基于軟件無線電的擴(kuò)頻通信同步研究

摘要：基于軟件無線電擴(kuò)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(xiàn)擴(kuò)頻同步的解決算法。 關(guān)鍵詞：軟件無線電 DSP 擴(kuò)頻通信 擴(kuò)頻通信提供了一種抗干擾的有效途徑。由于采用了偽隨機(jī)編碼擴(kuò)展頻譜，以及相關(guān)接收技術(shù)，使其具有很強(qiáng)的抗干擾性能。軟件無線電SDR（Software Defined Radio）是近年來發(fā)展起來的一門新興學(xué)科。它采用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，在可編程控制的通用硬件平臺(tái)上，利用軟件來定義無線電臺(tái)的各部分功能。其核心思想是在盡可能靠近天線的地方使用寬帶“數(shù)字/模擬”轉(zhuǎn)換器，盡早地完成信號(hào)的數(shù)字化，從而使得無線電臺(tái)的功能盡可能地用軟件來定義和實(shí)現(xiàn)?；谲浖o線電進(jìn)行擴(kuò)頻通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有設(shè)計(jì)靈活、易于調(diào)試、縮短系統(tǒng)開發(fā)時(shí)間，同時(shí)還具有可兼容性，是未來的發(fā)展趨勢(shì)。 1 系統(tǒng)介紹 在系統(tǒng)發(fā)射端，數(shù)據(jù)流經(jīng)過2比特串并轉(zhuǎn)換后分為I、Q兩路，然后對(duì)I、Q兩路數(shù)據(jù)進(jìn)行擴(kuò)頻。I路和Q路所選用的擴(kuò)頻碼子不相同，它們相互正交。接著擴(kuò)頻后的I、Q路信號(hào)分別通過平方根升余弦濾波，最后進(jìn)行正交調(diào)制，將信號(hào)發(fā)射出去。系統(tǒng)發(fā)射端原理圖如圖1所示。圖1系統(tǒng)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(hào)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(shù)字信號(hào)，然后送入DSP；在DSP內(nèi)進(jìn)行同步搜索和頻偏估計(jì)，在同步搜索成功的基礎(chǔ)上，糾正載波頻偏和調(diào)整碼元采樣速率；進(jìn)入同步跟蹤環(huán)節(jié)，它鎖定同步信息并跟蹤載波頻偏變化，然后進(jìn)行擴(kuò)頻碼的非相干解擴(kuò)解調(diào)，最后輸出原理信息。 系統(tǒng)正常工作是建立在同步的基礎(chǔ)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(shù)字頻率合成器（Direct Digital Frequency Synthesis簡(jiǎn)稱DDS或DDFS）。它受DSP控制，通過DSP的控制，調(diào)整收端頻率，最終實(shí)現(xiàn)收發(fā)兩端同步。 系統(tǒng)基于軟件無線電開發(fā)，其關(guān)鍵點(diǎn)是艇DSP實(shí)現(xiàn)處理數(shù)據(jù)。婁了保證實(shí)時(shí)處理數(shù)據(jù)，系統(tǒng)選用的DSP器件為TI公司生產(chǎn)的高速定點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理芯片TMS320C6416，其運(yùn)行時(shí)鐘目前最高可達(dá)700MHz，單指令周期內(nèi)最多可支持八條指令并行運(yùn)行，故運(yùn)算速度最高可達(dá)5600MIPS，是目前業(yè)界最快的數(shù)字信號(hào)處理器。該DSP在系統(tǒng)中主要負(fù)責(zé)同步的提取，識(shí)別有用信號(hào)，以及解擴(kuò)后信號(hào)的處理。采用基于軟件無線電設(shè)計(jì)的思想符合通信系統(tǒng)數(shù)字化、實(shí)時(shí)化的發(fā)展趨勢(shì)。 2 系統(tǒng)同步問題分析 系統(tǒng)的同步是一個(gè)關(guān)鍵問題，系統(tǒng)的正常工作須建立在同步的基礎(chǔ)上。下面就系統(tǒng)同步的核心問題進(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(zhǔn)確度，晶振的實(shí)際頻率總與標(biāo)稱頻率存在一定差異； %26;#183;頻率穩(wěn)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(tǒng)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(dāng)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(dāng)發(fā)端信息流速率小于收端速率時(shí)，收端會(huì)錯(cuò)誤地多收數(shù)據(jù)。因此，系統(tǒng)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(duì)位置的變化，引起頻率和傳輸時(shí)間的變化。 （4）多徑效應(yīng) 它是在傳輸過程中由于多路徑傳播引起的。它主要影響系統(tǒng)中碼相位、載波頻率相位延遲造成同步的不確定。 在衛(wèi)星通信中需要考慮的主要是頻率源的穩(wěn)準(zhǔn)度和多普勒現(xiàn)象。 2．2 同步問題的影響分析 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(hào)為： S（t）=si(t)cos2πft+sq(t)sin2πft (1) 其中si(t)、sq(t)分別為I、Q路已擴(kuò)頻的正交信號(hào)，f為載波頻率。接收端采用正交下變頻法解擴(kuò)，相關(guān)后有：式中T為碼元速率的倒數(shù)，Δf為接收端載波相對(duì)于發(fā)送端載波頻率的偏移，φ為接收端相對(duì)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(dǎo)不難發(fā)現(xiàn)，由于頻偏（Δf）的存在，它對(duì)相關(guān)峰有一定影響，呈Sa(πΔfT)關(guān)系。在頻偏小時(shí)，它對(duì)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(yīng)與收端解碼速率一致，而一般對(duì)碼片采樣點(diǎn)為一整數(shù)，那么此時(shí)收端采樣頻率（fs）應(yīng)與發(fā)端擴(kuò)頻碼速率（RN）的比值為一整數(shù)；不妨設(shè)為M，則有： fs=M%26;#215;RN (5) 設(shè)擴(kuò)頻碼長為LN，每碼片采樣M，則理論上采樣一條擴(kuò)頻碼的樣點(diǎn)值Ns有： Ns=LN%26;#215;M (6) 從上面推導(dǎo)還不可知載波的頻偏只影響盯關(guān)峰峰值，不影響對(duì)擴(kuò)頻碼采樣獲得的樣點(diǎn)數(shù)。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(kuò)頻碼的點(diǎn)數(shù)N’s可能不等于Ns；如果采樣速率f’s>M%26;#215;RN，則估計(jì)出的下一幀擴(kuò)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(yīng)盡可能選用穩(wěn)準(zhǔn)度較高的晶振，盡可能保證傳一幀擴(kuò)頻碼的時(shí)間Ts內(nèi)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，由于沒有任何有用信息，在DSP處理時(shí)，運(yùn)算量非常大，要判斷擴(kuò)頻碼的起始位置，同時(shí)估計(jì)系統(tǒng)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(dāng)前幀時(shí)，將隨后的若干幀丟掉，為了準(zhǔn)確估計(jì)所拋幀數(shù)，一般利用定時(shí)器的定時(shí)功能丟棄數(shù)據(jù)從而間接實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確拋數(shù)據(jù)幀數(shù)據(jù) 。前提是先假設(shè)收發(fā)數(shù)據(jù)流一致，通過估計(jì)傳一幀擴(kuò)頻碼所需時(shí)間來估計(jì)需要拋幀數(shù)據(jù)的時(shí)間。然而，實(shí)際中一般收發(fā)數(shù)據(jù)流不一致，雖然差異較小，但這樣可能因?yàn)槔塾?jì)偏差最后使得起始位置偏離所估計(jì)的位置。這就需要DSP控制DDS來調(diào)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(jì)算法 對(duì)于載波同步時(shí)出現(xiàn)的載波頻偏估計(jì)算法較多，時(shí)域頻偏估計(jì)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估計(jì)頻偏。 頻域估計(jì)頻偏算法是利用FFT變換，通過循環(huán)移位實(shí)現(xiàn)頻譜搬移，在頻域作相關(guān)運(yùn)算，或退出頻域后再在時(shí)域作相關(guān)處理，通過估計(jì)相關(guān)峰最大值所對(duì)應(yīng)的頻偏位置獲得頻偏大小。 在DSP處理時(shí)的搜索階段，可以通過計(jì)算相隔N幀的相位差來估計(jì)頻偏。 公式：Δf=(φN+I-φN)/N (7) 這里考慮的頻偏相對(duì)信息速率不大。如果相對(duì)頻偏較大，為了糾正大的頻偏，可以采取步進(jìn)措施。當(dāng)DSP在同步搜索階段檢測(cè)不同信號(hào)時(shí)，通過DDS微調(diào)，改變下變頻頻率，從而實(shí)現(xiàn)廣域糾頻偏。3．2 收發(fā)端信息流不一致解決算法 對(duì)于收端信息流與發(fā)端信息流速率不一致的情況，由上面基于軟件無線電處理解擴(kuò)分析知道，實(shí)際中一般存在收發(fā)數(shù)據(jù)流不一致，雖然差異較小，但這樣可能因?yàn)槔塾?jì)偏差最后使得起始位置偏離所估計(jì)的位置。因此在運(yùn)算時(shí)，為了獲得精確的擴(kuò)頻碼起始位置，需要一定措施；如果直接處理，可以采用多級(jí)逼近法；開始時(shí)判決在一定的擴(kuò)頻碼起始位置范圍，接收的數(shù)據(jù)經(jīng)過相關(guān)處理，是否滿足判決條件；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(duì)于本系統(tǒng)采用二級(jí)逼近法實(shí)現(xiàn)，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(duì)-實(shí)際兩步法算法。它分兩步進(jìn)行，在檢測(cè)到有效信息時(shí)，先利用相對(duì)位置估計(jì)同步碼的起始位置，它的思想是連續(xù)作兩次同步搜索，記錄各自的擴(kuò)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(kuò)頻碼碼長處理。如果獲得的結(jié)果為零，則說明收發(fā)兩端整數(shù)流頻率一致；如果不為零，說明系統(tǒng)兩端收發(fā)頻率不一致；如果大于零，則說明接收方采樣速率慢，需要調(diào)快收端頻率；如果小于零，則說明接收方采樣速率快，需要調(diào)慢收端頻率；當(dāng)最終調(diào)整到系統(tǒng)收發(fā)頻率一致時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入跟蹤階段，系統(tǒng)在跟蹤階段完成數(shù)據(jù)的解擴(kuò)。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(yàn)算擴(kuò)頻碼起始位置及其前后各幾個(gè)點(diǎn)，具體視系統(tǒng)要求而定。 采用DSP進(jìn)行解擴(kuò)不同于采用純硬件解擴(kuò)，它不但需要考慮載波頻偏的影響，還需要考慮系統(tǒng)同步過程中估計(jì)的擴(kuò)頻起始位置與實(shí)際的擴(kuò)頻碼起始位置不一致的情況，即同步起始位置飄移問題，以及系統(tǒng)同步以后如何保證系統(tǒng)不丟失同步信息。本文就以上兩種情況分別提出相應(yīng)的自滿，以上算法已在某系統(tǒng)中采用，經(jīng)試驗(yàn)證明可以滿足系統(tǒng)要求。