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(空军工程大学 工程学院, 陕西 西安710038)
摘 要：利用码分多址扩频理论,给出了一种基于软件无线电的多路中频数字化直接序列扩频通信系统的设计方案,并采用可编程数字器件AD6623等予以实现。实验结果表明,该实现方法达到了设计要求,并具有良好的通用性和灵活性。
关键词：码分多址 直接序列扩频 AD6623 中频数字化
扩频通信具有抗干扰、抗多径、低截获概率等优点。20世纪70年代以来,扩频通信的理论和方法得到了很大发展。直接序列扩频(直扩)作为扩频通信的一种常用方式,已成功地应用于军事和民用通信中,并已成为第三代移动通信系统的核心技术之一,充分显示了其显著优点和强大生命力。
扩频通信是以增加信息传输的带宽为代价的。而现有的频带资源非常有限,为了提高单位带宽内信息传输的速率,笔者提出采用直接序列扩频CDMA思想。在发端,将一路串行的数据信息经串/并转换转换为N路并行的数据信息,然后分别用N个相互正交的PN码对每路信息进行调制完成扩频,形成N路扩频的基带信息,每路基带信息再经过基带成形滤波,上变频调制到同一中频后再将N路信号合成送给射频接口完成发送。在收端,用与发端相同的N个PN码分别与接收信号进行互相关运算,然后与判决门限比较获取同步信息,比较互相关值大小获得用户数据,将恢复的N路数据再进行并/串转换即恢复出原始发送信息。这样,整个系统所需的传输带宽就降低为原来的1/N。
多路中频数字化直扩系统的原理示意图如图1所示。
图1 多路直扩系统的原理示意图
1 多路中频数字化直扩通信系统的总体设计
系统硬件电路设计框图如图2所示。
图2 系统硬件电路设计框图
A/D转换器采用AD公司的AD6644,它的最高采样率可达65MSPS,分辨率为14位。在本系统中,由AD6644直接对6MHz中频信号进行过采样,实现系统的中频数字化,采样时钟为19.6608MHz。
数字下变频器选用AD公司的AD6620,它是美国AD公司推出的高性能数字信号处理芯片,可以完成高速数字信号的下变频及抽取滤波工作,功能强大。内部信号处理单元由四个部分组成:频率变换器、二阶固定系数梳状抽取滤波器(CIC2)、五阶固定系数梳状抽取滤波器(CIC5)和一个系数可编程的抽取滤波器(RCF)。在本系统中,AD6620的初始化由DSP TMS320LC31完成,AD6620通过并口向DSP输出处理后的基带数据。
D/A转换器采用AD公司的AD9772A,它的最高转换速率为160MHz,转换位数为14位。在本系统中,由AD9772A完成发射单元的多路合成数字中频向模拟中频的转换,转换时钟频率为19.6608MHz。
数字上变频器采用AD公司的AD6623,其主要特征有以下几点:高达104MHz的工作时钟、单片集成四个独立的数字发射通道、可编程插值滤波器和增益控制。AD6623内部的信号处理包括以下四个部分:频率变换器、二阶重插值级联积分梳状滤波器(rCIC2)、五阶插值级联积分梳状滤波器(CIC5)以及一个RAM系数滤波器(RCF)。在本系统中共采用四片AD6623组成16路直接序列扩频发射单元,每一路分别从FPGA处取得扩频基带信息,进行基带成形滤波、插值和上变频调制到6MHz的中频,最后将16路中频调制信号合成为一路,再经D/A转换后送给射频发射单元接口。
DSP采用TI公司的TMS320LC31。TMS320LC31采用改进的哈佛结构,是一种能进行浮点运算的数字信号处理芯片,主频可达60MHz。在本系统中,TMS320LC31主要完成的功能是:在发射过程中,由程序产生模拟的基带信息,当DSP检测到FPGA产生的申请数据的中断信号时就将模拟基带信息通过数据总线送给FPGA;在接收过程中,DSP通过FPGA产生的中断信号分别对已完成解扩的各路数据进行接收,完成各路信息的解调,并将解调出的各路信息进行并串转换还原为发射时的一路串行信息。此外,DSP在系统上电时负责完成AD6623和AD6620的初始化,在运行过程中,还要负责AD6620的载波恢复。
FPGA采用的是ALTERA公司的EP1S40B956C7,它内部含有41250个逻辑单元,可用的I/O管脚为683个,速度为0.7ns,完全可以满足系统的各项性能要求。在本系统的发射过程中,由FPGA向DSP发中断申请,获得待发送的基带信息。在FPGA中,将一路串行的基带信息转换为16路并行的基带信息,并分别与16个互相正交的PN码相乘完成扩频,然后分别送给四片AD6623的16个数据通道。在接收过程中,数字下变频器AD6620将下变频、滤波后的基带数据送给FPGA,分别与16个本地正交PN进行匹配,完成16路PN码的捕获跟踪,从而实现16路数据的解扩。最后FPGA向DSP发送中断,由DSP完成16路数据的组装还原。
2 关键技术
AD6623内集成了四个独立的数字信号处理器(TSP),每个TSP由可编程内插系数滤波器(RCF)、可编程功率控制单元、可编程五阶级联积分梳状滤波器(CIC5)、二阶重采样级联积分梳状滤波器(RCIC2)和一个数控振荡器(NCO)等五个级联的信号处理单元组成。通过对这五个信号处理单元参数的不同设置,可以使系统以同一套硬件实现不同的功能。
2.1 NCO频率值的设定
AD6623的每一个通道都有一个独立的调制器,它可以把从CIC滤波器中接收的数据上变频成数字中频,并送入多载波合并单元。该调制器由一个32比特的正交NCO和一个正交幅度混频器(QAM)组成,该数字中频的计算公式如下:
式中,NCO_ frequency是写入寄存器Oxn02中的值;fIF是期望的中频频率; fNCO是NCO的频率,在输出是实数时是系统工作时钟fCLK的一半,而在输出是复数时是fCLK的四分之一。
在此系统中,输出为实数模式,要求上变频到fIF为6MHz的数字中频,系统工作时钟fCLK为19.6608MHz,带入上式可求得NCO_ frequency的十六进制表示为4E200000。
2.2 插值系数的的设定
在本系统中,AD6623的每个通道要将chip速率为614.4kHz的扩频信息插值到等于系统的工作时钟频率19.6608MHz,这样总的插值系数为32(19.6608MHz/614.4kHz)。利用AD公司提供的FILTER DESIGN软件可得到一组最佳的各级滤波器插值系数的分配方案:MCIC2=1,LCIC2=1,CIC5=4,MRCF=8。
2.3 滤波器系数的设定
FIR滤波器的设计目标是让614.4kHz的低通目标信号尽可能地通过,并抑制带外干扰。从滤波器幅频特性曲线的角度来看,也就是要求通带波动尽可能地小,通带宽度尽可能地与信号带宽相等,过渡带尽可能地锐利,阻带衰减尽可能地大。通常,FIR滤波器的阶数越高,幅频特性越好,AD6623提供的滤波器阶数最高可达255阶,具体选择多少要根据实际情况而定。
在本系统中使用窗函数设计法(或称傅立叶级数法)确定滤波器系数,即由理想的滤波器频率响应Hd(w)经傅立叶反变换导出hd(n),然后用一个有限长窗函数序列w(n)截取。由于输入给可编程系数滤波器的数据经过了一次插值,且插值系数MRCF为8,因此此时输入数据的采样率fs为:
fs=614.4k×8＝4.9152MHz
因为截止频率fc为614.4kHz,所以数字域截止频率wc为:
这表明在通带|w|≤wc范围内,Hd(ejw)的幅度是均匀的,且其值为1、相位为-wα。
由此可得:
取w(n)＝RN(n),按照线性相位滤波器的约束,h(n)必须为偶对称,对称中心长度应为长度的一半(N-1)/2,且α=(N-1)/2,取N＝255,则α＝127。于是可得滤波器的系数为:
FIR滤波器的幅频响应曲线如图3所示。
图3 FIR滤波器的幅频响应曲线
2.4 载波合并单元
AD6623的载波合并单元用来合并各信道的输出以产生多载波信号,该结果与18比特宽带输入总线上的内容相加后,将在高速时钟的上升沿送至18比特宽带输出总线。
3 实验验证
在基于图2的硬件平台下,DSP将模拟速率为307.2kbps的基带信息序列送给FPGA作为发送信息序列,经串/并转换后每路信息速率降低为19.2kbps, PN码长为32,所以扩频后每路chip速率为614.4kbps。在发射端,发送信息序列经FPGA扩频调制后送给AD6623上变频,然后送给AD9772A完成D/A变换;在接收端,中频信号经过AD6644采样和AD6620下变频后,再经FPGA解扩和DSP检测,解调出的信息经计算机串口送给计算机显示器显示解调结果。经实际电路验证,DSP能正确解调出所发送的扩频信号。证明利用AD6623等所设计的中频数字化多路直接序列扩频通信系统,具有硬件设计灵活、资源消耗少、调试修改方便等优点,对软件进行一定的修改,则可以作为一种通用的多路中频数字化直扩通信系统处理平台。
基于AD6623的多路中频数字化直接序列扩频通信系统,可以方便地改变系统的调制方式和调制频率,而且还可以适应不同信息速率和各种伪码码长的直接序列扩频通信,关键一点在于它采用了码分多址的思想,使得带宽利用率大大提高。实验测试表明:系统效果良好,控制灵活,适应范围广,具有较好的应用前景。
参考文献
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2 胡中豫.现代短波通信[M]. 北京: 国防工业出版社, 2003
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4 杨小牛, 楼才义, 徐建良. 软件无线电原理与应用[M]. 北京:电子工业出版社, 2001
5 AD6623 Data Sheet.AD公司,2002