基于软件无线电的数字接收机的设计与实现

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基于软件无线电的数字接收机的设计与实现!Q:ScienceandTechnologyConsultingHerald基于软件无线电的数字接收机的设计与实现高亮亮(西安电子工程研究所西安710100)工程技术摘要:本文根据软件无线电思想,采用可编程器件FPGA实现直扩系统中频数字化接收机;并给出了带通采样技术,中频数字化,数字下变频,伪码捕获与跟踪等关键技术问题的解决方案.关键词:软件无线电带通采样数字下变频伪码中图分类号:TN9l4.3文献标识码:A文章编号:1673—0534(2007)03(b)一006402i弓I言扩频通信技术具有抗干扰,抗噪声,抗多径干扰,保密性好,功率谱密度低,具有隐蔽性和低的截获概率,可实现码分多址以及高精度测量等许多优点,广泛应用于军事通信,电子对抗以及导航,测量等各个领域,已成为无线通信物理层的主要通信手段.所谓直接序列(DS)扩频,就是直接用具有高码率的扩颁码序列在发端去扩展信号的频谱.而在收端,用相同的扩频码序列去进行解扩,把展宽的扩频信号还原成原始的信息;原理框图如图l所示.软件无线电核心思想是对由天线感应的 射频模拟信号尽可能早的直接进行数字化,将其变为适合于DSP或计算机处理的数据流.然后通过软件(算法)完成各种功能,使其具有更好的可扩展性和环境适应性,理想软件无线电的组成结构如图2.2系统的设计与实现经比较,软件无线电宽带中频带通采样结构与目前的中频数字化接收机的结构类似,其主要区别是前者中频带宽更宽,所有的调制解调等功能全由软件加以实现.这种软件无线电结构通过相对复杂的射频前端把高频信号变换为中心频率适中,带宽适中的宽带中频信号,给后续的A/D采样数字化减轻了负担,使A/D设计大大简化,且比常用的窄带超外差前端更为简单,是较为可行的基于软件无线思想的通信系统设计方案(如图3).本系统中中频数字接收机主要完成下述功能:中频模拟信号的高速AD带通采样,数字下变频,伪码同步,相干载波提取和数据恢复;结构如图4所示.与AD接口的前端需要很高的处理速度,但处理的算法比较简单,FPGA器件独特的并行实时处理的特点刚好可以在这里得到体现,因此,ADC以后的数字信号处理全部由FPGA来实现.以下对几个关键问题进行分析.1)高速AD带通采样对中频数字化来说,采样时钟速率的选择对解调处理很重要,由于目前使用的多是 窄带信号,根据Nyquist带通采样定理,采样速率在满足大干信号带宽两倍的情况下,选取远远低于信号最高频率的两倍速率就能正确地反映带通信号的特性,带通采样减少了抽样点数目,同时还达到降低信号中频的作用,很大程度上减少了后续数字信号的处理负担.这些处理降低了系统对ADC器件的性能要求,在实际使用中采用一些通用芯片就可以满足要求.由于采用了带通采样技术,AD的采样率不能任意选取.由带通采样定理可知,带通采样率,s应满足下式:ss+l厂,1其中n要满足1≤≤,#I昔I式中为带通信号的最高频率,'为带通信号的最低频率,B为信号带宽.,【.】表示取不大干括号内数值的整数.2)数字下变频通过数字下变频(DigitalDownConversion,DDC)将采样后的载频信号变换成零中频信号,即基带信号,是数字中频处理的目的.由本地NCO,数字混频器和低通一圈l赢接序判扩辗通信系统壤理框豳2矮想软件无线电的组成结构64科技咨询导报ScienceandTechnologyConsultingHeraldFIR滤波器组成,图5给出了DDC模块框图.DDC工作时,每向DDC输入一个信号采 样样本,NC0就增加一个2万?/相位增量,然后,以∑2.,//,相位累加角度作为地址,检查该地址上的数值并输出到数字混频器,与信号样本相乘.乘积样本再经低通滤波器滤波输出,即完成了数字下变频.数控振荡器(NCO)是决定数字下变频性能的主要因素之一.NCO的目标是产生频率可变的正交正.余弦样本,在FPGA中,NCO采用直接数字频率合成(DDS)的方法来实现.其由三部分组成:相位累加器,相位加法器及正弦表只读存储器.相位累加器的作用就是将数字本振频率和本振偏移频率之和转换成相位,每来一个时钟脉冲,相位在原来的基础上增加一个相位增量,相位加法器的功能是设置一定的初始相位以满足某些应用的需要.相位的正弦值用查正弦表(LookUPTable,LUT)求得.过程如下:sin[n1=sin[2n'n/lvlI,cos[r/1=cos[2n'n/N】其中,n是输入的LuT的地址,N是LUT的采样数,sinln]是在点2万/Ⅳ处的正弦值,cosln]是在点Drn/N处的余弦值.当n从0到N改变时,LUT会输出一个完整的正余弦值.考虑到正弦信号的对称性,只存放l/4的波形,其余3个象限的波形通过简单换算完成.如果采样速率刚好是数字中频的4倍,那么乘以正弦波就相当于乘以0,l,0和一l,乘以余弦波就相当于乘以l,0,一l和0.3伪码捕获与跟踪 实现本地伪随机码与接收信号的同步是扩频接收机的关键技术.伪码的同步可分为捕获和跟踪两个过程.设接收机接收来自前端的中频信号第i个采样值为:Sii)=42pd(i)[(1+4)nlPN[O+)f一l×cosDo,)1+(f)式中:p到达接收机的扩频信号功率;载波的初始相位;受多普勒频移影响的码速率/偏移的归一化值,=l/¨码相位时延的归一/一化值,;采样周期;码元宽度;,分别为载波和多普勒频移的角频率;n(i)带限高斯白噪声经过射频滤波器和采样器后的输出序列,均值为零,双边带功率谱密度为/'在不考虑噪声的情况下,在与本地产生的载波和伪码相关以后,经过积分清洗器后工程技术觉带,多DDClC=高速DSP处理,圈3{颧数字化的软件光线电结构4频接收机缘理框豳一～一……～一一～…一……一'.'…一—FPGA ～』输入～…}滤}l-数嚣一懒式…一.滤∞l卺降外部￡_I.T丁州钟5DDC模块框图7璀rFFrr{J捕获原理框图的第k次输出信号值为Ilkl=2pl"[k)]sin【△%(女)/2]XCOS)g(女)=42pf女l研/)]sindA似)/2]Xsin)式中:震【()1接收伪码和本地伪码自相关函数的均值部分;p(k)接收信号伪码相位和本地伪码相位的偏差;积分时间;△多普勒频差.由上式可见,只有当本地产生的伪码序列速率和相位与接收的伪码速率和相位相匹配,本地的载波频率跟踪上多普勒频移时,I和Q两路信号的幅值才能达到最大.所以扩频信号的捕获包括伪码相位的初始同步和多普勒频移的初始估计.在搜索过程中,码相位步进量为半个码相位单元,多普勒频移步进量为一个多普勒频移单元,则一个码相位搜索单元和一个多普勒搜索单元就构成了二维搜索空间的一个搜索单元.当相关结果高于预设 信号检测门限时,伪码捕获完成.由以上分析可知,如果能够同时搜索所有的码相位单元,捕获时间将大幅度降低.要在一个伪码周期内同时搜索所有的码相位单元就需要循环移动本地伪码相位与接收码进行相关,当本地码与接收到的伪码相位完全一致时产生最大相关峰值.这种循环卷积的过程可以用下式表示融):∑S(i)PN(i+m).m=0Il'L-1fI式中:L为伪码序列长度.显然,如果直接计算上式,计算量非常大,正比于L.但如果利用时域的循环卷积等价于频域的相乘,转化到频域利用快速傅里叶变换来计算将会大幅度缩短运算时间.(㈣=∑SIiPN(i+m)=0(一f)=1Ft~7'【Ⅳ(女))Fr(PⅣ(女))]输入信号形成I,Q两路可得/Q=:S(i)exp[一,(吐IL一曲)f1MC|M,FI叶'FF1PN.PN2MPN,S,xp卜,(一J】 s2辱p卜J(—m)2】M,~exp[一(一ma)LT,】RO.)R(2,)MR(.):lFHC.cM从以上分析可知,如果码相位按7'/2搜索,理论上基于FFT的并行捕获算法要比顺序搜索要快2L倍(L为伪码序列长度),实际上,只有在数字信号处理器能在一个驻留时间内处理2L点的FFT才能获得上述增益.并且还必须在所有多普勒频移单元上进行搜索.通过软件编程实现捕获算法,一方面节省了硬件开销,另一方面增加了系统的灵活性,便于移植.4结语本文结合直接序列扩频测控系统的中频数字接收的实现,讨论了基于软件无线电中频数字接收的几个关键问题.由于采用了灵活性高,在系统可编程,高集成度的FPGA器件,因此,在这硬件平台上只需对FPGA的加载程序加以修改,便可实现其他系统的中频数字接收. 参考文献【1JE4L,王银锋,何川.信号捕获与跟踪策略确定及实现.北京航空航天大学,l999l25(2):l34～l37.[2J徐志军,徐光辉.CPLD/FPGA的开发与应用.北京:电子工业出版社,2002.[3J杨小牛,楼才义,徐建良.软件无线电原理与应用[MJ.北京:电子工业出版社,2001:8—206.科技咨询导报ScienceandTechnologyConsultingHerald65