折疊進入帶內，導致信噪比惡化。為了克服這一問題，同時也為了防止采樣后信號頻譜混疊，接收到的信號需要首先通過一個前端濾波器。

圖2 基于軟件無線電的DSSS接收機系統框圖

因為在DSSS系統中，經過平衡調制后射頻信號的功率譜結構是以f0為中心，包絡為(sin x/x)2的連續譜，第一個過零點在擴頻碼的傳輸速率Rc處，因此，設計前端濾波器特性如圖3所示。濾波器的中心頻率為載頻f0，通帶寬度Bp選擇為2Rc，為了保證大部分有用信號的通過，通帶寬度還可以適當加大。過渡帶范圍沒有特殊限制，但為了保證濾波器具有良好的選擇性，在系統允許的情況下應盡量減小過渡帶，如果以濾波器矩形系數r=B/Bp來衡量，一般通信所要求的實際指標大約為2左右。

圖3 前端濾波器特性示意圖

2.2 帶通A/D采樣頻率的選擇

傳統的帶通采樣定理表述如下:設帶通信號m(t)的頻率范圍為(fL，fH)，在實時采樣的情況下，其采樣頻率應滿足如下條件，才能由采樣信號重構原始信號。

2fHM≤fs≤2fLM-1(1)

式中:M為不超過fHfH-fL的非負整數。帶通采樣定理主要應用于模擬帶通信號的數字化處理，目的是以較低的速率傳輸采樣后的帶通信號，并在接收端加以恢復。

本文基于帶通采樣定理，以特殊頻率對接收到的頻帶信號進行采樣，目的是完成信號頻譜由頻帶向零中頻的搬移。

特殊帶通采樣頻率fs的選擇表述如下:當采樣頻率fs滿足式(2)時，可以通過射頻帶通采樣將調制后的復合碼頻譜搬移到零中頻位置，完成擴頻信號的解調。

fs=f0/M(2)

式中:M為1，2f0(r+1)Bp〗范圍內的整數;r為前端濾波器矩形系數;Bp為濾波器通帶寬度。

以下將對該選擇條件加以證明。假設在發射端，數據信號是寬度為T，取值為±1的矩形波信號d(t);擴頻碼信號是長為N，碼片寬度為Tc，取值為±1的矩形波信號PN(t);且有T=NTc。發射端采用平衡調制，載波頻率為f0;接收端以采樣頻率fs對接收到的頻帶信號進行數字化，發射端發射的射頻信號為:

s(t)=d(t)PN(t)cos(2πf0t)(3)

設復合碼信號d(t)PN(t)的功率譜為Sc(f)，則s(t)信號功率譜為:

S(f)=14[Sc(f+f0)+Sc(f-f0)](4)

接收端不考慮噪聲和干擾的影響，以Ts為周期做理想采樣，則經過采樣后的數字信號為:

r(n)=d(nTs)PN(nTs)cos(2πf0nTs)(5)

r(n)的功率譜為:

R(f)=1Ts∑+∞n=-∞S(f-nfs)(6)

若以滿足式(2)的fs進行采樣，結合式(4)，可得:

R(f)=1Ts∑+∞n=-∞S(f-nMf0)=

14Ts∑+∞n=-∞Sc(f+f0-nMf0)+Sc(f-f0-nMf0)=

14Ts∑+∞n=-∞Sc(f+M-nMf0)+Sc(f-M+nMf0)(7)

由式(7)可知，如果M為整數，當n=M和n=-M時，Sc(f)將被搬移到零中頻處。同時，為了防止帶外信號影響有用信號，僅允許濾波器過渡帶混疊，fs還應滿足:

fs≥(r+1)(Bp/2)(8)

式(8)等價于:

M≤2f0(r+1)Bp(9)

由式(7)和式(9)可得，M應取1，2f0(r+1)Bp〗范圍內的整數。

因此，用符合式(2)所述條件的fs進行采樣后，r(n)信號中具有基帶復合碼信號d(t)PN(t)的分量，可以通過低通濾波器完成信號的解調過程。

同時，由式(9)還可以看出，采樣頻率與前端濾波器的矩形系數呈線性關系，矩形系數越大，要求采樣頻率的最小值越高。所以，在前端濾波器和低通濾波器可實現的前提條件下，應盡量減小過渡帶。

2.3 基帶解擴

傳統擴頻碼的同步包含兩個步驟，首先是對擴頻碼的捕獲，使本地參考擴頻碼與接收擴頻碼的相位之差小于半個碼元寬度;其次是擴頻碼的跟蹤，要求接收機在捕獲的基礎上，盡可能精確地跟蹤接收信號的變化，使本地參考擴頻碼相位與接收擴頻碼相位的差別盡可能的小。在低壓電力線環境中，擴頻碼的捕獲可采用匹配濾波器捕獲法、順序估計快速捕獲法和序列相位搜索捕獲法等方法實現，擴頻碼的跟蹤可采用延遲鎖定環路實現。同時，這一系列的操作將在基帶進行。

3 仿真結果與分析

本文在低壓電力線信道環境下，對擴頻系統進行了整體仿真。其中，選擇基帶信號碼元速率Rb=500 Baud，偽隨機序列碼長為15位，碼片速率Rc=7 500 b/s，采用BPSK調制，且載波頻率f0=120 kHz。設計前端濾波器通帶寬度Bp=2Rc=15 kHz，選取矩形系數r=2。根據式(2)計算可得，M取值范圍為{1，2，…，5}，fs可選擇的值為{f0，f0/2，…，f0/5}。為了保證功率譜圖像清晰，設置系統信噪比為10 dB，同時鑒于功率譜的周期特性，以下僅畫出頻段的功率譜。圖4、圖5分別是選擇fs=f0/2=60 kHz和fs=f0/5=24 kHz對射頻信號進行帶通采樣后的信號功率譜。從這兩幅圖可以看出，經過特定頻率的帶通采樣后，經過調制的復合碼功率譜被搬移到了零中頻位置。對比這兩幅圖還可以發現，圖5采用了較低的采樣率，前端濾波器過渡帶部分即信號的第一旁瓣處的功率譜發生了混疊，但是，通帶內沒有引入帶外噪聲，功率譜保持了完整，可以通過設計邊緣較為陡峭的低通濾波器，濾除混疊部分，得到基帶信號。從兩幅圖中還可以看出，理想A/D帶通采樣的處理，僅僅是對受到噪聲污染的復合碼功率譜做了搬移，形狀沒有發生改變，系統可以在基帶對復合碼信號加以解擴處理，恢復基帶數據，不會損失擴頻增益。

圖4 fs=60 kHz采樣后的信號功率譜

需要值得注意的是，在實際工程實現中，采樣率的降低雖然可以減輕A/D變換器及后續處理器的負擔，但是一定程度上會導致信噪比惡化。當僅計入量化噪聲和采樣頻率的影響時，ADC的噪聲基底(即滿量程信號功率S與量化噪聲譜密度N0之比，單位:dB)為:

S/N0=6.02b+1.76+10lg[fs/(2fmax)](10)

顯然，fs的降低會導致S/N0的降低。所以，實際應用時，需要綜合考慮A/D轉換器的性能和由于信噪比的惡化而對整機性能造成的影響，選取合適的采樣率。

圖5 fs=24 kHz采樣后的信號功率譜

4 結 語

本文借助于軟件無線電模型和帶通采樣理論，提出了一種適用于低信噪比、低壓電力線環境的DSSS接收機新方案。通過理論分析和系統仿真證明，它具有以下優點:

(1) 在射頻端對接收到的信號直接用A/D以特殊頻率進行帶通采樣，采樣率遠低于信號的最高頻率，因此可以大大降低對A/D變換器和后續數字信號處理器的要求，節省了系統的軟硬件開銷。

(2) 以特殊頻率進行帶通采樣后，射頻處的復合碼信號頻譜被搬移到了零中頻位置，然后，直接用低通濾波器濾出基帶信號，完成了解調的過程，免去了在低信噪比環境下的同步載波提取。

(3) 對濾波后的復合信號在基帶進行解擴，保證了系統擴頻增益不丟失。

參 考 文 獻

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