（通信与信息系统专业论文）基于arm技术的数字扩频收发机的设计与实现.pdf

南京航空航天大学硕士学位论文 摘要 扩频技术由于具有抗干扰能力强、抗多径衰落、保密性好、可以实现码分多 址等优点，近年来在民用通信中获得了巨大的发展，并迅速成为引领通信发展 的新的潮流。 基于a r m 技术的1 6 3 2 位微处理器由于具有性能高、成本低、功耗低等显 著优点，目前己遍及工业控制、消费类电子产品、通信系统、网络系统、无线 系统等各类产品市场。a r m 技术正在逐步渗入到我们生活的各个方面。 本文将扩频和a r m 这两种先进技术相结合，提出了一种新型的由a r m 微 处理器控制的数字扩频收发机系统方案。并采用s t a n f o r dt e l e c o m 公司的 直扩处理芯片s t e l 2 0 0 0 a 、s a m s u n g 公司的a r m 7 系列微处理器s 3 c 4 4 b o x 、 p h i l i p s 公司的语音c o d e c 芯片u d a l 3 4 4 t s 、a l t e r a 公司的m a x 7 0 0 0 系 列c p l d ( e p m 7 0 3 2 a e ) 以及一些辅助电路实现了该硬件系统i 该系统是双通 道的，发送通道实现话音的录入、扩频和b p s k 调制发送，接收通道实现话音 的b p s k 解调接收、解扩和播放。 关键词：真接序列扩频，a r m 微处理器，可编程逻辑器件，a r m 集成开发环 境，嵌入式操作系统 基于a r m 技术的数字扩频收发机的设计与实现 a b s t r a c t s p r e a ds p e c t r u mt e c h n o l o g yh a sm a n yp r o p e g i e s ，s u c ha ss t r o n ga n t i i n t e r f e r e n c e c a p a b i l i t y , r e s i s t a n c et om u l t i p a t hf a d i n g ，l o wp r o b a b i l i t yo fb e i n gi n t e r c e p t e da n d m u l t i p l ea c c e s sc a p a b i l i t y , w h i c hm a k e i tw i d e l yu s e di nt h ec i v i l i a nc o m m u n i c a t i o n i nr e c e n ty e a r sa n da l s ol e a dan e wt r e n do f c o m m u n i c a t i o n d e v e l o p m e n tr a p i d l y 1 6 3 2m i c r o p r o c e s s o rb a s e do na r i v lt e c h n o l o g yh a sm a n ya d v a n t a g e s ，s u c ha s h i g hp e r f o r m a n c e ，l o wc o s ta n dl o wp o w e rc o n s u m p t i o n ，w h i c hm a k ei ts p r e a do v e r v a r i o u sk i n d so fm a r k e t s ，f o re x a m p l ei n d u s t r i a l c o m r o l ，c o n s u m p t i o ne l e c t r o n i c p r o d u c t ，c o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，n e t w o r ks y s t e m ，w i r e l e s ss y s t e m 删t e c h n o l o g y i sp e r m e a t i n gt om a n y r e s p e c t so f o u r l i f ep r o g r e s s i v e l y ak i n do fn e w t y p es y s t e m a t i cs c h e m eo fd i g i t a l s p e c t r u m - s p r e a dt r a n s c e i v e r b a s e do na r m t e c h n o l o g yh a sb e e np u tf o r w a r d t h eh a r d w a r es y s t e mh a sb e e n r e a l i z e dw i t ht h ec h i p so fs t e l 一2 0 0 0 气s 3 c 4 4 b o x ，u d a l 3 4 4 t s ，e p m 7 0 3 2 a ea n d a l s os o m ea u x i l i a r yc i r c u i t s t h es y s t e mh a st w oc h a n n e l s t h et r a n s m i t t i n gc h a n n e l i m p l e m e n t st h ev o i c er e c o r d i n g ，s p e c t r u ms p r e a d i n ga n db p s k m o d u l a t i o nw h i l et h e r e c e i v i n gc h a n n e ii m p l e m e n t st h eb p s kd e m o d u l a t i o n , c o d ed i s p r e a d i n ga n dv o i c e b r o a d c a s t i n g k e yw o r d s ：d s s s ，a r mm i c r o p r o c e s s o r , c p l d ，a r mi d e ，u c l i n u x 承诺书 本人郑莺声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的 研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出 贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件，允许论文被 查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以 采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 作者签名： 日朝： 掏询盟 塑：i ：3 南京航空航天大学硕士学位论文 注释表 3 g ( t h i r dg e n e r a t i o n ) ：第三代移动通信 a d c ( a dc o n v e n e r ) ：模数变换器 a d s ( a r m d e v e l o p e rs u i t e ) ：a r m 开发包 a d w ( a r m d e b u g g e r f o r w i n d o w s ) ：w i n d o w s 下的a r m 调试器 a f c ( a u t o m a t i c f r e q u e n c yc o n t r 0 1 ) ：自动频率控制 a p i ( a p p l i c a t i o n p r o g r a m m i n g i n t e r f a c e ) ：应用编程接口 a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s ) a s i c ( a p p l i c a t i o ns p e c i f i ci n t e g r a t e dc i r c u i t ) ：专用集成电路 b p s k ( b i n a r yp h a s es h i f tk e y i n g ) ：二进制相移键控 c d l v i a ( c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) ：码分多址 c o d e c ( c o d e & d e c o d e ) ；编解码 c p l d ( c o m p l e x p r o g r a m m a b l e l o g i c d e v i c e ) ：复杂可编程逻辑器件 d m a ( d i r e c t m e m o r y a c c e s s ) ：直接存储器访问 d m f ( d i g i t a lm a t c h e df i l t e r ) ：数字匹配滤波器 d s s s ( d i r e c t s e q u e n c es p r e a ds p e c t r u m ) ：直接序列扩频 f c c ( f e d e r a lc o m m u n i c a t i o n sc o m m i s s i o n ) ：美国联邦通信委员会 f e p ( f r o n te n dp r o c e s s o r ) ：前端处理机 i d e ( i n t e g r a t e dd e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t ) ：集成开发环境 i e e e ( i n s t i t u t eo f e l e c t r i c a la n d e l e c t r o n i c s e n g i n e e r s ) ：美国电气和电子工程师学 会 i i s ( i n t e r - i cs o u n db u s ) ：集成电路之间的音频总线 i m t - 2 0 0 0 ( i n t e r n a t i o n a lm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o n2 0 0 0 ) ：国际移动电信2 0 0 0 计 划 i s m ( i n d u s t r i a l ，s c i e n t i f i ca n dm e d i c a l ) ：工业、科学以及医学 i t u ( n t e r n a t i o n a lt e l e c o m m u n i c a t i o n su n i o n ) ：国际电信联盟 m m u ( m e m o r ym a n a g e m e n tu n i t ) ：存储器管理单元 n c o ( n u m e r i c a l l y c o n t r o l l e do s c i l l a t o r ) ：数控振荡器 p c m ( p u l s ec o d em o d u l a t i o n ) ：脉冲编码调制 p n ( p s e u d on o i s e ) ：伪噪声 鍪于a r m 技术的教串扩颓收发机的设计与实现 r t s c ( r e d u c e di n s t r u c t i o ns e tc o m p u t e r ) ：精简指令集计算机 r m s ( r o o tm e a n s q u a r e ) ：均方根值 s a m b a ( s a m s u n ga r mc p ue m b e d d e dm i c r o c o n t r o l l e rb u sa r c h i t e c t u r e ) ：三 基a j t mc p u 酝入式徽斑疆器慧线结构 s d t ( s o f t w a r e d e v e l o p m e n tt o o l k i t ) ：a r m 软件开发工具集 s i o ( s y n c h r o n o u s s e r i a li n t e r f a c e ) ：同步串行接口 u c l i n u x ( m i c r o 。c o n r o ! l i n u x ) ：徽控潮领域中静l i n u x 系统 南京航空航天大学硕士学位论文 第一耄绪论 透 多霉束，移动懑磐在避赛菠霞肉褥爨逐猛发鼗；杰我强，莫发袋速度熏 是超过入们盼各种预溅。随著堵户救鬣的急速增长，有限静频率资源更加紧张， 寻求一种在育限频带内阿提供更大容凝和更强抗予扰能力的无线移动通信技术 篷_ i 乏年来磷究懿一个焦患。扩鼷技术蠢予曩窝抗予魏戆力骥、抗多径衰落、傈 襁瞧好、露以实鼹璐分多琏等_ 凌点，瓣簿在移动溪餐领域鬻裂越来越广泛翦应 用。 l 。i 论文醑究懿鹜景 扩颛技术起源于军用鄹航空系统，主要用于对抗外来强干扰羊保密。扩颇髓 壤最晕掇疆在第二二次照羚太竣，痒荛蓑军镬髯酾无线绦密蘧铸绞笨。壹楚今天， 扩叛麓零不仅仍广泛馊怒_ 裘军事邋蔟孛，嚣蘸藏为凌我移秘遥袋麓棱心投寒之 一。第三代移动通俗技术的主流撞术码分多簸( c d m a ) 技术就鼯漆予审“ 颞技术，感求来全球个人邋信的一手巾主要鲶多戢遇信技术。它将蔼传送的具蠢 一定蘩号帮宽静蓿鬈数凝，爱一蠼、鬻宽远大子籍号鬻疯鼹豢迷镄髓爨璃( p n 瓣) 透行调截，傻原数溅落号魏带宠被扩越，霉羟裁波澜割并笈遴积去；搂莰臻傻 用完全牛日同的p n 码与接收的宽骷信号做相关解扩处理，把宽带信号恢复为原信 感数爨粒窄嫠信号，驻实穗癌惑透蕊。静予藏蕊号痘予存接收麟熬嚣藤关黢， 簿扩爱叛露狻扩爨，璎窭港襄爱缀懿，嚣嚣系绞曩蠢缀强麓貌予撬簸力；疑辩， 不同弼户分配不同的p n 码作为她融码，这样参个餍户就可以共膈阔一频段耐互 不干扰，太大提高频滋懿利用率和逶髂系统的褰爨。可见，在开放并舅镧塞姻 无线蘩道孛，雾土疆邋簧技寒怒缀妊麴逡铎，蔽兔袋栈逶籍系绞申不可赣少熬 耪技术。 本文采用丁a m 微处理器作为整个收发枫杀统的控制和管群擎尤。 a r m ( a d v a n c e d r i s cm a c h i n e s ) ，溪哥黻诫为楚一个公司憨痿亨，也可以认为燕 露一受缀签理嚣兹邋臻，述可虢毒天为怒一秘捩零。i 9 9 l 每a 最拟公鼋袋毫予焚 国剑桥，怒家既不雀产芯片也并；销售芯片的公司，主要出售：醛片设计技术的 授权。碍藤，采用a r m 技术知瑷产投( 伊) 拨的徽处理器，即我们通常艇谈的 基于a r m 技术的数字扩频收发机的设计与实现 a r m 微处理器，已遍及工业控制、消费类电了产品、通信系统、网络系统、无 线系统等筹类产品r f 丁场，基fa r m 技术的微处理器应h 约占据了3 2 位的r i s c 微处理器7 5 以上的市场份额，a r m 技术正在逐步渗入到我们生活的各个方 面。 将扩频和a r m 这两种先进的技术相结合，不仅可以实现出新型的由a r m 微处理器控制的数字扩频收发机系统；而且可以将该硬件系统用作为一个很好 的学习扩频通信技术和a r m 技术的实验设备，并在其之上开发其他基于通信的 复杂应用。 1 2 本文主要工作内容 本文实现的数字扩频收发机系统是双通道的，发送通道实现话音的录入、扩 频和b p s k 调制发送，接收通道实现话音的b p s k 解调接收、解扩和播放。整 个系统由硬件和软件两部分组成。硬件部分主要由语音编解码模块、a r m 微处 理器系统控制和管理模块、扩频处理模块以及c p l d 模块四部分组成；软件部 分主要由系统启动加载程序( b o o t l o a d e r ) 和系统主程序两部分组成。在硬件部 分中，语音编解码模块主要采用了p h l i p s 公司的低功耗立体声音频c o d e c 芯 片u d a l 3 4 4 t s ：a r m 微处理器采用的是s a m s u n g 公司的a r m 7 系列微处理 器s 3 c 4 4 b o x ；扩频处理模块主要采用了s t a n f o r dt e l e c o m 公司的单片可 编程直接序列扩频处理芯片s t e l 2 0 0 0 a ；c p l d 模块主要采用了a l t e r a 公司 的可编程逻辑器件e p m 7 0 3 2 a e ，它用于实现一些控制逻辑和对解扩后得到的串 行语音数据进行移位存储。在软件部分中，b o o t l o a d e r 程序是系统加电后运行的 第一段软件代码，用于完成系统的初始化工作并且实现系统主程序的加载运行； 系统主程序土要完成芯片的初始化、接l j 的配置、语音数据流控制和中断处理 等工作。 本文在介绍该数字扩频收发机系统设计的同时，对系统中采用的关键技术也 进行了研究。全文内容安排如下： 第二蕈首先给出了扩频通信的原理，接着详细介绍了扩频处理芯片 s t e l 一2 0 0 0 a 的各个功能模块和该芯片中采用的一些关键技术。 第二三章着重论述了数字扩频收发机系统的硬件设计和实现。本常首先给出了 系统的碰件电路框图和电路原理图；其次介绍ra r m 体系结构和s 3 c 4 4 b o x 微 南京靛空靛天大学硕士学能论文 处理器；然后洋细介绢了s t e l ，2 0 0 0 a 韵硬件嘏路连接和寄襻器设置 棱觜介绍 了u d a l 3 4 4 t s 的电路连接和对该芯片的配置；最后介绍了e p m 7 0 3 2 a e 的电路 设计。 楚麟牵着重论述了数字扩蘩收发瓤系统瓣软件设计嚣蜜蕊。卒章曹竞穷绥了 a r m 软件开发工具a d s1 2 和s d t2 5 ：其次介绍了b o o t l o a d e r 程序和系统 主程序；然后介绍了应用程序的磷种烧写方式；最后简要介缌了嵌入式搡作系 统u c l i n u x 帮鲡囊建立u c l i n u x 开发环境。 最后一章对全文做出了总结，并指出了对采来工作的艟攥。 基于a r m 技术的数字扩频收发机的设计与实现 2 i 概述 第二章扩频通信系统 2 11 扩频通信的基本概念 扩频通信技术是一种通信传输方式，其信号所占有的带宽远大于信息带宽； 频带扩展是通过编码和调制的方法来实现的，与所传输的信息无关；在接收端 则用同样的扩频码进行相关接收以恢复所传信息数据。 设w 代表包含信息的信号带宽，b 代表信息带宽，则一般认为： w 1 3 = 1 2 窄带通信 w b 5 0宽带通信 w b 1 0 0 扩频通信 扩频通信系统用1 0 0 倍以上的信号带宽来传输信息，最主要的目的是为了提 高通信的抗干扰能力，即在强干扰条件下保证安全可靠的通信。 扩频包括以下几种方式：直扩( d s ) 、跳频( f h ) 、跳时( t h ) 和线性调频 ( c h i r p ) 。此外，还有这些扩频方式的组合方式，如f h d s 、t h d s 、f h t h 等。 在通信中应用较多的主要是d s 、f h 和f h d s ，本文介绍的主要是d s 。 扩频通信系统的一般原理框图如图21 。 图2 1 扩频通信系统原理方框图 在发送端，原始信息经信息调制后输出的是窄带信号，带宽为2 4 ( 见图 2 2 ( a ) ) ；再经过扩频调制后频谱被扩展，带宽为2 也( 见图2 2 ( b ) ，其中r r ) 。 在接收端，接收机的输入信号中加有干扰信号，其功率谱如图22 ( c ) ；经过解扩 南京航空航天大学硕士学位论文 后有嗣信号变成窄带信号，丽千抗信号变成瓷带信号( 见图2 2 ( d ) ) ；然矮用窄 带滤波器滤掉有用信号带外的干扰信号( 见图22 ( e ) ) ，从而降低了干扰信号的 强度，改善了信噪比。 秘簿潜密壤 功率 瞢密度 、一、。一 ( a ) 馋息调制后的偿警功率谱 ( b ) 扩频调蒂后鲢傣号功率谱 功率谱密度 f c ) t 变频后鲍穗号功率灌( d ) 扩频解调艨静薅号功率谱 曲窜带滤渡爱熬蘑号麓率谱 图2 2 扩频通信系统频潞变换图 2i2 扩频通信的理论基础 扩颥逶信弱瑾谂蘩萋窭来源予信息论窝藐予烧理论。强袈( s h a n n o n ) 农箕信 息论中得出信号带宽与信噪比互换的关系式，即s h a n n o n 公式： c = w l o g ：( 1 + 酬)( 2i ) 基于a r m 技术的数字扩频收发机的设计与实现 式中，c 为信道容量，w 为信号带宽，s 为信号平均功率，n 为噪声平均功 率。 从上式可以看出：在保证信道容量c 不变的前提下，信号带宽w 和信噪比 s n 是可以互换的。即可通过增加信号带宽的方法，在较低的信噪比s n 情况下 传输信息；甚至在信号被噪声湮没的情况下，即嘉 1 ，只要相应地增加信号带 宽，也能进行可靠的通信。 213 扩频通信的主要性能指标 处理增益g ，和抗干扰容限 t 是扩频通信系统的两个重要性能指标。 1 ) 处理增益g 。 在扩频通信系统中，经过对信息带宽的扩展和解扩处理，扩频系统的抗干扰 性能得到了提高，获得了处理增益g ，。 g ，定义为接收端相关器输出与输入信噪比增益： g p ：型型生 ( s n ) ，一 ( 22 ) 设相关器输入端的信号功率为s ，信号带宽为w ，噪声功率谱密度为| v 。； 信号经过相关器后，信号带宽被转换成信息带宽b ，信号功率和噪声功率谱密度 不变。则2 2 式可写为： g ，：而s n 焉o b ：冬 ( 2 3 ) p s n wb 、。 可见，g 。也是扩频信号带宽w 与信息带宽b 之比。 g ，表示了扩频通信系统信噪比改善的程度。频谱扩展越宽，处理增益就越 大，系统的抗干扰能力就越强。 2 ) 抗干扰容限m 仅仅知道了扩频系统的处理增益，还不能充分说明系统在干扰环境下的工作 性能。因为通信系统要正常工作，必须保证接收机输出端有一定的信噪比，并 南京航空航天大学硕士学位论文 扣除系统内部信噪比的损耗，因此需引入抗干扰容限m 。抗干扰容限是指在保 汪系统正常工作的条件下，接收机输入端能够承受的干扰功率比信号功率高出 的分贝( d b ) 数。其数学表达式为： 即铲剐， ( 24 ) 式中，m ，为抗干扰容限，g ，为处理增益，厶为系统损耗，( 渤。为接收机 输出信噪比。 抗干扰容限直接反映了扩频通信系统接收机允许的极限干扰强度，它往往能 比处理增益更确切表达系统的抗干扰能力。只要干扰功率不超过抗干扰容限， 系统就能保证可靠的信号接收。 2 2 可编程宜扩处理芯片s t e l 一2 0 0 0 a 随着扩频通信技术的发展以及专用集成电路( a s i c ) 设计的成熟，自9 0 年代 以来，国外许多公司陆续开发出一系列全数字扩频芯片。其中，美国s t a n f o r d t e l e c o m 公司推出的直接序列扩频芯片s t e l 2 0 0 0 a 具有代表意义。本文正是 在该：占片的基础之上，提出了一种数字中频收发机方案。利用该芯片构建的收 发机系统除了具有扩频系统的特点，还具备外围电路简单、性能可靠等许多优 点。 22l 简介 s t e l 2 0 0 0 a 是个功能极强的单片可编程直接序列扩频芯片，是一个1 0 0 管 脚封装的c m o s 集成电路，它的内部逻辑如图2 3 所示。发射单元包括了发数据 的白化处理、串并变换、差分编码、p n 码产生、调扩、q p s k b p s k 调制及发定 时控制，完成了由数据输入到已调中频信号输出的扩频、调制处理。接收单元 包括中频到基带的数字下变换、p n 码产生、数字匹配滤波、解扩、相关峰检测、 差分解调、并串变换、去白化处理、数控振荡器及位定时处理等，完成了由数 字中频信号输入到数据输出的全过程解调解扩处理。此外? s t e l 一2 0 0 0 a 还设置 了8 6 个字节的在片寄存器，用于对芯片功能的编程设置，使得对扩频系统的设 计具有灵活性，芯片具有通用性。可直接与计算机或单片机连接，完成对内部 寄存器的编程控制。在本文中，s t e l 2 0 0 0 a 是通过a r m 微处理器s 3 c 4 4 8 0 x 实 基于a r m 技术的数字扩频收发机的设计与实现 现该芯片的配置与控制的。 s t e l 2 0 0 0 a 的主要特征如下： + 直接序列扩频工作于突发连续模式； + 收发全数字化处理，b p s k q p s k 两种调制模式可选； + 伪码速率高达1 12 6 4 m c h i p s ； + 使用数字匹配滤波器，实现一个符号码元内的快速捕获； + 两种独立的p n 码序列分别用于捕获和数据符号的扩展。其长度可编程 控制，最大长度达6 4 c h i p s ； + 支持数据率高达20 4 8 m b p s 。在b p s k 模式下，数据率r = 1 1 2 6 4 m c p s n ； 在q p s k 模式下，一r b = 2 2 5 2 8 m c p s n ，其中n 为伪码长度 + 在片码元计数器允许处理长达6 5 5 3 3 个符号的帧长： + 全半双工工作： + 工作在突发模式下具有很低的开销； + 可编程支持多种不同的工作模式； + 低功耗。某些功能块不工作时，可设置为s l e e p 状态； 图23s t e l 2 0 0 0 a 的内部功能逻辑框图 南京航空航天大学硕士学位论文 222 发射单元 由图23 可以看出，发射单元由白化处理、时钟产生器、串并变换、差分编 码、p n 码产生器和b p s k q p s k 调制器六个功能块组成。时钟产生器用来提供 发射单元中各功能块的定时。串并变换电路完成对输入但路串行数据到双路并 行数据的转换。对各功能块的具体描述如下： 2 221 白化处理 在输入端对输入数据进行白化处理，将输入数据与伪随机序列模- - n ，一方 面可以将输入信号的频谱在带内均匀化，另一方面也达到了对数据加密的功能。 s t e l 2 0 0 0 a 中设置了长度为6 3 、5 1 1 、1 0 2 3 三组伪随机序列供用户编程选择。 在接收端，须用相同的伪随机序列进行去白化处理。 22 2 2 差分编码 一般的相位调制与解调中存在相位模糊的问题，即接收机载波和接收信号载 波可能存在z 相位的相差，这个相差不消除就会导致解码出来的信号和发送的信 号反向，使得解码完全错误。为了解决这个问题，s t e l 2 0 0 0 a 在对数据扩频前 先进行了差分编码。差分编码器完成对双路并行数据的差分编码。差分编码的 方案取决于调制方式是b p s k 还是q p s k 。 在d b p s k 情况下，其编码规则为：o u t ( n ) = r n ( n ) 0 0 u t ( n 1 ) 。即第n 位的编码输出o u t ( n ) 是第n 位的未编码输入m ( n ) 和第n 1 位的编码输出 o u t ( n 1 ) 的模二和。 在d q p s k 情况下，编码规则可用表2l 来表示。 当前时刻的输入 前一时刻编码器的输出o u t ( i ，q k 4 i n ( i ，q ) 。0001ll10 00000 1 ill0 ol0l 1 1l00 0 1l11 100001 l0100 00ll1 当前时刻编码器的输吐l o l r r ( i ，q ) 。 表2 1d q p s k 差分编码表 基于a r m 技术的数字扩频收发机的设计与实现 22 2 3 扩频调制 1 概述 s t e l 2 0 0 0 a 内部使用两个异或门对差分编码后得到的数据进行扩频调制， 扩频前后的数据关系如下： f ，。( ，) = ，( ，) o p n ( t ) i q 。( f ) = q ( t ) o p ( ，) ( 25 ) p n 码是预先存储在芯片的p n 码产生器里的。p n 码产生器提供两组各长达 6 4 c h i p s 的p n 序列，p n 序列的长度可在1 到6 4 位的范围内编程控制。 s t e l 一2 0 0 0 a 可以工作于突发模式或连续模式。在突发模式下，片内符号计 数器允许自动发送和接收多达6 5 5 3 3 个符号；在连续模式下，数据只是被当成 连续的脉冲串。当s t e l 2 0 0 0 a 工作于突发模式时，在发送每一个突发数据块之 前自动加一个前缀符号，前缀符号和数据符号独立地分别用不同的p n 序列进行 扩频处理。发前缀符号时用较长的p n 序列进行扩频，这样可以获得较高的处理 增益，有利于在接收时较快地捕获到发射的突发数据块；而在发正式的数据时 用较短的p n 序列进行扩频，这样可以提高系统的数据传送速率。 芯片的发射端和接收端都工作在符号同步p n 调制模式。这里的符号是指欲 传的基带数据单元。所谓符号同步p n 调制模式是指p n 序列与符号电平变化沿 对齐，且每个符号重复一次。接收时也是通过在个符号时间内同步一个p n 码 序列，在捕获一个p n 码序列的同时就实现了符号的同步，这样不但可以缩短捕 获时间，而且可以省去一般窄带数字通信系统中锁相环路构成的时钟同步系统。 2 p n 码长度选择 由前面的分析得知：g 。= 冬 爿 设数据速率用r 表示，码速率用r 表示，码长用n 表示，则上式可表示为： g ，5 惫2 等划 ( 2 6 ) 美国f c cp a r t1 5 2 4 7 规定对于工业、科学以及医学( i s m ) 波段要求的最小 处理增益为1 0 d b ，这意味着p n 码长n 最小为l o ；而s t e l 2 0 0 0 a 可提供的伪 码最长为6 4 ，因此实际应用时，可选的p n 码长应满足1 0 s n 6 4 。本文选择 n = 6 3 的m 序列作为前缀符号的扩频码，选择自相关和互相关性能较好的l l 位 巴克码作为数据符号的扩频码。 ( ) 南京航空航天大学硕士学健论文 3p n5 马 s h a n n o n 信道编码定理指出：熙要传输的信息速率小于信道容量c ，总可以 找到繁荦中编码方法，使在码字相巍长的条件下，能够几乎无差错地从遭受到高 麓自礤声予撬懿信弩中浚复窭藩戆售意。s h a n n o n 在汪鹗缡褥定理时，疆爨了爱 具有臼噪声统计特性的信号来编码。自噪声魑一种随机过程，它的瞬时值服从 正态分布，在很宽的频带内具有均匀的功率谱，有着极其优良的相关特憔。白 噪声的理想特性为： 搿 咒( r ) = 二石( f )( 27 ) ( 五( ) = 二( 28 ) 二 ， 一 式中，警为髫噪声鹣双逮葫肇谱塞疫，墨( r ) 为自噪声鹣鑫相关遴数。毽自 z 噪声怒不能重复再现和产生的，我们只能用一种周期性的脉冲信号，即p n 码来 近似自噪声的性能，并作为扩频系统的扩频码。此类码具肖良好的相关特性， 帮窭裰关蕴与互程关馕有鹱大戆麓离度。p n 弼运豢广泛应鬟二送豢彦确，它由 两个符号0 ，l 或l ，一1 组成。p n 序列是一个很大的家族，包含很多码缀，例 如m 序列、m 序列、g o l d 序列等。在这里主要介绍文中使用到的m 序列和巴克 码。 m 序剜是囊太长度熬线往移斑骞存器亭翻，这辩序列荔产生，益其鸯良好静 二值自相关特性，所以在扩频系统中是应用墩早也是最多的一种伪随机硒。m 序列有如下性质： m 均缀性。在一个鼹期中，n l 垮列孛“l ”戆个数比“0 ”夔个数多一令。 t 游程特性。一个序囊中取毽籀褥的那些鞠继元素称为一个游程，个游程 中元素的个数称为游程长度。通常，一个周期中长度为1 的游程数占游程总数 的1 2 ：长度为2 的游程数占游稷总数的1 4 长度为k 的游程数占游程总数的 l 2 。，其中i k 辩一l ( n 为移鬣寄存爨熬级数) ；嚣一l 令涟“0 ”帮撵令连“l ” 的游程符一个：这样总的游程数为2 ”1 个。 8 移位搬加特性e m 序列相移艨露m 序列零痨徽攘二加謦褥痔列仍然怒m 序 确，哭不过与鞭来豹两个mi | 芋y , j 褥经不丽两曩。 * 周期性。m 序列的周期为n = 2 ”一1 。 m m 序列的自槌关涵数为二傻周期性函数，仅在零相位点才毒一个峰馕。 基予a r m 技术的数学扣“频收发机的 鼗 t 与实现 m 序列的自相关函数为； f 1 j = 0 r j 。 一专 茹侥，c 2 9 设为m 序列的码元宽度，n 为m 序列的周期，则r ( - ，) 对应的时间函数为： 尺( r ) = l f | 瓦 鹜2 4 绘爨tm 枣翻鹁叁趣关丞数波形霾。 r ( ) 匿2 4m _ | 警列的自相关蝤数 + m 舅梦| j 麓功率谱。瓣2 1 0 式送行簿立时交换，可褥m 滓罗| l 懿功率谱楚； g c ，= 嘉j c 甜，+ 等( 斋国 重占卜一焉 c z 鼙2 5 绘窭了m 彦戮靛功率港。 飞啪一1 1 1 们l r 。 图2 5t i t 序列的功率谱函数 由图2 4 和图25 可以看出，n 越大，即m 序列周期越长，麒t 。越小，即m 序列的码元速率越赢，m 序列的皇耪荚蕊数帮功率谱越接近自噪声的性能。困 篱专 南京航空航天大学硕士学位论文 此，1 1 l 序列是一种性能非常好的伪随机序列。 巴克码是一个具有特殊规律的二进制码组，是一个非周期序列。一个n 位的 巴克码为 五，：，以，h ) ，每个码元只可能取值+ l 或一1 ，它的自相关函数为： nj f n = 0 r ( ) = x ，x = o ，+ 1 ，一1 0 ( j ) on = o 。 1 积累倾倒滤波器是一个抽取滤波器，具有低通滤波的作用。它累积一定数履 的输入样本数m ，使得输出采样率为输入采样率的i m 。在本文，中频采样速 率被撞取炎低速率故蓦蛰袋襻速率。滤去蹇频分鬟鹰褥： ，口户4 妻吼c o s ( , a ，f = i ) 1 - 1 q o u ；= 毒去s i 域蟊) ( 2 1 8 ) 2 1 9 ) 图2 9 显示了直接中频采样模式下( 低中频) ，中频接收信号经过数字下变 频器对鲍信号频灌变羧阁。其中，五为n c o 提撰瓣中频载波频率，厶为中簇 采样频率，w 为基带信母带宽( p n 娲速率的2 倍) 。 南京航空航天大学硕士学位论文 一蠡 o f p r 0 0 e 瞄 一蠡 图2 9 直接中频采样模式下的倍号频谱图 2 2 3 ，2 数字匹配滤波器( d m f ) 数字匹配滤波器潮两组6 4 位邂延移位寄存器、乘法器阵列、算术累加器和 一组系数寄存器构成，如图2 1 0 所示。系数寄存器用于存放p n 码序列，可编 程设置五；同跃度的p n 码，系数的取僵为+ 1 、一l 、0 ，用存放于寄存器中蛉2 b i t 数据g l ，1 ，x o 寒凌示。熏予撩获释数攥餐号瓣扩赘p n 璃滋换盘s t e l - 2 0 0 0 a 内部e - i 动完成。 基于a r m 技术的数字扩频收发机的蜓计与实现 n湮对 。 蓟 滴冉由酶赴竺弦罾酶 图2 1 0 数字匹配滤波器原理概图 遂入瞧嚣滤波器瓣信号是2 样点c h i p 豹墓謦穗号，翅罄2 1 1 ( 3 ) 瑟示，蒸 中，虚线称为前样点序别，实线称为精样点序列。阁2 _ 1 1 ( 1 ) 为基带采样脉冲， 周期为瓦2 ：图21 l ( 2 ) 为基带信母，周期为t 。基带信号缀前端正2 延迟 穗纛签瑾爱，送入移蹙蜜存器缝，移彼寄存器静缀阀延迟霹颡为互，毽移愈瓣 钟的周期为瓦2 ，即以撼带采样速率移位。这样，数字匹配滤波器在每个数据 德号悫毽出瑷两个提关蝾；然囊，峦予藜蘧逶露了逡延，2 魏榛麴楚莲( f e p ) ， 将使得后榉点序列相关蜂值远大于前样点序列的相关峰值。这样处理的主要目 的是为了实现基带采样遗率与接收信号伪码速率异步工作，即使基带采样时钟 与基带信弩之闽寿较大的籀经差，鼹个耀关峰中憨会有一个占点导蜷位，这墨孛 方法回避了扩频通信孛嚣要精确熬伪褥弼步这一潞惩。僵需要攒密静是，蘩带 采样速率的二分频和伪码速率之间不熊有大的频煮，一般应控制在晶体振荡器 频率稳定艘的精度以内。 南京航空旬【天人硕士学位论文 n 广 厂 厂 厂 厂 r 广 几厂 厂 j l ilj l j 基带采样时钟 基带信号 2 样点( h i l ) 采样 后佯点序列和 前样点序列和 图21 1 数孚匹配滤波器波形分析 经过d m f 在一个p n 码序列周期内的乘法累加后，输出i 、q 支路的相关峰： ，1 7 1 ，：= a 寺c o s ( 焱) ( 22 0 ) n = o ， ，一1 g = 4 妄s i n ( 改) ( 22 1 ) 二n = l 累加器输出为1 0 比特数据，通过b a r r e l 窗选择，输出8 比特数据分别送往 功率检测器和符号跟踪处理器。 2 23 3 功率检测 功率检测实际卜是对相关峰幅值的检测。功率检测器接收来自匹配滤波器i 、 q 支路的相关峰输出，并在每个基带采样时钟周期内计算i 、q 支路相关峰值的 均方和。 4 = ( 丘) + 窿( 七) (