基于軟件無(wú)線(xiàn)電的擴頻通信同步研究

摘要：基于軟件無(wú)線(xiàn)電擴頻通信中的載波頻偏及收發(fā)兩端信源速率不匹配進(jìn)行了研究，并提出了實(shí)現擴頻同步的解決算法。 關(guān)鍵詞：軟件無(wú)線(xiàn)電 DSP 擴頻通信 擴頻通信提供了一種抗干擾的有效途徑。由于采用了偽隨機編碼擴展頻譜，以及相關(guān)接收技術(shù)，使其具有很強的抗干擾性能。軟件無(wú)線(xiàn)電SDR（Software Defined Radio）是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一門(mén)新興學(xué)科。它采用數字信號處理技術(shù)，在可編程控制的通用硬件平臺上，利用軟件來(lái)定義無(wú)線(xiàn)電臺的各部分功能。其核心思想是在盡可能靠近天線(xiàn)的地方使用寬帶“數字/模擬”轉換器，盡早地完成信號的數字化，從而使得無(wú)線(xiàn)電臺的功能盡可能地用軟件來(lái)定義和實(shí)現?；谲浖o(wú)線(xiàn)電進(jìn)行擴頻通信系統設計具有設計靈活、易于調試、縮短系統開(kāi)發(fā)時(shí)間，同時(shí)還具有可兼容性，是未來(lái)的發(fā)展趨勢。 1 系統介紹 在系統發(fā)射端，數據流經(jīng)過(guò)2比特串并轉換后分為I、Q兩路，然后對I、Q兩路數據進(jìn)行擴頻。I路和Q路所選用的擴頻碼子不相同，它們相互正交。接著(zhù)擴頻后的I、Q路信號分別通過(guò)平方根升余弦濾波，最后進(jìn)行正交調制，將信號發(fā)射出去。系統發(fā)射端原理圖如圖1所示。圖1系統接收端原理圖如圖2所示。在接收端，采用正交下變頻技術(shù)將接收信號頻帶搬移到零中頻，這樣便于DSP處理，然后利用低通濾波濾除基帶帶外噪聲，再進(jìn)行A/D變換，變換成可處理的數字信號，然后送入DSP；在DSP內進(jìn)行同步搜索和頻偏估計，在同步搜索成功的基礎上，糾正載波頻偏和調整碼元采樣速率；進(jìn)入同步跟蹤環(huán)節，它鎖定同步信息并跟蹤載波頻偏變化，然后進(jìn)行擴頻碼的非相干解擴解調，最后輸出原理信息。 系統正常工作是建立在同步的基礎上，為了保證收端與發(fā)端同步，接收端的頻率源采用直接數字頻率合成器（Direct Digital Frequency Synthesis簡(jiǎn)稱(chēng)DDS或DDFS）。它受DSP控制，通過(guò)DSP的控制，調整收端頻率，最終實(shí)現收發(fā)兩端同步。 系統基于軟件無(wú)線(xiàn)電開(kāi)發(fā)，其關(guān)鍵點(diǎn)是艇DSP實(shí)現處理數據。婁了保證實(shí)時(shí)處理數據，系統選用的DSP器件為T(mén)I公司生產(chǎn)的高速定點(diǎn)數字信號處理芯片TMS320C6416，其運行時(shí)鐘目前最高可達700MHz，單指令周期內最多可支持八條指令并行運行，故運算速度最高可達5600MIPS，是目前業(yè)界最快的數字信號處理器。該DSP在系統中主要負責同步的提取，識別有用信號，以及解擴后信號的處理。采用基于軟件無(wú)線(xiàn)電設計的思想符合通信系統數字化、實(shí)時(shí)化的發(fā)展趨勢。 2 系統同步問(wèn)題分析 系統的同步是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，系統的正常工作須建立在同步的基礎上。下面就系統同步的核心問(wèn)題進(jìn)行分析，分析引發(fā)同步不確定的因素可能造成的影響。圖22．1 同步的不確定性因素 引發(fā)同步不確定性的因素主要有以下幾方面： （1）頻率源通信中所用到的頻率源 晶振并不是理想中的頻率源，它主要受以下兩方面影響： %26;#183;頻率準確度，晶振的實(shí)際頻率總與標稱(chēng)頻率存在一定差異； %26;#183;頻率穩定度，它主要由溫度變化引起。 由于頻率源之間存在的頻偏和頻率源的頻率漂移會(huì )造成發(fā)射端與接收端的載波頻率不一致和載波的漂移，使系統性能下降。另一方面，它會(huì )造成收發(fā)兩部信息流速率不一致，當發(fā)端信息流速率大于收端速率時(shí)，可能造成信息丟失，當發(fā)端信息流速率小于收端速率時(shí)，收端會(huì )錯誤地多收數據。因此，系統需要保證收發(fā)端頻率一致。 （2）電波傳播的時(shí)延 由于發(fā)射端與接收端相隔一定距離，以及頻偏的存在，在時(shí)間上的積累反映為載波的相偏。 （3）多普勒頻移 它是由發(fā)射端與接收端相對位置的變化，引起頻率和傳輸時(shí)間的變化。 （4）多徑效應 它是在傳輸過(guò)程中由于多路徑傳播引起的。它主要影響系統中碼相位、載波頻率相位延遲造成同步的不確定。 在衛星通信中需要考慮的主要是頻率源的穩準度和多普勒現象。 2．2 同步問(wèn)題的影響分析 2．2．1 同步中的載波頻偏分析 為了便于分析，這里暫時(shí)忽略信道噪聲的影響，則發(fā)射端信號為： S（t）=si(t)cos2πft+sq(t)sin2πft (1) 其中si(t)、sq(t)分別為I、Q路已擴頻的正交信號，f為載波頻率。接收端采用正交下變頻法解擴，相關(guān)后有：式中T為碼元速率的倒數，Δf為接收端載波相對于發(fā)送端載波頻率的偏移，φ為接收端相對于發(fā)送端的未知相偏（由兩二甲基甲酰胺波的相位差及信道時(shí)延造成）。 由上述推導不難發(fā)現，由于頻偏（Δf）的存在，它對相關(guān)峰有一定影響，呈Sa(πΔfT)關(guān)系。在頻偏小時(shí)，它對于求相關(guān)峰的影響可以忽略。 2．2．2 收發(fā)兩端信息流頻率源不一致問(wèn)題分析 如果收發(fā)兩端真正同步，那么發(fā)端的信息流速率應與收端解碼速率一致，而一般對碼片采樣點(diǎn)為一整數，那么此時(shí)收端采樣頻率（fs）應與發(fā)端擴頻碼速率（RN）的比值為一整數；不妨設為M，則有： fs=M%26;#215;RN (5) 設擴頻碼長(cháng)為L(cháng)N，每碼片采樣M，則理論上采樣一條擴頻碼的樣點(diǎn)值Ns有： Ns=LN%26;#215;M (6) 從上面推導還不可知載波的頻偏只影響盯關(guān)峰峰值，不影響對擴頻碼采樣獲得的樣點(diǎn)數。然而，如果收端與發(fā)送之間的信息流頻率不一致，采樣的一條擴頻碼的點(diǎn)數N’s可能不等于Ns；如果采樣速率f’s>M%26;#215;RN，則估計出的下一幀擴頻碼起始位置就比實(shí)際的起始位置要偏后；為了盡可能減少收發(fā)兩端信息流頻偏值，應盡可能選用穩準度較高的晶振，盡可能保證傳一幀擴頻碼的時(shí)間Ts內實(shí)際采樣點(diǎn)與理論采樣點(diǎn)相差很小。然而，在同步搜索階段，由于沒(méi)有任何有用信息，在DSP處理時(shí)，運算量非常大，要判斷擴頻碼的起始位置，同時(shí)估計系統的載波頻偏，一般不可能實(shí)時(shí)處理完畢，這就需要采取拋幀處理。即在處理當前幀時(shí)，將隨后的若干幀丟掉，為了準確估計所拋幀數，一般利用定時(shí)器的定時(shí)功能丟棄數據從而間接實(shí)現準確拋數據幀數據 。前提是先假設收發(fā)數據流一致，通過(guò)估計傳一幀擴頻碼所需時(shí)間來(lái)估計需要拋幀數據的時(shí)間。然而，實(shí)際中一般收發(fā)數據流不一致，雖然差異較小，但這樣可能因為累計偏差最后使得起始位置偏離所估計的位置。這就需要DSP控制DDS來(lái)調整接收端頻率源，保證收發(fā)兩端頻率源一致。 3 基于DSP的同步算法 3．1 載波頻偏估計算法 對于載波同步時(shí)出現的載波頻偏估計算法較多，時(shí)域頻偏估計和糾正的方法有多種，例如：phase lock loop(PLL)法、Fitz算法、Maximum likelihood(ML)算法、Data aided(DA)算法、Difference feedforward estimation（DFE）算法、Decision Directed Methods(DDM)算法以及Automatic frequency control(AFC)法。在DSP中用得較多的是DEF算法，它是利用相鄰兩幀的相位差來(lái)估計頻偏。 頻域估計頻偏算法是利用FFT變換，通過(guò)循環(huán)移位實(shí)現頻譜搬移，在頻域作相關(guān)運算，或退出頻域后再在時(shí)域作相關(guān)處理，通過(guò)估計相關(guān)峰最大值所對應的頻偏位置獲得頻偏大小。 在DSP處理時(shí)的搜索階段，可以通過(guò)計算相隔N幀的相位差來(lái)估計頻偏。 公式：Δf=(φN+I-φN)/N (7) 這里考慮的頻偏相對信息速率不大。如果相對頻偏較大，為了糾正大的頻偏，可以采取步進(jìn)措施。當DSP在同步搜索階段檢測不同信號時(shí)，通過(guò)DDS微調，改變下變頻頻率，從而實(shí)現廣域糾頻偏。3．2 收發(fā)端信息流不一致解決算法 對于收端信息流與發(fā)端信息流速率不一致的情況，由上面基于軟件無(wú)線(xiàn)電處理解擴分析知道，實(shí)際中一般存在收發(fā)數據流不一致，雖然差異較小，但這樣可能因為累計偏差最后使得起始位置偏離所估計的位置。因此在運算時(shí)，為了獲得精確的擴頻碼起始位置，需要一定措施；如果直接處理，可以采用多級逼近法；開(kāi)始時(shí)判決在一定的擴頻碼起始位置范圍，接收的數據經(jīng)過(guò)相關(guān)處理，是否滿(mǎn)足判決條件；然后基于上一次的同步碼位置，進(jìn)一步壓縮同步碼的起始位置范圍，直到找到同步碼的真正起始位置。對于本系統采用二級逼近法實(shí)現，流程圖如圖3所法。 但是該算法不夠精練，需要進(jìn)一步改進(jìn)，下面提出一種改進(jìn)算法：相對-實(shí)際兩步法算法。它分兩步進(jìn)行，在檢測到有效信息時(shí)，先利用相對位置估計同步碼的起始位置，它的思想是連續作兩次同步搜索，記錄各自的擴頻碼起始位置，然后用后一次的同步起始位置減去前一次的同步起始位置，進(jìn)行模擴頻碼碼長(cháng)處理。如果獲得的結果為零，則說(shuō)明收發(fā)兩端整數流頻率一致；如果不為零，說(shuō)明系統兩端收發(fā)頻率不一致；如果大于零，則說(shuō)明接收方采樣速率慢，需要調快收端頻率；如果小于零，則說(shuō)明接收方采樣速率快，需要調慢收端頻率；當最終調整到系統收發(fā)頻率一致時(shí)，系統進(jìn)入跟蹤階段，系統在跟蹤階段完成數據的解擴。由于晶振的飄移特點(diǎn)，在跟蹤階段需要進(jìn)行同步跟蹤，但此時(shí)跟蹤范圍縮小，在只需驗算擴頻碼起始位置及其前后各幾個(gè)點(diǎn)，具體視系統要求而定。 采用DSP進(jìn)行解擴不同于采用純硬件解擴，它不但需要考慮載波頻偏的影響，還需要考慮系統同步過(guò)程中估計的擴頻起始位置與實(shí)際的擴頻碼起始位置不一致的情況，即同步起始位置飄移問(wèn)題，以及系統同步以后如何保證系統不丟失同步信息。本文就以上兩種情況分別提出相應的自滿(mǎn)，以上算法已在某系統中采用，經(jīng)試驗證明可以滿(mǎn)足系統要求。