基于軟件無線電的直擴通信終端設計與仿真

摘 要:隨著軟件無線電技術在各個領域的廣泛應用，由軟件來實現直擴通信終端已成為可能。基于軟件無線電的思想，提出了一種基于軟件無線電的直擴通信終端設計方案。分析了擴頻偽碼類型、擴頻增益、中頻選取、偽碼同步電路等系統參數，并用Matlab對系統進行了仿真，驗證了方案的可行性。該系統具有體積小，靈活性好，低功耗，擴展性強等優點。

關鍵詞:軟件無線電; 直擴通信; 擴頻增益; 偽碼同步

中圖分類號:TN912-34文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)21-0015-03

Design and Simulation of DSSS Communication Terminal Based on Software Defined Radio

CHEN Ying， ZHANG Fu-hong

(College of Communication， Hangzhou Dianzi University， Hangzhou 310018， China)

Abstract: It′s possible to realize DSSS communication by software with wide application of the software radio. The software， digitization， miniaturization are the inevitable development of DSSS terminal.A scheme of DSSS communication terminal based on software radio is provided.Te types of PN， gain， frequency selection， synchronous circuit are analyzed， and the system is simulated by Matlab and the feasibility of the program is verified. The system has advantages of small volume， flexibility， low power and strong expansion.Keywords: software defined radio; DSSS; spread spectrum gain; pseudo code synchronization

0 引 言

直接序列擴頻通信是擴頻通信技術中的一種，具有抗干擾、抗多徑衰落、抗阻塞能力強，以及頻譜利用率高、保密性好、截獲率低、易于組網、進行高精度測距等諸多優點。

本文提出了一種基于軟件無線電[1-2]的直擴系統的設計方案[3-5]。給出了各項設計參數指標，并對所提出的設計方案進行了仿真[6-7]驗證。

1 系統基本結構

基于軟件無線電的直擴通信終端采用對中頻進行數字化采樣，由軟件編程實現信號的擴頻、調制、解擴、解調等數字信號處理。本文重點介紹直擴通信終端的中頻數字處理的具體實現方案。直擴通信終端的結構框圖[8]如圖1所示。

信號發射時，信息經過信源、信道編碼后，與擴頻偽碼進行相乘擴頻。為了使擴頻后的基帶信號與后面的DAC的轉換速率相匹配，在正交調制之前必須通過內插把低速率的擴頻基帶信號提升到DAC的轉換速率上。內插后的數據通過成形濾波器，以消除碼間干擾和高頻鏡像干擾，內插濾波后的擴頻基帶信號與載波相乘實現數字調制，之后通過高速DAC轉換成中頻模擬信號。

信號接收時，中頻模擬信號經過高速ADC采樣后，與本地載波相乘進行正交下變頻至零中頻，經抽取濾波后，送入偽碼同步環進行偽碼捕獲跟蹤。偽碼同步后，再經過信號解擴解調以及相應的信道和信源解碼。

圖1 直擴通信終端結構框圖

2 系統參數設計

直擴通信終端參數[9-10]約束主要有如下幾個方面:

(1) 信息數據的傳輸速率:由于該直擴通信終端主要用于低速率數據通信以及語音通信，而且目前語音編碼(如CELP、AMBE編碼)后的數據速率一般為24 Kb/s，4 Kb/s，48 Kb/s，8 Kb/s，96 Kb/s。因而在信息速率的選擇上設定信息速率為8 Kb/s，信道編碼采用碼率為1/2的卷積編碼。因此待擴頻的數據速率為16 Kb/s。

(2) 擴頻偽碼類型以及階數:由于所設計直擴通信終端目前完成的是點對點的通信，因而為了簡便起見，在直擴通信終端中采用m序列作為擴頻偽碼。若m序列的長度太長，則不僅增長了接收機的捕獲時間還增加了接收機結構的復雜性。若m序列長度太短，則中頻數字化直擴通信終端的抗干擾能力減弱。因而采用折中方式，采用11階的m序列作為中頻數字化直擴通信終端的擴頻偽碼。

(3) 擴頻處理增益:擴頻增益是直擴通信的一個重要參數， 反映了系統抗干擾能力的強弱， 是對信噪比改善程度的度量，其定義為接收機輸出信噪功率比與接收機的輸入信噪功率比之比，即:

Gp=輸出信噪功率比輸入信噪功率比=BRFBb=RcRb

(1)

其中:BRF為擴頻后的帶寬;Bb為基帶數據帶寬;Rc為擴頻后的偽碼速率;Rb為基帶數據速率。在本設計中，為了提高頻帶利用率，考慮到所允許的最大帶寬，這里設計偽碼的速率為4.096 Mb/s。因而，

可以得到中頻數字化直擴通信終端的處理增益為24 dB。

(4)數字調制方式和中頻載頻:由于DPSK信號采用帶判決反饋結構的叉積鑒頻環不僅可以消除頻偏，而且還可以進行差分解調，從而不需要載波的相位同步，簡化了接收機的電路設計。因而采用DPSK作為中頻數字化直擴通信終端的數字調制方式。

在中頻載頻的選擇上，采用214 MHz為中頻數字化直擴通信終端的中頻載頻。

(5) 偽碼同步電路:對于偽碼捕獲電路框架，采用非相干串行捕獲法。其中的積分清洗濾波器可用累加器或者匹配濾波器來代替。由于直擴通信終端采用先解擴后解調，在解擴之前無法得到精確的載波相位和載頻，因此偽碼跟蹤電路采用非相干超前延時鎖相環。

3 仿真結果

由于偽碼速率為4096 Mb/s，故由采樣定理可知至少需8192 MHz的采樣頻率對偽碼采樣，考慮到偽碼跟蹤電路延遲超前鎖相環的方便設計，采用16384 MHz的采樣速率對偽碼進行采樣，即一個偽碼采四點。因而信息信號經擴頻后得到的基帶擴頻信號速率為16384 Mb/s，而DAC轉換速率設定為8192 Mb/s，所以為匹配數據速率需要對基帶擴頻信號進行內插，內插因子為81.92/16.384=5。接收過程為發送過程的反過程，抽取因子等于內插因子也為5。

為了提高頻譜利用率，消除碼間干擾，需要使用成形濾波器對擴頻后的碼片進行成形濾波。在中頻數字化直擴通信終端設計中為了節省電路資源，把成形濾波器設計為既起碼片成形作用，又起內插濾波作用。為了降低濾波器的數據吞吐率，這里采用多項濾波結構。基帶擴頻信號在內插了5倍后，速率達到了8192 Mb/s，因而濾波器的采樣頻率為8192 MHz。由于采用DBPSK調制，偽碼速率為4096 Mb/s，因調制后的信號3 dB帶寬為4096 MHz，因此濾波器的截止頻率只要為2.048 MHz即可，但為了能較好地濾出信號頻率，在中頻數字化直擴通信終端中，設定濾波器的截止頻率為4096 MHz，從而既滿足了內插濾波的要求又滿足了碼片成形的要求。由于收發過程中都使用了成形濾波器，所以成形濾波器采用平方根升余弦濾波器。

根據所設定的參數，進行了直擴通信終端的擴頻調制仿真，發射部分Matlab仿真結果如圖2所示。

圖2 直擴通信終端擴頻調制仿真

由圖2可知，信息數據經過擴頻之后，其頻譜在整個頻段中得到了擴展，再與載頻為21.4 MHz的載波相乘實現數據的上變頻(即DPSK調制)。

在接收端，信號經過下變頻、抽取后，采用串行捕獲方法，偽碼捕獲同步后，便可進行信號的解擴工作，解擴后的仿真波形如圖3所示。

圖3 偽碼解擴后信號波形

由圖3可以看出，信號經過相關解擴處理后，有用信號被解擴，其功率譜集中于信息帶寬內。而無用信號通過相關器后，頻譜雖然大大的展寬了，但信號在整個頻帶內的能量不變。

解擴后的信號經過低通濾波，信息解調后得到如圖4所示。 接收到的擴頻信號經過正交下變頻、抽取濾波、偽碼同步、低通濾波和信息解調后得到的信息數據與所發送的信息數據完全一樣。

圖4 解調出來的信息

4 結 語

主要討論了擴頻通信中的直擴通信系統的軟件無線電實現結構及其參數設計，包括擴頻偽碼類型、擴頻增益、中頻選取、偽碼同步電路等，并用Matlab仿真了該方案。仿真結果表明方案的可行性。同時表明該設計方案具有體積小，靈活性好，低功耗，擴展性強等優點。

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