超寬帶低截獲率擴頻系統實現

沈 志,周世平,胡 哲,韓建莉

(湖北航天技術研究所, 武漢430040)

1 引 言

擴頻通信由于采用偽隨機碼作為擴頻調制的基本信號,展寬了通信頻帶,降低了信號功率譜密度,具有抗干擾強、信號隱蔽、截獲率低、碼分多址、易于組網等特點,被廣泛應用于軍民用通信、電子對抗、導航及測量等領域。直接序列擴頻[1](Direct Sequence Spread Spectrum,DSSS)是擴頻通信最主要的一種實現方式,在發送端通過利用高碼率的擴頻序列對發送信號進行調制,展寬其頻帶,在接收端再使用相同擴頻序列進行解碼,從而獲得較高的等效調制增益。

相對于原始信號帶寬,更大的擴頻比率可以帶來更高的擴頻增益,以及更低的有效功率譜密度,從而加大第三方探測難度,降低被截獲概率,但受限于現有硬件實現能力,傳統單載波擴頻系統的擴頻能力非常有限。本文將多載波(Multi-Carrier, MC)調制系統引入到擴頻通信中,使用多個載波同時傳輸有效信號,達到進一步增大擴頻比的目的,同時利用基帶混頻調制與超外差解調方式,使得中射頻部分盡可能使用統一結構實現,降低了系統實現復雜度。

2 擴頻系統超寬帶實現的硬件局限

在窄帶干擾條件下,通過對擴頻后帶寬為W 的信號解擴,可以使功率為PI的干擾信號i(t)帶寬擴展到頻帶W,則噪聲功率譜密度I0=PI/W。解擴后的信號通過帶寬為R 的匹配濾波器,則解調器輸出端的干擾總功率為[2]

因此干擾信號功率的下降量與帶寬的擴展因子W/R相等,Lc=W/R 為擴頻系統的處理增益。

在解擴后帶寬R 一定的條件下,為了獲得盡可能大的處理增益,則需要增大擴頻后帶寬W。現有以軟件無線電架構的擴頻通信系統通常以FPGA 為核心,其系統全局時鐘主頻一般在200 ～300 MHz級別,當實現邏輯使用量較多時,綜合后可用時鐘會降低至100 MHz級別,常用的高速DAC 數模轉換芯片也多位于此主頻范圍內,由于基帶信號需要完成基帶成形、插值處理等操作,其處理載波帶寬一般在20 ～40 MHz級別,這就導致擴頻系統可實現的擴頻因子非常有限。如果要實現更高帶寬的載波輸出,一種可行的方法是在FPGA 內對高于系統主頻的采樣率信號在數字域作多相位處理,在輸出轉換端再完成多相位合并,再由吉赫級別的超高主頻DAC 轉換輸出[3]。但該方法的實現代價較大,不光實現邏輯復雜,超高速DAC 成本較高,并且板級信號完整性控制難度也快速上升。其擴頻后帶寬增大的本質是通過提高處理速度獲得,其方法對系統能力提升有限,存在應用局限性。

3 直擴及多載波調制二維擴頻

為了進一步拓展直擴信號的頻帶寬度,本文將傳統多載波調制方式[4]引入到擴頻系統。在基帶成形之前,就將數據以位寬分離或者碼片分離的方式,分解為多路并行數據,在各自獨立擴頻后,由多個獨立單載波調制模塊進行調制,在模擬域上再進行功率合成,從而實現超寬帶調制。在接收端,使用多個獨立解調模塊并行處理各自頻帶信號,在基帶之后再進行數據合并。該方法使用更多的并行處理資源換取更大的頻帶寬度,其基本實現框圖如圖1 所示。

圖1 多載波擴頻系統實現結構Fig.1 Architecture of multi-carrier spread spectrum system

設單個載波寬度為f BW,N 個獨立載波在頻譜上相鄰存在,使用正交調制方式,則最終全系統的載波信號模型可以表示為

頻域分布如圖2 所示。

圖2 多載波擴頻頻譜分布Fig.2 Multi-carrier spread spectrum profile

可以看到,在頻域上各個載波呈獨立分布,但又彼此相鄰。對于全頻帶來說,除了各頻帶自身去碼間串擾的滾降保護帶占據了一定帶寬以外,與單一載波超寬頻譜相比,基本沒有浪費更多頻帶資源。

4 基帶調頻與統一上變頻結構

在公式(2)中,由于各頻點載頻ωi 不同,上變頻系統對于每一路載波在進行調制或解調時,需要使用完全不同頻率的載波信號,這無疑加大了多載波系統硬件設計與調試的復雜度。

設最終輸出頻帶的中心頻點為ωc,對于偶數個載波系統,可以將公式(2)改寫為

將中心載波頻點ωc提出,則上式變為

由該式可以知道,多路信號可以通過兩次變頻獲得,第一次變頻的載波頻率為±(k -1/2)ωBW,由于頻率值不高,可以直接在數字域進行調頻偏,可定義為基帶頻偏調制方式。

完成基帶調頻偏之后,第二次變頻的載波頻率可以為一個固定值ωc,因此各路子載波的中射頻正交調頻既可以使用相同載波的調頻電路完成,也可以在數模轉換后直接功率合成再使用單路上變頻器完成,從而降低了中射頻部分的實現復雜度。

圖3 基帶頻偏擴頻系統實現結構Fig.3 Architecture of baseband mixing spread spectrum system

各路載波的二次中射頻正交變頻利用歐拉公式進行展開后,可表示為

其中, Ik及 Qk為基帶調頻偏之后得到的信號,由于二次變頻后各單路載波分布位于中心載波ωc的兩側,因此ωc右側上邊帶與ωc左側下邊帶的調頻偏公式有少許不同。上邊帶的基帶頻偏公式為

下邊帶的基帶頻偏公式為

5 多頻及單頻超外差式下變頻結構

下變頻方式與上變頻相反,也使用兩次變頻方式。與發送端不同的是,接收端獲得的是寬頻帶信號,對于各單載波解調器,必須通過濾波獲得各自單路載波,工程實現方案有以下兩種。

第一種下變頻方案是使用傳統超外差接收方式,通過使用多路下變頻通道對不同的載波進行解調,使下變頻后的有效單路信號落在固定頻點上,可以直接下變至零頻點執行低通濾波,也可以下變至低中頻,完成中頻帶通濾波后再二次下變至零頻點。則各路都可以使用相同頻率的模擬低通或帶通濾波器完成帶外信號的濾波作用,再由單路ADC 采樣各自單載波信號,以使用多射頻點源的代價,簡化下變頻后的帶通或低通濾波器設計難度,其實現框圖如圖4 所示。

圖4 多下變頻器接收系統結構圖Fig.4 Block diagram of multi-downconverter receiver system

設完成基本增益控制后的接收信號為

設本地每路下變頻載波為

對于每路下變頻過程可表示為N

使用低通濾波器去除高頻分量,僅提取當前頻點信號后得到

其中,LPf()表示以f 為帶寬執行低通濾波操作。上式是直接捷變至零頻公式,如分兩次捷變,第一次捷變至低中頻,則使用帶通濾波器完成單載波帶外濾波操作,與上式略有不同但方法一致。該方案是一種比較傳統的實現方式,其缺點是每個單路載波解調都需要使用一個下變頻模塊,系統中射頻部分復雜度較高。

第二種實現方式是由單個下變頻器將信號下變至中頻,然后通過功分器將信號分配至多路,每路單載波解調器通過數字方式產生不同頻率的載波信號,將各自信號二次下變頻至零頻位置,由低通濾波器去除單載波帶外信號后,再由ADC 對基帶信號進行采樣處理。該方案的優點是全路設備僅需要使用一路射頻下變頻器,簡化了射頻部分的設計難度;但缺點是每路信號處理模塊都需要增加二次下變頻的載波發生模塊。其實現框圖如圖5 所示。

圖5 兩次下變頻接收系統結構圖Fig.5 Block diagram of two-stage downconverter receiver system

當然,如果模式轉換器采樣率相對于一次變頻后的中頻頻率較高,也可以采用采樣后在數字域實現正交下變頻的設計方法。

同公式(8)～(9),對接收信號進行一次射頻下變頻后再濾除高頻分量有

設下變頻后中心頻點載波分量ωIF為

公式(12)變為

對于整體中頻信號,各單載波支路再產生各自中頻下變頻載波分量

其中,i ∈(-N/2,N/2),i ≠0,通過此中頻載波對中頻信號進行二次下變頻,則單載波支路變頻后的結果為

而后完成相位同步,獲得準確的基帶數據。

6 實現結果

圖6 基帶調頻偏頻譜圖Fig.6 Spectrogram of baseband mixed modulator

以四載波信號為例,完成調制以后的信號頻譜如圖6 所示。相對于原始單載波系統,在相同有效數據率條件下,通過提高載波數量,增加頻帶寬度為代價,獲得了更低的功率譜密度,以及更高的擴頻增益,對接收端來說,更低接收信噪比門限降低了信號被截獲或被干擾的概率。

[1] Bernard Sklar.數字通信-基礎與應用[M] .2 版.徐平平, 宋鐵成,葉芝慧, 譯.北京:電子工業出版社,2002.

Bernard Sk lar.Digital Communications:Fundamentals and Applications[ M] .2nd ed.Translated by XU Ping -ping,SONG Tie-cheng, YE Zhi-hui.Beijing:Publishing House of Electronics Industry, 2002.(in Chinese)

[2] Proakis J G,Salehi M.通信系統工程[M] .2 版.葉芝慧,趙新勝, 譯.北京:電子工業出版社, 2002.

Proakis J G,Salehi M.Communication Systems Engineering,Second Edition[M] .2nd ed.Translated by YE Zhi-hui,ZHAO Xin-sheng.Beijing:Publishing House of Electronics Industry, 2002.(in Chinese)

[3] 韓慶喜, 劉志軍,張淑慧,等.全數字QAM 調制射頻輸出的FPGA 實現[ J] .電子技術應用,2009,35(11):56-62.

HAN Qing-xi, LIU Zhi-jun, ZHANG Shu-hui, et al.Realization of all-digital QAM RF modulation based on FPGA[ J] .Application of Electronic Technique, 2009, 35(11):56-62.(in Chinese)

[4] 沈志.MC-QAM 調制器信號處理關鍵技術的實現研究[D] .武漢:華中科技大學,2011.

SHEN Zhi.Key Technologies in Signal Processing Research and Implementation for MC-QAM Modulator[D] .Wuhan:Huazhong University of Science and Technology,2011.(in Chinese)