摘? 要: 介紹ESDA的設(shè)計(jì)流程，給出一個(gè)用SPW軟件進(jìn)行直擴(kuò)系統(tǒng)的建模與浮點(diǎn)仿真的應(yīng)用實(shí)例，對(duì)該直擴(kuò)系統(tǒng)的性能進(jìn)行了定性和定量分析。

　　關(guān)鍵詞: ESDA? 擴(kuò)頻" title="擴(kuò)頻">擴(kuò)頻系統(tǒng)? SPW? 建模? 仿真

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　　擴(kuò)頻通信技術(shù)以其抗干擾能力強(qiáng)?保密性好?能抗多徑衰落?在采用低信號(hào)功率譜密度時(shí)對(duì)同頻段內(nèi)其它通信設(shè)備干擾小等優(yōu)點(diǎn)，在軍民用通信領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。國外已開發(fā)出了單片的全數(shù)字?jǐn)U頻處理器，具有很高的集成度和較強(qiáng)的功能，如美國Standford Telecom公司的STEL-2000A。但這類芯片的缺點(diǎn)是靈活性較差，不能滿足某些專用系統(tǒng)的需要，而且開發(fā)者不擁有核心技術(shù)，容易受制于人。隨著ESDA(電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)自動(dòng)化)技術(shù)和可編程邏輯器件的發(fā)展，開發(fā)基于軟件無線電技術(shù)?且具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的數(shù)字?jǐn)U頻ASIC芯片已變得相對(duì)容易。ESDA技術(shù)的設(shè)計(jì)流程為:

　　·系統(tǒng)建模與浮點(diǎn)仿真

　　·定點(diǎn)仿真

　　·VHDL的自動(dòng)生成

　　·邏輯綜合

　　·布局布線和可編程邏輯芯片的配置

　　首先是建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型" title="數(shù)學(xué)模型">數(shù)學(xué)模型，在原理框圖級(jí)進(jìn)行浮點(diǎn)仿真，再考慮有限字長效應(yīng)將浮點(diǎn)模型轉(zhuǎn)換成定點(diǎn)模型，通過定點(diǎn)仿真選取合適的定點(diǎn)參數(shù)，由定點(diǎn)系統(tǒng)產(chǎn)生行為級(jí)或RTL級(jí)的HDL描述，這幾步工作可由系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)工具完成，如CADENCE公司的SPW 和SYNOPSYS公司的COSSAP;經(jīng)過行為級(jí)與RTL級(jí)的綜合后，將HDL描述轉(zhuǎn)化為實(shí)際的門級(jí)硬件電路，并對(duì)硬件電路進(jìn)行優(yōu)化，就能產(chǎn)生門級(jí)EDIF網(wǎng)表，這一步由相應(yīng)的邏輯綜合工具完成，如SYNOPSYS的D.C，Mentor的LeonardoSpectrum，SYMPLICITY的SIMPLIFY;從門級(jí)網(wǎng)表中提取仿真信息做門級(jí)仿真，經(jīng)過底層的芯片級(jí)設(shè)計(jì)工具作布局布線和可編程邏輯芯片的配置后，就可實(shí)現(xiàn)對(duì)該系統(tǒng)的數(shù)字化設(shè)計(jì)和單片集成。芯片級(jí)設(shè)計(jì)工具由所選用的EPLD或FPGA芯片的生產(chǎn)廠商提供，常見的有Altera的Maxplus2， Xilinx的Alliance， Lattice的ispHDL，Actel的Designer。

　　ESDA以高層次設(shè)計(jì)方法為主要內(nèi)容，能對(duì)通信系統(tǒng)進(jìn)行軟件化設(shè)計(jì)和單片集成，具有廣闊的應(yīng)用前景，其中系統(tǒng)建模和仿真是最重要的一步。本文以美國CADENCE公司的SPW為系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)工具，介紹一個(gè)直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)的建模和浮點(diǎn)仿真。

1 系統(tǒng)的建模

　　SPW有豐富的模塊庫，涉及DSP?通信?多媒體和雷達(dá)等多種領(lǐng)域，用戶可以用標(biāo)準(zhǔn)C語言編寫新的模塊，也可以利用SPW自帶的模塊和用戶模塊組建高層次的多級(jí)組合模塊。在BDE(Block Diagram Editor方框圖編輯器)中，用SPW提供的模塊或用戶建立的模塊來構(gòu)造系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，各模塊通過信號(hào)線連接，信號(hào)流程非常清楚，模塊的參數(shù)能自動(dòng)傳到下層的各個(gè)模塊。擬設(shè)計(jì)的直擴(kuò)系統(tǒng)在中頻上進(jìn)行數(shù)字化處理，其主要技術(shù)參數(shù)為:信源數(shù)據(jù)率32kbps，差分編碼，QPSK調(diào)制方式，64位擴(kuò)頻偽碼" title="偽碼">偽碼，chip速率1.024Mbps，中頻頻率10.7MHz。系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型由發(fā)射部分和接收部分組成，圖1是發(fā)射部分的數(shù)學(xué)模型。

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　　圖1中數(shù)據(jù)輸入處理器的作用是將發(fā)送實(shí)數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行串-并轉(zhuǎn)換，將其從實(shí)數(shù)轉(zhuǎn)換為復(fù)數(shù)(數(shù)據(jù)速率降低一半)，再旋轉(zhuǎn)-45°，為差分編碼作準(zhǔn)備;差分編碼器將輸入的復(fù)數(shù)數(shù)據(jù)的絕對(duì)相位轉(zhuǎn)換成相對(duì)相位輸出，避免解調(diào)時(shí)產(chǎn)生相位模糊，它主要由一個(gè)復(fù)數(shù)乘法器和一個(gè)復(fù)數(shù)延遲單元組成;擴(kuò)頻模塊主要由兩個(gè)實(shí)數(shù)乘法器和一個(gè)偽碼序列產(chǎn)生器組成，它將輸入的每個(gè)數(shù)據(jù)擴(kuò)展成64位的偽碼輸出，偽碼速率比數(shù)據(jù)速率高64倍。擴(kuò)頻偽碼為64位的m序列:

1000000111111010101100110111011010010011100010111100101000110000。本振主要由一個(gè)復(fù)數(shù)振蕩器和一個(gè)共軛單元組成，輸出采樣率為45.056MHz?頻率為10.7MHz的正交振蕩信號(hào);QPSK調(diào)制器主要由兩個(gè)實(shí)數(shù)乘法器和一個(gè)實(shí)數(shù)加法器組成，它用擴(kuò)頻后的高速偽碼去調(diào)制正交本振信號(hào)，輸出采樣率為45.056MHz?載頻為10.7MHz的中頻信號(hào)" title="中頻信號(hào)">中頻信號(hào);發(fā)射模塊由一個(gè)中心頻率為10.7MHz?帶寬為2.5MHz的5級(jí)巴特沃思帶通濾波器組成，它用來對(duì)發(fā)射信號(hào)進(jìn)行帶寬限制。最后輸出的是帶限的中頻信號(hào)。

接收部分的數(shù)學(xué)模型見圖2。

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????接收模塊的輸入是帶限的中頻信號(hào)，它由一個(gè)中心頻率為10.7MHz?帶寬為2.5MHz?級(jí)數(shù)為5的巴特沃思帶通濾波器和一個(gè)增益控制器組成。增益控制的目的是保持輸入信號(hào)功率的恒定;下變頻器主要由兩個(gè)乘法器和兩個(gè)積分清洗器組成，積分清洗器的作用等效于低通濾波;數(shù)控振蕩器輸出的正交振蕩信號(hào)的頻率與控制端的值成正比。當(dāng)控制值為0時(shí)，輸出頻率為10.7MHz;匹配濾波器由前后處理器和相關(guān)器組成，相關(guān)器由64級(jí)延遲單元?乘法器?累加器和偽碼寄存器組成，當(dāng)擴(kuò)頻信號(hào)的偽碼序列與偽碼寄存器中的偽碼序列(與發(fā)射部分一致)實(shí)現(xiàn)同步時(shí)，相關(guān)器會(huì)輸出一相關(guān)峰;功率檢測器計(jì)算復(fù)數(shù)信號(hào)的幅值，并與設(shè)定的門限相比較，如超過門限便輸出高電平;符號(hào)跟蹤處理器主要由時(shí)鐘產(chǎn)生和信號(hào)采樣保持兩部分電路組成，它根據(jù)功率檢測的結(jié)果來產(chǎn)生數(shù)據(jù)的位時(shí)鐘，并對(duì)下變頻后的復(fù)數(shù)信號(hào)進(jìn)行采樣保持;差分解調(diào)器將復(fù)數(shù)信號(hào)的相對(duì)相位轉(zhuǎn)換成絕對(duì)相位輸出，并旋轉(zhuǎn)+45°，以方便數(shù)據(jù)的判決恢復(fù);數(shù)據(jù)輸出處理器由I?Q支路判決電路(判決門限為“0”)和并-串轉(zhuǎn)換器組成，它判決恢復(fù)出復(fù)數(shù)數(shù)據(jù)，并將其轉(zhuǎn)換成實(shí)數(shù)數(shù)據(jù)輸出;鑒頻器根據(jù)差分解調(diào)后復(fù)數(shù)信號(hào)的相位產(chǎn)生頻率誤差信號(hào)，與環(huán)路濾波器共同組成AFC的反饋支路。

　　為了測試系統(tǒng)性能，建立了傳輸信道的數(shù)學(xué)模型。它模擬從發(fā)射到接收過程中所疊加的噪聲干擾和增加的時(shí)間延遲信號(hào)，主要由常數(shù)單元?復(fù)數(shù)生成器?噪聲疊加器?復(fù)數(shù)→實(shí)部/虛部轉(zhuǎn)換器?累加器和延時(shí)單元組成。疊加的噪聲為高斯白噪聲型，噪聲功率由用戶設(shè)定的S/N值確定。傳輸信道的數(shù)學(xué)模型見圖3。

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2 系統(tǒng)的浮點(diǎn)仿真

　　系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型構(gòu)造完成之后，用Signal Flow Simulator(信號(hào)流仿真器)進(jìn)行浮點(diǎn)仿真。為了減少運(yùn)算量，仿真只在中頻上進(jìn)行，每次仿真10000個(gè)點(diǎn)。Signal Calculator(信號(hào)計(jì)算器)可對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步的分析，如看信號(hào)的眼圖?對(duì)信號(hào)進(jìn)行FFT運(yùn)算進(jìn)行一些數(shù)學(xué)運(yùn)算(如加?減?取log等)。這些有助于改進(jìn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。仿真出的發(fā)射信號(hào)見圖4～圖7，圖4是在無噪聲情況下輸出的10.7MHz中頻信號(hào)(右為時(shí)域圖，左為幅頻圖，以下均同)，圖5是S/N=5dB時(shí)的中頻信號(hào)，圖6是S/N=-5dB時(shí)的中頻信號(hào)，圖7是S/N=-15dB時(shí)的中頻信號(hào)。

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　　擴(kuò)頻系統(tǒng)的關(guān)鍵在于偽碼的捕獲和同步，該直擴(kuò)系統(tǒng)采用了數(shù)字匹配濾波器" title="數(shù)字匹配濾波器">數(shù)字匹配濾波器來實(shí)現(xiàn)偽碼的捕獲和同步，當(dāng)兩者實(shí)現(xiàn)同步時(shí)，數(shù)字匹配濾波器會(huì)輸出一相關(guān)峰。噪聲和下變頻頻差是影響相關(guān)峰值大小的主要因素。圖8～圖11是在無下變頻頻差的情況下，輸入不同S/N值的信號(hào)時(shí)，數(shù)字匹配濾波器所輸出的相關(guān)峰圖。

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3?系統(tǒng)的性能分析

　　從仿真結(jié)果來看，數(shù)字匹配濾波器對(duì)擴(kuò)頻信號(hào)的載頻是一個(gè)窄帶濾波器，只有輸入的信號(hào)為“零中頻”時(shí)，才能得到最大的相關(guān)峰值。如下變頻頻差不為0，即載頻不為0時(shí)，數(shù)字匹配濾波器輸出的相關(guān)峰值會(huì)減小。頻差對(duì)相關(guān)峰值的影響見表1。

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　　另外，噪聲和功率檢測門限的設(shè)定也是影響偽碼捕獲成功率的重要因素。在不同S/N值?不同下變頻頻差和不同檢測門限時(shí)作偽碼捕獲實(shí)驗(yàn)，得到了如表2所示的結(jié)果。

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　　表2中的檢測表示檢測概率，虛警表示虛警概率，單位均為%。門限1?門限2?門限3和門限4分別取為最大相關(guān)峰值1440(無噪聲?無下變頻頻差條件下)的2/3?1/2?1/3和1/4。從表2可以看出，當(dāng)下變頻頻差不超過5kHz時(shí)，數(shù)字匹配濾波器能對(duì)S/N=0dB的擴(kuò)頻信號(hào)正確地進(jìn)行解擴(kuò)。

　　在考察系統(tǒng)整體性能的仿真實(shí)驗(yàn)(考慮突發(fā)工作模式，未加AFC環(huán)路)中，假設(shè)信道只存在高斯白噪聲，輸入信號(hào)S/N=0dB，下變頻頻差為1.6kHz的情況下，作10000個(gè)數(shù)據(jù)的傳輸實(shí)驗(yàn)，結(jié)果出現(xiàn)58個(gè)數(shù)據(jù)錯(cuò)誤;而將下變頻頻差改為1kHz后，再作相同實(shí)驗(yàn)，未出現(xiàn)數(shù)據(jù)錯(cuò)誤。由此證明，在保持較小下變頻頻差的情況下，即發(fā)射機(jī)?接收機(jī)具有較好的頻率準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度時(shí)，該直擴(kuò)系統(tǒng)具有較強(qiáng)的抗干擾能力。

　　有關(guān)其硬件電路設(shè)計(jì)可參見2001年第1期的“電子技術(shù)應(yīng)用”。

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參考文獻(xiàn)

1 Links to Implementation Using HDS and Visual Architect.Cadence Inc，1997

2 王秉鈞，孫學(xué)軍.現(xiàn)代通信系統(tǒng)原理.天津:天津大學(xué)出版社，1991;12

3 Stanford STEL-2000A Data Sheet. Stanford Telecommunication Inc，1994