（通信与信息系统专业论文）图像扩频传输关键技术的研究.pdf

摘要 本文首先论述了扩频及数字接收机的优点，然后根掘实际系统的要求，提m 一种全数字接收机结构，并对这种接收机在高斯白噪声下的误码率性能做出了分 析，对其中的关键技术：a d 采样、d d c 、p n 码的数字化捕获、码跟踪、位定时和 载波跟踪等进行了分析论证，给出了相应的性能分析曲线；提出一系列适合f p g a 实现的新算法、新思路。并给出了数字接收机关键模块的p g a 实现方法。最后给 出了这种系统的实际测试结果。 关键字：数字接收机d sq p s kf p g a a b s t r a c t b a s e do nt h eo v e r v i e wo fa d v a n t a g eo ft h ed i g i t a lr e c e i v e r , t h ep a p e rp r e s e n t sa n e ws t r u c t u r eu s e di nt h ed i g i t a lr e c e i v e ra c c o r d i n gt ot h ed e m a n do ft h es y s t e ma n d a n a l y z e st h es y s t e mp e r f o r m a n c ei na w g nc h a n n e l t h ed i s s e r t a t i o ns t u d i e so ns o m ek e y t e c h n i q u e sw h i c hf o c u s o nt h es a m p l eo fa d d i g i t a ld o w nc o n v e r t e r , t h ea c q u i s i t i o no fp nc o d e ，t h et r a c k i n go fp nc o d ea n dc a r r i e r a n dt h ea l g o r i t h mo fs y m b o lt i m i n g ，p r o v i d i n gac o r r e s p o n d i n gs i m u l a t i o nc u r v e s u b s e q u e n t l yas e r i e so fn e wa l g o r i t h m sh a v eb e e np r e s e n t e dw h i c ha r es u i t e dt o i m p l e m e n t a t i o nw i t hf p g a f i n a l l y , t h ed e s i g n o ft h ek e ym o d u l e si nt h ed i g i t a l r e c e i v e rh a v eb e e np r o v i d e d k e y w o r d ：d i g i t a lr e c e i v e rd sq p s k f p g a 创新性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师的指导下进行的研究工作及所取得的 研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文 中不包含其他人已发表或撰写过的研究成果：也不包含为获得西安电子科技大学 或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一起工作的同志所做的任何 贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 本人签名：奎垂：主日期：竺：i 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：学校 有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或 部分内容，可以允许采用影印、缩印、或其它复制手段保存论文。 ( 保密后的论文在解密后遵守此规定) 本人签名：生至茔日期：型生f ：z 导师签名 张之孚 日期：兰竺竺垒! ：z 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究的目的 在无线电技术领域，无线电处理的主要对象是电磁波，无线电系统中的接收 天线首先把电磁波转化成电信号，然后馈入到接收系统进行必要的分析和处理。 在2 0 世纪7 0 年代以前，对电磁信号的处理主要以模拟处理方式为主，包含有滤 波、放大、混频、检测等。模拟处理方式不仅缺乏灵活性、可扩展性，而且每一 环节都会不同程度的引入各种非线性失真，导致接收系统性能下降，功能失效。 8 0 年代以后，随着微电子技术的迅猛发展，数字信号处理技术开始得到广泛应用， 并逐步显示出模拟处理方式所不具备的优越性。 扩频通信的基本特点是传输信息所用带宽远远大于信息本身的带宽。习为扩 展了信号频谱，使扩频通信具有抗干扰能力强，截获率低、信号隐蔽等一系列特 点。国外从4 0 年代开始这方面的研究工作，到8 0 年代它已广泛应用各战略和战 术通信中。在d s c d m a 系统的实现上，最早采用模拟技术。近年来，随着数字信 号处理技术的飞速发展和v l s i 工艺的迅速提高，人们越来越倾向于尽可能的用数 字技术取代原来的模拟技术。采用数字技术，不仅可以避免模拟器件固有失真和 器件的离散性对系统性能的恶化，而且可以提高系统的可靠性、灵活性、集成度。 对于一个数字化d s c d m a 接收机，除了天线和射频采用模拟器件外，中频和基带 处理和其他逻辑控制均可采用数字技术实现。近年来，电子设计自动化技术发展 迅速，极大的提高了数字系统的开发效率和可靠性。采用硬件描述语言( h d l ) 描 述系统的行为的功能，利用e d a 工具进行设计的综合验证、布局布线，用可编程 逻辑器件设计整个接收机的中频和基带处理部分已成为通信发展的趋势。 本项目来源于某图像传输系统，包括交织、卷积编码、成形滤波和相应的解 扩解调、解交织、卷积译码等部分。本论文主要阐述了其中的关键技术之一： d s d q p s k 数字接收机的理论和实现。 1 2 各章节安排 本文以后各章节的安排如下： 第二章介绍了扩频通信的基本概念和基础理论。 第三章提出了数字化解调解扩的整体结构，并分析了这种结构在高斯白噪声 信道下的性能，并概述了其工程实践的关键技术。 2h 像扩频传输关键技术的研究 第四章论述了数字接收机的a d 采样和数字下变频部分。主要包括中频采样 频率的选取，采样后信号频谱的分布、量化噪声。最后重点论述了d d c ( 数字下变 频) 的f p c , a 实现，分析了影响d d c 性能的各种因素。 第扛章给出了数字接收机的一种新载波跟踪算法。本算法基于正交扩频的 q i ，s k 信号的正交特性。 第六章给出了数字接收机关键技术之一的p n 码捕获、码跟踪及位定时的算法， 分析了其在高斯白噪声信道下的捕获概率虚警概率、码跟踪性能。并且对其f p g a 实现做了一定的说明。 第七章给出了系统实测的各项测试值。 1 3 本人所作的工作 本人研究了数字化解调解扩的关键技术，针对实际系统的指标要求，提出了 适合f p g a 实现的数字化解调解扩的结构：并针对工程实际特点，对其关键技术： p n 码的捕获、码跟踪、载波同步跟踪、位定时等进行了分析、改进。进而提出一 系列的解决方法；并且此基础上使用f p g a 芯片完成此工程，经测试达到指标要 求。 第二章扩频技术的基础理论 第二章扩频技术的基础理论 2 1 引言 本论文所研究的是直接序列扩频的全数字解扩解调技术。为此，我们在本章 对扩频技术的基础理论加以分析介绍。扩展频谱通信是指将待传信息的频谱由某 个特定的扩频函数扩展成宽频带信号再送入信道中传输，收端利用相应的手段将 宽带信号压缩到基带信号带宽，从而完成信息传输的技术 2 2 扩频系统的特点 扩频通信按其工作方式可分为l ：直接序列扩频( d s ) ，2 ：跳频( f h ) ，3 ：跳 时( t h ) ，4 ：以上几种方式的组合。 扩频技术有以下五个特点 1 抗干扰能力强 扩频通信系统扩展的频谱越宽，处理增益越高，抗干扰能力越强。它 可在信噪比很低的情况下把信号从湮没的噪声中提取出来。此外，对于单 频及多频噪声信号的干扰、其它伪随机调制的干扰，以及脉冲正弦信号的 干扰，扩频系统都有抑制干扰提高输出信噪比的作用。特别是对抗敌方人 为干扰，效果很突出。另外，由于在接收端采用了扩频码序列进行相关检 测，即使采用同类型信号进行干扰，如果不能检测出有用信号的码序列， 由于不同码序列之间不同的相关性，干扰也起不了作用。抗干扰能力强是 扩频通信最突出的优点。 2 可进行多址通信 在扩频通信中，如果让许多用户共用很宽的频带，在码序列的扩频调 制中，充分利用它们之间优良的自相关特性和互相关特性，在接收端利用 自相关检测技术进行解扩，则在分配给不同用户不同码型的情况下可以区 分不同用户，提取有用信号。 3 安全保密 由于发送信号在很宽的频带上被扩展了，单位频带内的功率就很小，即 信号的功率谱密度很低，所以信号可湮没在噪声里，敌方很不容易发现。 因此，扩频信号具有很低的截获概率，在军事上十分有用，可以隐蔽通信。 4 抗多径干扰 直扩系统有较强的抗多径干扰的能力，多径信号到达接收端，由于利 图像扩频传输关键技术的研究 用了伪随机码的相关特性，只要多径延时超过伪随机码的一个码片，则通 过相关处理后，可消除这种多径干扰的影响。 5 能精确测距 在扩频通信中，扩展频谱很宽，意味着采用的扩频码速率很高，每个 码片占用的时间很短。发射的扩频信号被反射回来后，在接收端精确跟踪 扩频码序列，然后比较收发两码序列相位差，就可以精确测出时间差，从 而算出二者之间的距离。 2 3 直接序列扩频 直接序列扩频系统又称为直接序列调制系统或伪噪声系统，简称直扩系统， 是目前应用较为广泛的一种扩展频谱系统。直接序列扩频系统是将要发送的信息 用伪随机序列扩展到一个很宽的频带上去，在接受端，用于发端扩展用的相同的 伪随机序列对接收的信号进行相关处理，恢复出原来的信息。干扰信号由于与伪 随机序列不相关，在接受端被扩展，使落到信号频带内的干扰信号功率大大减低， 从而提高了系统的输入信噪比。 2 3 1 系统组成及工作原理 i n ( 2 - 1 ) 为直扩系统的组成原理框图。扩频模块将信码a ( t ) 与伪随机码c ( t ) 进行 模二加，产生一速率与伪随机码速率相同的序列，然后再用扩频序列去调制载波， 这样就得到扩频信号的射频信号。 ( a ) 在接受端，接收的信号混频后，用与发射端同步的伪随机序列对中频的扩频 调制信号进行相关解扩，将信号的频带恢复为信息序列a ( t ) 的频带，为中频或调制 信号，然后再进行解调，恢复出所传输的信息a ( t ) ，从而完成信息的传输。 第二章扩频技术的基础理论 u 多网鬻”寸 ! 同步= 同步| ( b ) 图2 1 直扩系统组成框图 ( a ) 发射( b ) 接收 假设信源产生的信号a ( t ) 为信息流，码元宽度l d ( r ) = 口g ( t - n l ) ( 2 1 ) 式中，a 。为信息码，g 。( f ) 为门函数，即 “归 揽 陆z ， 伪随机序列发生器产生的伪随机序列c ( t ) ，码片宽度为t 。 c ( f ) = 气g 。( 卜n l ) ( 2 3 ) c 。( r ) 伪随机码码片，取值+ 1 或一1 ，g 。( f ) 为门函数。 扩频过程实质上是信息流( f ) 与伪随机序列c ( t ) 的模- - d d 或相乘的过程。伪随 机码速率比信息速率高的多，所以扩展后的序列的速率仍为伪随机码速率。扩展 后的序列d ( t ) 为： 式中 d ( ，) = d ( f ) c ( ，) = d g 。( 卜玎瓦) ( 2 4 ) 在( 一1 ) t ，n t ( 2 5 ) 用扩展后的序列d ( t ) 去调制载波，将信号搬移到载频上。 c c | | d + 一 f。1 = d 图像扩频传输关键技术的研究 接收端经高放和混频后，得到包括以下几部分的信号：有用信号s ，( f ) 、信道 噪声 ，( f ) 、干扰信号，( ) ，即混频后的信号为 _ ( ，) = s i ( t ) + ”，( ，) + i ，( f ) ( 2 - 6 ) 接收端的伪随机码产生器产生的伪随机序列与发端产生的伪随机序列相同， 为一( r ) ，解扩过程与扩频过程相同，用本地的伪随机序列c ( f ) 与接收到的信号相 乘，得到： ( 1 ) = 0 ( t ) c ( f ) = s ，( t ) c ( ，) + ，( t ) c 0 ) + ，( f ) c ( f ) ( 2 7 ) = s ，( f ) + n ，0 ) + l ，( r ) 下面分别对上面三个分量进行分析，首先看信号分量，( r ) ， 5 ，( ) = s l ( ) 。( ) ( 2 - 8 ) = 口o ) c o 弦( r ) c o s 万，r 若本地产生的伪随机序列c ( f ) 与发端产生的伪随机序列c ( t ) 同步时即 c ( ，) = c ( t ) ，有一( f ) c ( f ) = 1 ，这样，信号分量j j ( f ) 为 s 心) = a ( t ) c o s 。心) ( 2 - 9 ) 送入后面的解调器可将信号正确解调出来。 对噪声分量n j ( f ) 、干扰分量一( r ) 经解扩处理后，被大大削弱了。”j ( f ) 分量， 一般为高斯带限白噪声，因而用c ( ，) 处理后，谱密度基本不变，但相对带宽改变， 因而噪声功率减低。l ，：( f ) 分量，是人为干扰信号引起的，由于与伪随机码不相关， 因此，相乘过程相当于频谱扩展过程，将干扰信号功率分散到一很宽的频带上， 谱密度减低，相乘后接的滤波器只能让有用信号通过，这样，能够进入到解调器 输入端的干扰功率只是与信号频带相同的那一部分。解扩前后的带宽相差很大， 因而解扩后的干扰功率大大减低，提高了解调器输入端的信干比，从而提高了系 统抗干扰的能力。 二33 扩频系统的处理增益与干扰容限 不同的扩频技术，其抗干扰机理和对不同干扰的抵抗能力是不同的。例如d s 第二章扩频技术的基础理论 技术通过相关处理把干扰信号频谱扩散，降低信息带宽内的干扰功率：f h 技术则 采用随机改变频率躲避干扰的方法。处理增益和干扰容限是衡量扩频系统性能的 两个重要参数。 1 处理增益 在扩频系统中，传输信号在扩频和解扩的处理过程中，扩展频谱系统的抗干 扰性能得到提高，这种扩频增益得到的好处，就称之为扩频系统的处理增益，其 定义为接收相关处理器输出与输入信噪比的比值，即 g ，：燃：丌- , t n o ( 2 - 1 0 )” 输入信噪比s ， n 一般用分贝表示，为 s a g ，= 1 0 1 9 - 等( d b ) ( 2 _ 1 1 ) n ， 对于直扩系统，解扩器的输入输出信号功率不变，但对于干扰信号而言，由 于解扩过程相当于干扰信号的扩展过程，干扰信号功率分散到很宽的频带上，进 入解调器输入端的干扰功率下降很大，即干扰功率在解扩前后发生了变化，因此， 对直扩系统而言，其处理增益就是干扰功率减少的倍数。 设一个干扰信号与信号的功率关系相同，干扰谱密度为a ，功率为p ，经接收 机c ( t ) 扩展到兀一六 + 正的频带上，带宽b = 2 正j 干扰功率谱密度为a ，降低 了n 倍，扩展前后的干扰功率不变，即有 p ，= 2 无一= 2 z a ( 2 - 1 2 ) 可得 “= 了j 4 a 彳= ( 2 - 1 3 ) 进入信号频带( 一无，兀+ 五) 内的干扰功率为 p ，i = 2 ，a =2无万a(2-14) 则系统的处理增益为 幽像扩频传输关键技术的研究 j p j n = 上b m = 砜 ( 2 - 1 5 ) p |ob ， bx 、 由此可见，直扩系统的处理增益为扩频信号射频带宽与传输的信息带宽的比 值，或伪随机码速率r 。与信息速率r 。的比值，也即直扩系统的扩频倍数。应注意 的是式( 2 1 5 ) 给出的处理增益表达式是在特定的条件下得到的，对于不同的干扰信 号，其处理增益也有所不同，但对扩频系统抗干扰性能的分析可以看出，对不同 的干扰，抗干扰性能均与式( 2 1 5 ) 所描述的处理增益有关，即均与其扩展倍数成正 比。因此，扩频系统的处理增益定义为射频带宽与信息带宽的比值。 一般情况下，发送信息的带宽是不变的，要提高扩频系统的抗干扰能力，就 应提高扩频系统的处理增益，也就是提高扩频用的伪随机码的速率，当码速率增 加到一定程度的时候，会受到很多客观因素的影响，如硬件实现的难度，代价等。 2 干扰容限 所谓干扰容限，是指在保证系统正常工作的条件下，接收机能够承受的干扰 信号比有用信号的分贝数，用m ，表示。 c m j 2g p - 【三一+ ( 专) 。 d b ( 2 _ 1 6 ) 式中 三。系统内部损耗； ( ) 。系统正常工作时要求的最小输出信噪比： g 。系统处理增益。 干扰容限直接反映了扩频系统接收机可能容忍的极限干扰强度，即只有当干 扰功率超过干扰容限后，才能对扩频系统形成干扰。因此，干扰容限是处理增益 的间接表示。 2 3 4 软扩频 在些系统中，数据速率很高，为了提高系统的抗干扰性能，应采用扩频技 术，若采用一般的扩频技术，其伪随机码速率就很高，射频带宽就非常宽，在一 些频带受限的系统中多采用一种软扩频技术。 软扩频与上面讲的直扩技术有如下的不同之处：一般的直扩实现是将信息码 与伪随机码进行模二加来获得扩震后的序列，并且一般的扩频伪随机码的码速率 尺。远大于信息码速率r 。，“以= n 为整数。而软扩频一般采用编码的方法来完 民一s 、 = g 第二章扩频技术的基础理论 成频谱的扩展，即用几位信息码元对应一条伪随机码。 软扩频实际上是一种( n ，k ) 的编码，用长度为n 的伪随机码去代表k 位信息，k 位信息有2 个状态，则需要2 。个不同的p n 码状态。 图2 2 软扩频实现框图 由于用不同的伪随机码去表示k 位信息的不同状态，因此要求所用的2 。条伪 随机码的码距要大，相关性要好。确切的讲，希望这2 。条伪随机码的自相关性要 好、互相关特性及部分相关特性都要好，这样才能保证在接收端较好的完成扩频 信号的解扩解调，换句话说，要求这2 条伪随机码正交。我们以后的误码性能、 捕获概率、跟踪特性的分析均基于这2 条伪随机码是正交的。 2 4 小结 本章对扩频的概念、扩频的结构、扩频的优点等进行了简单的介绍。重点对扩 频的结构、扩频增益等进行了分析，最后对软扩频进行了介绍。 幽像扩蜘l 传输关键技术的研究 第三章数字化接收机整体结构及其性能分析 解调、解扩的结构与调制、扩频的结构息息相关的。也可以说调制、扩频的 结构决定了解调、解扩的结构。为此有必要对调制、扩频的结构进行分析。 3 1 调制、扩频结构 某系统，发端图像信息经压缩后的速率是3 8 4 k b p s ，信遂编码采用2 3 卷积， 编码后码速率变为5 7 6 k b p s 。如果采用直接序列扩频，要获得1 8 d b 的扩频增益， 扩频后的码速率将达到3 6 8 6 m b p s 。如此高码速率的扩频与解扩，用f p g a 实现解 扩解调是很困难的。为此，我们采用以下结构。 图3 i 调制、扩频结构框图 因此，扩频后的数据速率是 5 7 6 k b p s 4 6 4 = 9 2 1 6 m b p s 在i 路、q 路，若用两个信息位映射一段p n 码，发射的信息共有四种组合( 1 0 ， o o ，0 1 ，1 1 ) 。相应的需要p n 码的四种状态来对应，可用两个p n 码的正负来对应 信息的四种状态。即用一种双正交扩频方式，在i 路的信息与p n 码的对应如图 3 2 所示。 0 0 + 一 p n l 11 。一p n l 1 0 一。一。p n 0 1 。一一_ _ 一刚 图3 2p n 码与信息的映射关系图 第三章数字接收机整体结构及性能分析 在这里，p _ v 。，p ：是两两正交的6 4 位码字。q 路也是采用和i 路相同的映射 关系，只不过采用的码字是和p ，p ，正交的p ，p 。i 、q 路在某一时刻只发 送一个p n 码，这样调制后的信号就是恒包络的。 3 2q p s k 数字接收机结构和关键技术 全数字电路具有调试简单、可移植性好、可通过编程改变系统参数，满足不 同系统的要求。因此我们设计一全数字电路，整体结构如图3 3 所示。 图3 3 解调、解扩整体结构框图 我们采用解调解扩一体化的结构，接收机送来的模拟信号直接送入a d 转换 器进行模数转换。a d 转换后的数字信号分别送到两乘法器，与相互正交的两路 n c o 信号s i n ( ) 、c o s ( ) 进行数字相乘。经过低通滤波器后，对i 、q 路信号进行正 交解扩。从解扩的信号中提取控制p n 码生成器的误差信息，使收发双方的p n 码 相位一致，同时提取出控制n c o 频率、相位的误差信号，来对n c o 的输出频率、 相位进行反馈控制。达到收发同步的目的。 根据数字化发展的趋势和系统的实际需要，我们采用了以下硬件结构：x i l i n x 公司的x c v 6 0 0 ，x c v 3 0 0 各一片，一片a d 9 8 5 2 。a d 9 8 5 2 完成中频信号的采样功能， 采样后的数据送入x c v 6 0 0 ，在x c v 6 0 0 中完成下变频、解调、解扩。解扩解调后的 1 6 电平数据送入x c v 3 0 0 ，由x c v 3 0 0 完成卷积码的软判译码。这样可以避免使用模 拟器件引起的种种弊端，另外输入a d 9 8 5 2 的中频频率可变的。譬如假设某系统 a d 9 8 5 2 的工作时钟是5 5 2 9 6 m h z ，中频信号的中心频率是7 0 m h z ：除7 0 i v i h z 频 率外，系统可正常工作在( 5 5 2 9 6 + 7 0 n ) m h z f n = i ，2 一) ，而系统不需要任何改动。 采样频率的选取、如何在x c v 6 0 0 中完成数字下变频、p n 码的捕获、码跟踪 2 图像扩频传输关键技术的研究 以及钱波跟踪等都是系统的关键技术。 图3 4 硬件实物图 3 3 数字接收机性能分析和仿真 我们首先分析了不同软扩频的性能，然后给出图3 1 的扩频方式下，数字接收 机的误码率仿真曲线图。 1 m 元正交信号的错误概率 所谓m 元正交信号是指，用m 个正交信号集来映射k 个发送信息。其中 m = 2 。，并且这m 个信号集中的信号两两正交。在这里m 个正交信号就是m 个 正交的伪随机码。对于等能量的正交信号，最佳检测器选择能在接收信号向量r 与m 个可能发送信号向量 s 。，) 之间产生最大互相关值的发送信号，即 c ( r ，s 。) = r + j 。= 6 j 。t 肌= 1 ，2 ，m ( 3 1 ) k = l 为了评估错误概率，假定发送信号量，那么接收信号向量为 r = 【蟊+ h l玎2 肛 ，】 ( 3 2 ) 式中，蟊表示k 个符号能量，而”。，n ：，是零均值且等方差仃。2 ：昙。的相互 统计独立的高斯随机变量。在这种情况下，m 个相关器组的输出为 c ( ) = 万( 万+ 啊) ( 3 3 ) c ( r 。j 2 ) = 蠡”： ( 3 - 4 ) c ( r ，s 3 ) = 蟊 ( 3 - 5 ) 第三章数字接收机髅体结构及性能分析 c ( r ，j m ) = f n n 。( 3 6 ) 归一化后的第一个相关器的p d f 是 肌，= 击唧卜譬， 睁， 其余m 一1 个相关器的输出的p d f 为： “2 击e x p 卜嘉一2 3 埘 ( 3 - 8 ) 检测器正确判决的概率就是r l 大于其他m 一1 个相关器的输出的概率，可表示为： 足= e p ( 行： 1 ，n ， _ ， _ i _ p ( ，1 ) 奶( 3 - 9 ) 式中，( 2 ， ， m 1 ) 表示在任何给定1 条件下q 2 ，”- ，以。同时小 t - r l 的联合概率。因为n ：，n ，n 。相互独立。而 p ( 行m o 且1 超过i 。i = i f ，咖：2 ，3 ，当m ) 的概率。 剐州 o ) = 击e x p ( 一边 ( 3 1 1 8 ) 正确判决的概率为 只= r ( 志i ：l e 卅皿 ( _ 地 ( 3 - 1 9 ) 将p ( ，1 ) 代入上式，得到： 胪b 、e x p ( 一。皿) 等e x p ( 一争幽 ( 3 _ 2 。) 符号错误概率= l 一只。 比较m 元正交信号和m 元双正交信号的错误概率，可得m 元双正交信号的 第三章数字接收机整体结构及性能分析 性能优于m 元正交信号的性能，并且在实际应用中，扩频对m 元双正交信号只需 要肘个两两正交的信号，这样可大大减轻了正交码选取的负担；另外在接收端 ， m 元双正交信号只需要k m 个互相关器或匹配滤波器，而m 元正交信号需用m ，。 个互相关器或匹配滤波器，大约可节省一半的硬件资源，所以一般采用m 元双正 交信号扩频方式。 3 四元双正交扩频解扩结构及其性能分析 根据最佳接收机理论，我们设计一四元双正交扩频的解扩结构。因为i 、0 是 完全对称的，因此只分析i 路的解扩结构。若不考虑p n 码的跟踪结构，i 路的解 扩器主要由相关器、幅度比较器和p n 码到信息映射电路组成。i 路信息同时输入 两个相关器，然后比较两相关器的输出包络，输出较大的一路；在6 4 2 b i t 的逻辑 电路中完成p n 码到信息位的映射。最后i 、q 路串并输出。 图3 5 相关解扩结构框图 由p n ，误判成p n j 的概率分别是半，半，由p n 误判为一删，的概率 pp ( 1 一) ：。：。( 3 2 1 ) 由于p m 与p n ，的空间距离小于矾与附，的空间距离，所以2 乃 ，只，：尸。、， 只：半+ 等q 峨：7 ( 1 2 2 ) 其中p u t = i - 委去艮( r 1 ) d r l , a = r l * 历n 。p z 。， 幽像扩频传输关键技术的研究 小j 面1 d 孚蜊川，脚+ 所以简化可得：只：拿( 3 - 2 5 ) m 瞿 龟! ! ! i h i l l 弋 ，；) 一“一k 卜一：、i e = 第三章数字接收机整体结构及性能分析 仿真参数：收发双方存在1 0 k h z 的频差，中频7 0 m h z ，信源速率5 7 6 k b p s ，采用 图3 1 的调制和扩频方式，扩频后的码速率9 2 1 6 m b p s ，解调解扩的结构扳照图3 - 3 的结构。由图3 7 可以看出解调解扩的整体性能比实际性能略差，主要是由于量化 误差、有限字长效应、滤除二次谐波的c i c 滤波器的性能不理想和收发双方频差 引起的。 3 4 小结 本章介绍了调制、正交扩频结构，然后提出了一种相应的解调、解扩的全数 字接收机结构，然后分析了这种结构在高斯自噪声信道下的误码率性能。 图像扩频传输关键技术的研究 第四章数字下变频的f p g a 实现 要实现无线电收发信机的数字化，关键技术就是模数转换即d d c 部分。模数 转换和d d c 的性能直接关系到后端处理的难易程度和整个数字系统的性能。在本 章我们主要讨论模数转换及d d c 的f p g a 实现。 4 1中频采样的理论基础 一般通信系统中需要处理的信号都是带通信号，尽管载波频率很高，但是需 要处理的信号相对于载波频率而言是比较窄的，对于这样的信号，利用带通采样 的方法，可以大大降低采样频率，同时还可以完成频谱下搬移的过程。注意使用 带通采样时，为了保证不发生频谱混叠，采样频率、信号最高频率、最低频率和 信号带宽必须满足一定的条件。 若中频窄带带通信号的最高频为厶，最低频率为 ，带宽b = 厶- l ，且 b ，要使的采样后的基带数字信号不出现频谱混叠现象，则采样频率应满足 以下约束条件： 型丛 1 ，i s m 熹降。熹，所以第一旁瓣电平为 2 n a = j 石 它与主瓣电平的差值i x , 4 = 2 0 1 9 芸= 1 3 4 6 ，可见单级c i c 滤波器的旁瓣电平是 比较大的，一般难以满足要求的。零点处的衰减是无穷大的，若混频后的二倍频 恰好在c i c 滤波器的零点附近，就可滤出二次谐波，由于这种滤波器只是输入信 号的相加处理，特别适合于在a d 采样后的高速时钟下工作。 在本文论述的系统中，a d 采样后的信号频率为1 4 7 0 4 m h z 。和n c o 输出的 频率混频后，差频落在基带，和频在1 4 7 0 4 * 2 m h z 处；若我们设计二阶的c i c 滤 波器，因为滤波器的工作频率是5 5 2 9 6 m h z ，所以c i c 滤波器的陷波点恰好在 5 5 2 9 6 2 = 2 7 6 4 8 m h z ，能很好的滤除二次谐波。数据通过d d c 后的波形如图所示： 图像扩频传输关键披术的研究 致据迥过滤踱器的归一化输出 幽4 6 数据通过两滤波器的归一化输出 c i c 的滤波特性并不比7 阶半带滤波器的滤波特性好，但考虑以后还要解扩， 解扩的相关器相当于一低通滤波器，这将滤除频谱中高次分量。另外在5 5 2 9 6 m 的时钟上实现8 位乘8 位的运算比较困难，因此采用c i c 滤波器。 4 3 小结 本章介绍了数字化解调解扩的理论基础带通采样，并重点介绍了数字化解调解 扩的数字下变频模块，讨论了数字本振、混频和数字滤波器的f p g a 实现。 第五章基于止交扩频的q p s k 相干解调 第五章基于正交扩频的q p s k 相干解调 q p s k 信号解调时的载波同步是设计q p s k 解调器的一个技术难点，它一般有 两个过程，一是载波相位的同步捕获，二是载波相位的同步跟踪。采用数字方式 实现载波恢复一般有两种方法，第一种是载波的开环恢复方法，其过程是直接对 收发载波的频偏和相位误差进行估计，并在解调时给予有效的补偿。对于开环工 作方式，同步时问短、结构简单、计算效率高，但同步精度受限；第二种是载波 的闭环方法，闭环方式能达到较高的同步精度，系统性能较好。 本章介绍一种基于正交扩频的q p s k 信号的载波闭环恢复算法，并对它的性 能进行了分析讨论。 5 1 q p s k 的相干解调 5 ，1 1 残余频差、相差对正交扩频的q p s k 信号的影响 在图3 3 所示的接收机中，由d d c 将采样后的信号下变频至准零中频，但多 普勒漂移，频率源的时钟漂移都会导致收发双方存在频差、相差，并且频差相差 是不断变化的，下面我们讨论这种频差相差对正交的q p s k 信号的影响。 设调制后的信号： m ) = m ( o c t ( t ) c o s ( c o o t + 庐) + 等m q ( t ) c o ( t ) s i n ( c o ”删( 5 - 1 ) 则接收到的信号为： 心) 叫f ) + 砸) 2 i 2 e c 刚州姒吲例+ 1 i 2 e c 咏咖) s i 蛾叫) 州，) ( 5 2 ) n ( t ) = n o ( t ) c o s ( 2 n f o t ) + 力，( t ) s i n ( 2 顽o t )( 5 - 3 ) 式中：n ( ，) = g ( 0 _ 1n 。) ，n 。( ，) ：g ( 0 - in 。) ， 。( f ) ：g ( 0 ，1 n 。) 0 ( ，) = r ( t ) + c o s ( 2 n f o f ) 】* + c ，( ，)( 5 4 ) 图像扩频传输关键技术的研究 = 等h 恕，+ 孚+ 瞅m 胤啦酞肿班嘁纠卜 c ，( ，) 、c a ( ，) 两两正交，因此： 圳= 驴n ) 等州+ , 丁c 0 5 矿“1 ( r ) 其中，n 为p n 码的长度。甩撕) = g ( 0 ，譬“) c i ( t ) 出 ( 5 5 ) ( 5 6 ) 图5 1 解调结构框图 q 、i 完全对称，因此有： ：n啪)-1争历脚+n掣+拧j(5-7)xo(t) n = ( f - 1 等历，p ) + + 半+ 拧翩 f _ j y c 结论：由于相差的存在，会使有用信号的功率下降，即信嗓比的恶化，但由 于正交p n 码的引入，i 、q 不会相互串扰，这是与普通的q p s k 调制的不同点。 5 1 2 一种新的基于正交扩频的q p s k 信号的数字化载波恢复算法 1 相偏估计 要进行相干解调，必须对多普勒频移、收发时钟不同步造成的收发的相位差、 频率差做出正确的估计，然后再对n c o ( 数控振荡器) 进行调整，使收发双方无 频差，相差的波动很小。下面介绍高斯白噪声下正交扩频的q p s k 信号相位差估 计0 基本原理。 输入信号为： 蹴 妾杏如 ，删 廿 下r 第五章基于止交扩频的q p s k 相干解凋 r ( r ) ：m , ( t ) c , ( t ) c o s ( c o o t + ) + 居毋) c 。s i n 川m ( f ) 其中肌，( f ) ，“。( ，) 是发送的信号，n ( f ) = g ( 。，j 1n 。) ( t ) = ，( f ) 4c o s2 a f o t l ” = 厣以玛孚+ 厣m o ( t ) c o ( t ) 警帆 ( 5 8 ) ( 5 9 ) ( 5 - 1 0 ) 七( f ) = r ( t ) 4s i n2 a f o t = 厣以m ，孚s i n + v i - g c 训丁。0 s # 愧 。u 其中，( r ) 、( ，) 分别是i 、q 路发送的信号。c ，( f ) 、c o ( ，) 是i 、q 路发 送信号所对应的p n 码。n m ) = g ( 。，争，( f ) = 6 ( o ，丁n o ) s 1 1 20 9 0 f c 。( t ) 图5 2 相差估计方框图 竺一寥。 剀像扩频传输关键技术的j 【i j f 宄 因为i 、q 的p n 码两两lf - 交，即 c ，( ，r ( ，) = 0 f 5 1 2 ) 其中n 是p n 码的长度。 解扩后有： 姒，) - 莓 j 等州c 抛) 孚m “r ) ( 5 - 1 3 ) 圳= 莓浮删c 沁) 半m 扣) ( 5 - 1 4 ) 其中，州归g ( 。，苦0 ) ，= g ( 。，n 2n 。) 当n 足够大时，下式成立是合理的： 面圳a n ( 器) ( 5 1 5 ) q 、i 路完全对称，因此： a p h = a t a n ( 豁) ( 5 - 1 6 ) 在f p g a 宴现p “h 估计时，一般a t a n r 1e 自查表得出，考虑至i 在相差很小时， 施。叠盟 d l ，( ，) 若进一步简化，卸 zd q 。( f ) 比较( 5 1 7 ) 、( 5 - 1 8 ) 可以看出( 5 1 8 ) 的估计受信道衰落的影响，而( 5 1 7 ) 的估计 由于是两幅度的商，因此可以消除信道衰落的影响；另外，由于高斯白噪声引起 码跟踪的抖动会导致信号幅度的抖动，由于本地的p n 码相位是严格对齐的，若幅 度有所变化，则( 5 1 8 ) 的估计就会有一定的偏差；而( 5 1 7 ) 两幅度相除可消除这种 抖动对载波跟踪的影响。由于用f p g a 实现除法要占用很大的容量，所以在本系 统中采用( 5 1 8 ) 的估计算法。若硬件容量允许或做除法运算时用较快的时钟降低除 法的容量最好采用( 5 1 7 ) 的估计算法。 2 频差估计 频率反映了相位的变化速度，f ：皇擎【j 1 9 ) d f 所以妒= 卸 一肋， d 1 ) p 矾 第五章基于上e 交扩频的q p s k 相干解涧 厂：( 卸 - 一p 矗2 z( 5 2 0 ) 在数字电路中的工作时钟是知道的，根据确定时州内的相差变化可求出收发 双方的频差。估计出频差、相差后通过环路滤波器后反馈到数控振荡器对混频的 s i n ( ) ，c o s ( ) 进行调整，达到收发双方同步的目的。 3 关于频差，相差估计范围问题 以上的分析基于在解调解扩工程中，个p n 码周期内相差变化不是很大，不 会出现在个p n 码周期内出现9 0 度的相位变化，因此系统频差和相差的跟踪范 围p n 码的长度和系统工作时钟有很大的关系。例如在扩频序列长6 4 位，p n 码的 周期为1 1 4 4m s ，可估计出的频差最大为砜。= 1 4 4 钐= 3 8 kh z ，当然以上的分 析是在无噪下，不考虑硬件实现的损耗得出可跟踪的频率的变化范围的上界，实 际上由于噪声及硬件实现的损耗等，都会降低这个频差、相差的估计范围。 5 1 3 环路滤波的实现 根据锁相环的基本理论，当环路滤波器采用理想比例积分滤波器时，锁相环 输出可以获得零稳态的频率误差和相位误差。 二阶环路滤波器传递函数 f ( z ) 强+ 吖彳，( 5 - 2 1 ) 环路滤波器的原理框图如图所示 b ： t ： k ： 蚓5 。2 环路路渡器原理框图 g ，= 嘭，g 2 卅么， d = 4 b t ( r - h + 1 ) ，r = 4 善 环路带宽 环路滤波运算重复周期 三阶环增益系数( 二阶环时为0 ) 3 f )幽像扩频传输关键技术的研究 ：环路阻尼系数 通常取= o 7 0 7 ，则r = 4 2 8 g 、g ! 的数值中包含鉴相器增益k 。对g 。g ：除去k 。，k 、后可锝环路滤波器实际因子 g i ，g ! 。 5 2 小结 本章开始介绍了频差相差对正交扩频的q p s k 信号解调、解扩的影响，随后根 据正交扩频的特点，设计出一种能够克服9 0 度相位不确定性的载波恢复算法，并 分析了其跟踪原理，最后给出了环路滤波器的设计。 第六章扩频码数字化的捕获和跟踪 第六章扩频码数字化的捕获和跟踪 扩频系统中接收机要从接收信号中恢复所传输的数据信号，首先要做的就是 解扩。解扩的实现依靠在本地产生一个与发端一样的扩频码，并要求本地扩频码 与接收信号的扩频码序列同步。码同步是实现扩频系统的关键技术之一。 6 1p n 码数字化的捕获 扩频系统的同步就是使接收到的信号中的p n 码与本地p n 码在频率对准，并 使其相位偏差保持在允许的范围内。和普通数字通信系统相比，扩频系统的同步 不仅包含位、帧同步和载波同步。同时在扩频系统中还必须进行p n 码的同步，要 求收发双方p n 码序列的“起点”对齐。 扩频系统的同步包含两个过程：首先是捕获过程，将收发双方的p n 码相位差 拉s o d , 于一个码片的范围内。其次是跟踪过程，本地码相位一直跟随接收信号码 相位变化且使两者相位差一直保持在一定范围内。 6 1 1 本论文所研究的扩频系统参数 伪码形式：6 4 位g o l d 码，即m = 6 4 伪码速率：足p = 9 2 1 6 m b p s 基带信息速率：= 5 7 6 k b p s 调制方式：d s q p s k 中频频率：f = 7 0 m h z 延时：系统延时小于2 0 m s 误码率：优于1 + 1 0 “ 6 1 2p n 码的捕获结构及性能分析 开始捕获时，收端和发端的相位差和频差是随机的，所以在捕获时我们采用 非相干的捕获方式。这种非相干的捕获结构主要是利用p n 码的正交特性从接收 的信号中提取出收发相差的s i n 0 和c o s0 分量，然后平方相加消除频差、相差的 影响：假设接收机受到的信号是： 3 2幽像扩频传输关键技术的研究 ，( ，) = 浮m h c o s 川州咖) s i 啦”删州r ) = c i ) m , ( t ) c o s ( c o o t ) + c o ( t ) ”。( ，) s i n ( ，) 】+ 月( ，) ( 6 一1 ) 其中 c ，( f ) = m 心) c 甩) + c o s ( o ) + ”。( 啪。( f ) s i n ( ) ( 6 - 2 ) c q ( r ) = ( r ) ( ，) + c o s ( c ) 一m 心) c 心) s i n ( ) ( 6 3 ) 这取c 心) 和。( f ) 分别是i 和q 信道的p n 码序列，取值为l ，m 忍) 搬口( f ) 分别是 i 、q 路发送的数据。信道假设为a w g n 。 月( f ) = 厄。( t ) c o s m o r 一疡，( t ) s i n 万o f ( 6 4 ) 而= 而= 而一= j 1 。( 6 - 5 ) 提取非相干解调和同步捕获如图6 ，1 所示，其同相正交分量分别是： 图6 i 信号捕获处理框图 ? 慨。s 毗= 居，m m 加) 入 态 = 等删c o s + 缸c 一瑚喇m ，( f ， 侮s ， 删啪) + 压s i n 叭通= 。c 。 ( f ) = 居嘣够细啪，一居i ( t ) c i ( t ) s i n ( 舻嘣r ， 睁， 。( f ) 和也( f ) 都包含序列c i ( r ) 和( f ) ，将它们分别乘以四个本地参考码，如图 矾心屉心刚够心叫c o s m 。冲睁s ， = l ( j 等州c 儿( 蚓) s i n 痧) 出 ( 6 _ 9 ) 蝴归l ( 等删c ，2 ( f ) c ，( ) c o s m w ( f ) 瑚 ( 6 _ 1 0 ) d 2 坦。) 2 r ( 。f 。m