一款用DSP+FPGA實(shí)現(xiàn)的數(shù)字相關(guān)器

引　言

數(shù)字相關(guān)器作為軟件無(wú)線(xiàn)電的典型應(yīng)用，在擴(kuò)頻通信中成為必不可少的技術(shù)。在傳統(tǒng)的擴(kuò)頻通信中，采用模擬器件(如：聲表面波器) 來(lái)實(shí)現(xiàn)解擴(kuò)單元，而用數(shù)字相關(guān)器可以增加系統(tǒng)的靈活性和穩(wěn)定性，因此，對(duì)數(shù)字相關(guān)器的研究具有較大的意義。本文采用DSP+FPGA 的結(jié)構(gòu)，一方面使設(shè)計(jì)更加靈活，同時(shí)也降低了生產(chǎn)的代價(jià)。從通用性上考慮，本文采用零中頻的采樣系統(tǒng)。提出接收端如何正確地把信道中的模擬信號(hào)通過(guò)正確的零中頻采樣及數(shù)字相關(guān)器后恢復(fù)成數(shù)字信號(hào)。本文給出了數(shù)字相關(guān)的算法及仿真結(jié)果，用DSP+FPGA 實(shí)現(xiàn)的算法流程圖，最后給出了系統(tǒng)的實(shí)測(cè)結(jié)果。

解擴(kuò)算法簡(jiǎn)介

發(fā)端的信號(hào)模型
對(duì)于數(shù)字信號(hào)，將其分別投影到I ，Q 兩路正交信號(hào)，其特征相同，因此這里僅對(duì)I 路信號(hào)進(jìn)行分析，同理可得出Q 路信號(hào)。

I 路基帶信息經(jīng)信道編碼后，速率為3.103 kb/s ，碼元間隔為323 μs ， 然后進(jìn)行PN 碼擴(kuò)頻， PN 碼的長(zhǎng)度為1 023 ，速率為3.174 Mcps ，因此，擴(kuò)頻后I 路基帶碼片的速上升為3.174 Mcps ，擴(kuò)頻增益為30 dB。信號(hào)可表示為：

其中an=±1 ，n ∈(0 ，∞) 為信息碼， ck 為擴(kuò)頻碼， gTb (t) 為矩形脈沖， Tb = 310 ns (此處未考慮脈沖成型，通常應(yīng)采用升余弦脈沖) 。

相關(guān)峰捕獲及同步判決算法分析及數(shù)學(xué)推導(dǎo)
在收端，先對(duì)收到的QPSK 信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，解調(diào)采用相干解調(diào)的方式，首先對(duì)模擬基帶波形采樣，對(duì)得到的數(shù)據(jù)流進(jìn)行滑動(dòng)相關(guān)，得到一個(gè)相關(guān)值。由于PN 碼的固有特性，當(dāng)本地PN 碼與數(shù)據(jù)流中的相關(guān)碼對(duì)齊時(shí)(同步) ，便可得到很高的相關(guān)峰，而沒(méi)有對(duì)齊時(shí)(未同步) ，得到的相關(guān)值很小，這種特性一方面降低了系統(tǒng)誤判的可能性，另一方面也提高了系統(tǒng)的抗干擾性能。解調(diào)解擴(kuò)的相應(yīng)框圖如圖1 所示。

圖1 　收端解擴(kuò)解調(diào)模型

假設(shè)信道是高斯白噪聲信道，只存在時(shí)延，高斯白噪聲，沒(méi)有多徑擴(kuò)展，則收到的信號(hào)r( t) 與發(fā)端的信號(hào)s( t)存在以下的關(guān)系：

此處，τ為信道傳播時(shí)延， n( t) 為信道噪聲。經(jīng)過(guò)本地載波相乘后，可得r′I ( t) 表達(dá)式如下：

　　由于本地載波是接收到的信號(hào)經(jīng)過(guò)鎖相環(huán)提取的，故信道時(shí)延帶來(lái)的載波時(shí)延也能被捕獲，故用cos ωc( t - τ)來(lái)表示本地載波。

r′I ( t) 經(jīng)過(guò)一低通濾波器， 得到r I ( t) ， 為討論方便，假設(shè)低通濾波器能濾除二倍頻分量，同時(shí)通帶內(nèi)的相應(yīng)為常數(shù)2 。

　　由此可見(jiàn)，在理想情況下，可將發(fā)端I 路的信號(hào)得到恢復(fù)，事實(shí)上已經(jīng)完成了解調(diào)任務(wù)。接下來(lái)就是AD 采樣，在這里把AD 采樣的速率設(shè)定為切普碼率的4 倍，相當(dāng)于在做相關(guān)時(shí)，有4 路信號(hào)可供計(jì)算，這樣做的好處是每次優(yōu)選最好的一路，提高接收性能。事實(shí)上，采樣率越高對(duì)于性能的提高越有好處，但是不能無(wú)限度地提高，因?yàn)楹蠖说臄?shù)字器件有一個(gè)處理能力的限制。由于4 路采樣信號(hào)在數(shù)字解擴(kuò)模塊的處理是相互獨(dú)立的，所以這里只對(duì)一路采樣信號(hào)進(jìn)行研究。由于只對(duì)一路信號(hào)進(jìn)行研究，所以采樣率Ts 可等效為切普速率， 本系統(tǒng)中Ts =1/3.1M。