一、引言

      擴頻通信具有抗干擾、抗多徑、低截獲概率等特點，自從上一世紀40年代被提出以來，其理論、方法、應(yīng)用技術(shù)得到了很大發(fā)展直接序列擴頻（直擴）是擴頻通信常用的一種方式，90年代初被應(yīng)用于民用的CDMA蜂窩移動通信系統(tǒng)（IS-95），顯示了其顯著優(yōu)點和較強的生命力

      測距是直擴技術(shù)的一種典型應(yīng)用利用PN碼良好的自相關(guān)特性進行延時的測量進而獲得距離信息，較之傳統(tǒng)方法具有更高的抗干擾能力和測距精度工作在L波段的GPS系統(tǒng)采用的就是直擴技術(shù)，并在世界范圍獲得了巨大成功和顯著效益然而由于眾所周知的原因，對于某些特殊應(yīng)用，過于依賴GPS是危險的

      為在UHF頻段建立區(qū)域內(nèi)的抗干擾數(shù)據(jù)通信/定位系統(tǒng)，在復雜的電磁環(huán)境下實現(xiàn)用戶間的信息互通和定位及相對導航的目的，我們利用直擴技術(shù)完成了應(yīng)用于該系統(tǒng)的用戶端機中頻物理平臺的研制該平臺從一定程度上體現(xiàn)了“軟件無線電”的思想，其信息速率、調(diào)制方式、PN碼及處理增益、中頻頻率、輸出電平等都由軟件實時控制或更改，部分工作過程也由軟件編程實現(xiàn)，具有較好的靈活性、通用性，并可進行功能的擴展

      二、端機中頻單元的基本結(jié)構(gòu)

      1．原理框圖

      該端機的中頻系統(tǒng)原理框圖如圖1所示

      該系統(tǒng)大致工作過程如下：

      發(fā)送通路中，首先對UART串行數(shù)據(jù)進行緩沖和RS編碼，經(jīng)串并轉(zhuǎn)換后用本地PN碼進行擴展，然后進入一個chip脈沖成形濾波器（平方根升余弦濾波器，滾降系數(shù)為0.4）經(jīng)內(nèi)插及低通濾波、電平控制后，進行正交相位調(diào)制，取調(diào)制結(jié)果的實部作為輸出進行DA轉(zhuǎn)換得到中心頻率為6 MHz的中頻信號DAC和ADC轉(zhuǎn)換精度為8 bit，速率為20 MHz圖中PN1和PN2為2個等長PN碼，可以相同，也可不同若PN1和PN2不同時，應(yīng)該保證其具有較好的互相關(guān)特性

      接收通路中，6 MHz的中頻信號送入ADC，ADC的輸出數(shù)據(jù)經(jīng)增益控制進行正交下變頻，變頻結(jié)果經(jīng)過抽取濾波器和chip脈沖成形濾波器（同發(fā)射通路中的脈沖成形濾波器）后進入相關(guān)器輸入相關(guān)器的信號分別與3種相位的本地PN碼的進行相關(guān)，即當前相位的本地PN碼、超前0.5 chip的本地PN碼和滯后0.5 chip的本地PN碼相關(guān)器輸出為分別對應(yīng)3種相位的3個復值，即sum_M、sum_E和sum_L，每符號周期更新一次3個相關(guān)值的時序關(guān)系示意圖如圖2所示圖中橫軸為時間，縱向虛線的間距為0.5 chip，點劃線表示下一次的相關(guān)時段

      捕獲、跟蹤算法利用3個相關(guān)復值對本地PN碼相位和NCO輸出進行實時調(diào)整，得到精確的PN碼相位后進行解調(diào)、幀同步以及RS解碼

      2．硬件組成

      硬件組成較為簡潔包含一片浮點DSP(TMS320C6701)及相應(yīng)的FlashROM（512K×8）、擴頻ASIC、串行數(shù)據(jù)接口部分（TL16C750）、DAC（ADV7128）、ADC（TLC5540）以及CPLD（AS 64/32）圖3為硬件結(jié)構(gòu)的示意圖

      本中頻系統(tǒng)中幀格式形成、串并轉(zhuǎn)換、捕獲、跟蹤、頻移校正、解調(diào)、幀同步、FEC編解碼等計算及控制過程均由DSP實現(xiàn)DSP程序的設(shè)計環(huán)境為CCS2.0，程序主要由C語言編寫，混入少量匯編，以保證關(guān)鍵過程運算和控制的實時性

      三、接收通路的部分工作過程

      相對接收通路而言，發(fā)送通路比較容易實現(xiàn)大部分發(fā)送通路的工作都由ASIC完成，并且異步串行數(shù)據(jù)的接收、RS編碼、串并轉(zhuǎn)換都相對簡單且只占用DSP較少的資源在研制中，較大部分的工作量集中在接收過程的DSP程序設(shè)計

      1．捕獲與跟蹤過程

      捕獲是指接收機在開始接收發(fā)送來的擴頻信號時調(diào)整或選擇本地PN碼相位，使其與發(fā)送來的序列相位一致跟蹤是在捕獲的基礎(chǔ)上，對PN碼相位做進一步的精確同步捕獲與跟蹤是直擴通信的關(guān)鍵處理過程本中頻系統(tǒng)利用ASIC每符號周期提供的３個復相關(guān)值來進行PN碼相位和NCO輸出的修正，實現(xiàn)捕獲

      假設(shè)N表示PN碼長，ph表示PN碼相位，捕獲的基本過程的C函數(shù)流程大致表示為圖4

      在捕獲過程中，此函數(shù)被不斷調(diào)用直至實現(xiàn)捕獲（Return 1）

      由圖2和圖4可見，在捕獲過程中，本地碼字相位每符號周期調(diào)整1.5 chip，即可在N/1.5個符號周期內(nèi)以0.5 chip為間隔遍歷所有PN碼相位上的相關(guān)值，當最大相關(guān)值大于平均相關(guān)值的2.5倍時認為實現(xiàn)了捕獲最長捕獲時間即為

      式中，Ｔs為符號寬度

      例如：當系統(tǒng)數(shù)據(jù)速率為4.8 kbps（符號速率為2.4k），PN碼長為1 023時：

      此差值經(jīng)過放大、低通濾波和環(huán)路濾波（均由程序?qū)崿F(xiàn)）后對本地PN碼相位和本地NCO相位進行微小調(diào)整，實現(xiàn)最佳碼字同步，即實現(xiàn)跟蹤本系統(tǒng)PN碼跟蹤精度為1/8 chip

      2．多普勒頻移檢測和修正

      接收過程中本地NCO頻率應(yīng)始終對準中頻頻率，以保證解擴和解調(diào)的性能當收發(fā)兩端存在較大的相對徑向速度時（如機載通信），載波頻率出現(xiàn)明顯漂移，影響接收性能本系統(tǒng)利用對復相關(guān)值進行256點的基4復數(shù)FFT來實時估計譜包絡(luò)的偏移程度，根據(jù)誤差實時修改本地NCO頻率值，保證接收性能

      需要指出的是，理論上直接對中頻采樣信號進行功率譜估計也可實現(xiàn)多普勒頻移的檢測，但由于擴頻信號功率譜密度本來就較低，且端機所處的電磁環(huán)境有可能很惡劣，所以實際上這種方法很難有效檢測多普勒頻移中頻采樣信號的數(shù)據(jù)量很大，所以這種方法對計算速度的要求也很高相比而言，通過對相關(guān)值進行FFT來進行多普勒頻移的檢測和修正具有更高的可靠性和低得多的計算量

      為保證計算速度，F(xiàn)FT算法使用遞歸的方法實現(xiàn)算法流程參見文獻〔2〕中的圖6.12

      3．解調(diào)與幀同步

      當系統(tǒng)處于跟蹤狀態(tài)時，由復相關(guān)值經(jīng)過簡單的計算即可得到比特信息比特信息被送往串行緩沖區(qū)，并進行幀同步特征字的搜索搜索到特征字后，信息字節(jié)被送往接收緩沖區(qū)，等待FEC解碼

      4．FEC

      FEC在無線通信中具有重要作用在設(shè)計中FEC主要解決的問題是糾正隨機誤碼和較短的突發(fā)誤碼出現(xiàn)較長的突發(fā)誤碼時，接收通路一般處于重新捕獲的狀態(tài)，而捕獲過程中FEC解碼不工作本端機的FEC采用（63，47）的RS碼，無交織

      四、測距的實現(xiàn)

      在整個通信/定位系統(tǒng)中，測距是用戶實現(xiàn)三維定位和相對導航的前提本端機進行測距的基本原理是對接收和發(fā)送PN碼的相位差進行檢測，由此相位差估計出延時，進而估計出兩端機間的距離只要端機間能夠建立通信，即可在通信的同時完成測距，所以本端機的測距功能具有與通信相同的抗干擾能力

      測距時首先由希望獲取對方距離的一端（主端機）主動發(fā)出測距指令，對方（從端機）接收到此指令后對轉(zhuǎn)發(fā)信號進行同步處理

      符號同步：用接收信號的符號時鐘對轉(zhuǎn)發(fā)信號的符號時鐘進行同步，使轉(zhuǎn)發(fā)信號和接收信號具有相同的符號起始時刻

      偽碼同步：計算接收信號和轉(zhuǎn)發(fā)信號的偽碼相位差，根據(jù)此差值修正轉(zhuǎn)發(fā)信號的偽碼相位，使轉(zhuǎn)發(fā)信號和接收信號具有相同的偽碼相位需要注意的是，由于主端機和從端機的系統(tǒng)時鐘不可能完全一致，總是存在一個較小的頻差，所以在測距過程中需要不斷對偽碼相位差進行實時檢測和修正，以確保從端機的收發(fā)偽碼同步

      測距過程的C函數(shù)大致流程如圖5所示

      當系統(tǒng)數(shù)據(jù)速率為4.8 kbps，PN碼長為1 023時，chip寬度為0.407 μs由于本地PN碼同步精度為1/8 chip，所以信號往返延時的測量精度為

      實際中由于收發(fā)兩端載波頻率不完全一致以及收發(fā)端PN碼相位差的抖動造成了測距精度的降低增加雙工UHF射頻單元后，實測測距誤差小于16 m由于主端機采用計時器對信號往返延時進行粗估計，最遠測距距離僅受通信距離限制，這保證了整個系統(tǒng)通信和定位的區(qū)域覆蓋能力相同

      整個通信/定位系統(tǒng)正常工作時，每個用戶端機通過對其它用戶進行測距可獲取本機的相對位置信息，實現(xiàn)相對導航若有些（多于3個）用戶端機已知絕對坐標（如地面臺），則其它用戶可通過對這些端機的測距并結(jié)合卡爾曼濾波的方法來獲取自己的絕對坐標對于空中用戶，本端機可與慣性導航系統(tǒng)交聯(lián)，提高導航與定位的精度和穩(wěn)定度

      五、結(jié)束語

      將中頻系統(tǒng)中擴頻調(diào)制中的一個支路（圖1中的PN1支路）用作導頻信道并增添軟件接口，可以組建同步CDMA或準同步（同步精度為幾個chip）CDMA數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)通過端機間的精確同步和功率控制提高系統(tǒng)容量和定位精度，使系統(tǒng)的優(yōu)良特性得以充分發(fā)揮和利用

      本端機的參數(shù)可以靈活設(shè)置，可以實現(xiàn)GPS信號的C/A碼捕獲（擴頻系數(shù)為1 023，chip速率為1.023 Mbps時），但需要更改和增添軟件及射頻部分

      在信道質(zhì)量較好或無特殊抗干擾要求時，本端機可以工作在非擴頻方式下，這時最高數(shù)據(jù)速率可以達到4.096 Mbps（QPSK調(diào)制）

      本端機處于試驗完善階段研制過程中考慮到功能的擴展及軟件調(diào)試和更改的要求，選用了處理能力較強的DSP，留有較大的處理余量，在必要時可以加入語音壓縮編碼和更高性能的FEC

      參考文獻

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