基于DSP的無線寬帶通信接收機信號同步模塊設計

趙 娟

（1.西安鐵路職業技術學院 陜西 西安 710014；2.西安科技大學 陜西 西安 710054）

無線電通信是指利用電磁波的輻射和傳播，經過空間傳送的通信方式。傳統的無線通信系統一般由發信機、信道及接收機組成，其中發信機和接收機分別是由基帶單元、中頻單元和射頻單元3部分組成[1]主要作用是把接收到的射頻信號首先經過低噪聲放大，然后經過混頻、中頻放大和解調后還原為基帶信號，最后經過低頻放大輸出。通信過程中檢測到信號到達以后，下一步的工作就是信號同步。信號同步包括符號及采樣點同步，前者是接收機能夠正確解調出有用信息的前提。如果同步出錯，則無法解調出有用信息；后者則針對于下變頻器中一個符號多個采樣點的問題而設計的，如果采樣點同步不準，則相當于下變頻器采樣有偏差，在高信噪比條件下仍然能夠正確解調出有用信息[2]。

1 寬帶通信

上式中fh和fl由能量寬帶BW定義給出，BW是一個頻率范圍在這個頻率范圍內占有信號總能量的90%或95%，其上限頻率用fh表示，下限頻率用fl表示。

對于FBW，大于25%的信號則稱為“寬帶信號”，對應的通信方式稱為“寬帶通信”。例如一個信號的能量寬帶為2 MHz，其中心頻率低于10 MHz，我們就認為該信號是一個寬帶信號[3]。

2 DSP概述

DSP也稱“數字信號處理器”，是一種具有特殊結構的微處理器。DSP芯片內部采用程序和數據分開的哈佛結構，具有專門的硬件乘法器。并且廣泛采用流水線操作，提供的特殊DSP指令可以用來快速地實現各種數字信號處理算法[4]。

DSP最突出的兩大特色是強大的數據處理能力和高運行速度，加上具有可編程性，實時運行速度可達每秒數以千萬條復雜指令，遠遠超過通用微處理器。從20世紀70年代DSP芯片誕生以來，DSP芯片得到了飛速發展，一方面得益于集成電路技術的發展；另一方面也得益于巨大的市場需求。DSP芯片已經在信號處理、通信及雷達等許多領域得到了廣泛應用。由于篇幅所限本文針對DSP在無線寬帶通信接收機信號同步模塊的實現做以論述。

3 信號同步原理

符號級同步分為粗同步和細同步，粗同步通過偽隨機序列的相關峰來得到。在AWGN信道環境下，這個粗估的同步位置已經完全可以滿足要求。但是在多徑條件下，由于多徑位置選取的不同和多徑強弱的區別，這個同步位置很可能是對應于一條能量相對較弱的反射徑的位置。從而使得接收信噪比大打折扣，嚴重影響后面信道譯碼的性能，在實際使用環境中，多徑環境是不可避免的，因此粗同步和細同步都要進行。

這里假設載波完全同步，實際上對于寬帶全數字中頻接收機而言，對載波頻偏的要求很苛刻。A/D輸入端的載波頻偏一般要求不超過1/4個符號時間，即要求頻偏不超過碼片速率的千分之二。當存在采樣定時偏差時，相關值中存在一定的碼間干擾。假設全數字中頻接收機出于抗頻譜混迭的考慮，采樣率為4倍符號率以上，而采樣率的增大會引起硬件實施困難，因此這里考慮用4倍符號率的采樣[5]BPSK調制，即每個碼片有4個采樣點。在4個采樣點中取一個定時偏差最小的點作為判斷點，這個點最大的采樣定時偏差是1/8碼片。

碼片完全同步時，采樣定時偏差τ=0，相關值為：

采樣定時偏差τ=Tc/8時，相關值為：

4 信號同步的DSP實現

在具體實現時，粗同步時可以根據頻偏估計計算的頻偏對接收信號（訓練序列）進行去頻偏處理，根據頻偏估計中的結論：

得到出去頻偏后的數據后，將其與本地Pn序列進行循環相關。由于偽隨機序列的特性，Pn只有在剛好對齊時，得到的相關值才是最大的，即自相關值；否則其相關值會很小，由此可以將接收序列在符號這一級上進行同步。

這里需要注意的一個技巧是循環相關的快速實現，如果按照循環相關的定義，序列A和序列B的循環相關為：

這樣，求兩個長度為N的序列的循環相關，需要執行N*N次乘法操作及N*N次加法操作。運算量與N是平方關系，為了縮減運算量，可以使用數字信號處理中的以下結論：

5 同步信號模塊程序設計

6 結 論

本文詳細介紹了DSP無線通信系統接收機信號同步模塊的設計，重點在于軟件設計。詳細敘述了程序設計過程，結合硬件電路結構的合理設計，便可投入使用。

[1]鄭阿奇.DSP實用教程[M].北京：電子工業出版社，2011.

[2]西奧多.無線通信原理與應用[M].北京：電子工業出版社，2012.

[3]張起貴.最新DSP技術[M].北京：國防工業出版社，2009.

[4]張雄偉.DSP芯片的原理與開發應用[M].北京：電子工業出版社，2009.

[5]奧沙那.嵌入式實時系統的DSP軟件開發技術[M].北京：北京航空航天大學出版社，2011.

[6]Cook P G，Bonser W.Architectural Overview of the SPEAK easy System[J].IEEE Journalon Selected Areas in Communications，2009，17（4）：650-661.

[7]Akos D，Tsui J B Y.Design and implementation of a direct digitization GPS receiver front end[J].IEEE Trans.Microwave Theory Tech，2006，44（12）：2334-2339.