一、引言

      擴(kuò)頻通信具有抗干擾、抗多徑、低截獲概率等特點(diǎn)，自從上一世紀(jì)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(kuò)頻（直擴(kuò)）是擴(kuò)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(dòng)通信系統(tǒng)（IS-95），顯示了其顯著優(yōu)點(diǎn)和較強(qiáng)的生命力

      測(cè)距是直擴(kuò)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(jìn)行延時(shí)的測(cè)量進(jìn)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(cè)距精度工作在L波段的GPS系統(tǒng)采用的就是直擴(kuò)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(duì)于某些特殊應(yīng)用，過于依賴GPS是危險(xiǎn)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(fù)雜的電磁環(huán)境下實(shí)現(xiàn)用戶間的信息互通和定位及相對(duì)導(dǎo)航的目的，我們利用直擴(kuò)技術(shù)完成了應(yīng)用于該系統(tǒng)的用戶端機(jī)中頻物理平臺(tái)的研制該平臺(tái)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(shí)時(shí)控制或更改，部分工作過程也由軟件編程實(shí)現(xiàn)，具有較好的靈活性、通用性，并可進(jìn)行功能的擴(kuò)展

      二、端機(jī)中頻單元的基本結(jié)構(gòu)

      1．原理框圖

      該端機(jī)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(duì)UART串行數(shù)據(jù)進(jìn)行緩沖和RS編碼，經(jīng)串并轉(zhuǎn)換后用本地PN碼進(jìn)行擴(kuò)展，然后進(jìn)入一個(gè)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(jìn)行正交相位調(diào)制，取調(diào)制結(jié)果的實(shí)部作為輸出進(jìn)行DA轉(zhuǎn)換得到中心頻率為6 MHz的中頻信號(hào)DAC和ADC轉(zhuǎn)換精度為8 bit，速率為20 MHz圖中PN1和PN2為2個(gè)等長(zhǎng)PN碼，可以相同，也可不同若PN1和PN2不同時(shí)，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(hào)送入ADC，ADC的輸出數(shù)據(jù)經(jīng)增益控制進(jìn)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(jìn)入相關(guān)器輸入相關(guān)器的信號(hào)分別與3種相位的本地PN碼的進(jìn)行相關(guān)，即當(dāng)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(duì)應(yīng)3種相位的3個(gè)復(fù)值，即sum_M、sum_E和sum_L，每符號(hào)周期更新一次3個(gè)相關(guān)值的時(shí)序關(guān)系示意圖如圖2所示圖中橫軸為時(shí)間，縱向虛線的間距為0.5 chip，點(diǎn)劃線表示下一次的相關(guān)時(shí)段

      捕獲、跟蹤算法利用3個(gè)相關(guān)復(fù)值對(duì)本地PN碼相位和NCO輸出進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，得到精確的PN碼相位后進(jìn)行解調(diào)、幀同步以及RS解碼

      2．硬件組成

      硬件組成較為簡(jiǎn)潔包含一片浮點(diǎn)DSP(TMS320C6701)及相應(yīng)的FlashROM（512K×8）、擴(kuò)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(jì)算及控制過程均由DSP實(shí)現(xiàn)DSP程序的設(shè)計(jì)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(yùn)算和控制的實(shí)時(shí)性

      三、接收通路的部分工作過程

      相對(duì)接收通路而言，發(fā)送通路比較容易實(shí)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(duì)簡(jiǎn)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(jì)

      1．捕獲與跟蹤過程

      捕獲是指接收機(jī)在開始接收發(fā)送來的擴(kuò)頻信號(hào)時(shí)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(duì)PN碼相位做進(jìn)一步的精確同步捕獲與跟蹤是直擴(kuò)通信的關(guān)鍵處理過程本中頻系統(tǒng)利用ASIC每符號(hào)周期提供的３個(gè)復(fù)相關(guān)值來進(jìn)行PN碼相位和NCO輸出的修正，實(shí)現(xiàn)捕獲

      假設(shè)N表示PN碼長(zhǎng)，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(shí)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(hào)周期調(diào)整1.5 chip，即可在N/1.5個(gè)符號(hào)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(dāng)最大相關(guān)值大于平均相關(guān)值的2.5倍時(shí)認(rèn)為實(shí)現(xiàn)了捕獲最長(zhǎng)捕獲時(shí)間即為

      式中，Ｔs為符號(hào)寬度

      例如：當(dāng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)速率為4.8 kbps（符號(hào)速率為2.4k），PN碼長(zhǎng)為1 023時(shí)：

      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(duì)本地PN碼相位和本地NCO相位進(jìn)行微小調(diào)整，實(shí)現(xiàn)最佳碼字同步，即實(shí)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(cè)和修正

      接收過程中本地NCO頻率應(yīng)始終對(duì)準(zhǔn)中頻頻率，以保證解擴(kuò)和解調(diào)的性能當(dāng)收發(fā)兩端存在較大的相對(duì)徑向速度時(shí)（如機(jī)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(duì)復(fù)相關(guān)值進(jìn)行256點(diǎn)的基4復(fù)數(shù)FFT來實(shí)時(shí)估計(jì)譜包絡(luò)的偏移程度，根據(jù)誤差實(shí)時(shí)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(duì)中頻采樣信號(hào)進(jìn)行功率譜估計(jì)也可實(shí)現(xiàn)多普勒頻移的檢測(cè)，但由于擴(kuò)頻信號(hào)功率譜密度本來就較低，且端機(jī)所處的電磁環(huán)境有可能很惡劣，所以實(shí)際上這種方法很難有效檢測(cè)多普勒頻移中頻采樣信號(hào)的數(shù)據(jù)量很大，所以這種方法對(duì)計(jì)算速度的要求也很高相比而言，通過對(duì)相關(guān)值進(jìn)行FFT來進(jìn)行多普勒頻移的檢測(cè)和修正具有更高的可靠性和低得多的計(jì)算量

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

      3．解調(diào)與幀同步

      當(dāng)系統(tǒng)處于跟蹤狀態(tài)時(shí)，由復(fù)相關(guān)值經(jīng)過簡(jiǎn)單的計(jì)算即可得到比特信息比特信息被送往串行緩沖區(qū)，并進(jìn)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(jì)中FEC主要解決的問題是糾正隨機(jī)誤碼和較短的突發(fā)誤碼出現(xiàn)較長(zhǎng)的突發(fā)誤碼時(shí)，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(jī)的FEC采用（63，47）的RS碼，無交織

      四、測(cè)距的實(shí)現(xiàn)

      在整個(gè)通信/定位系統(tǒng)中，測(cè)距是用戶實(shí)現(xiàn)三維定位和相對(duì)導(dǎo)航的前提本端機(jī)進(jìn)行測(cè)距的基本原理是對(duì)接收和發(fā)送PN碼的相位差進(jìn)行檢測(cè)，由此相位差估計(jì)出延時(shí)，進(jìn)而估計(jì)出兩端機(jī)間的距離只要端機(jī)間能夠建立通信，即可在通信的同時(shí)完成測(cè)距，所以本端機(jī)的測(cè)距功能具有與通信相同的抗干擾能力

      測(cè)距時(shí)首先由希望獲取對(duì)方距離的一端（主端機(jī)）主動(dòng)發(fā)出測(cè)距指令，對(duì)方（從端機(jī)）接收到此指令后對(duì)轉(zhuǎn)發(fā)信號(hào)進(jìn)行同步處理

      符號(hào)同步：用接收信號(hào)的符號(hào)時(shí)鐘對(duì)轉(zhuǎn)發(fā)信號(hào)的符號(hào)時(shí)鐘進(jìn)行同步，使轉(zhuǎn)發(fā)信號(hào)和接收信號(hào)具有相同的符號(hào)起始時(shí)刻

      偽碼同步：計(jì)算接收信號(hào)和轉(zhuǎn)發(fā)信號(hào)的偽碼相位差，根據(jù)此差值修正轉(zhuǎn)發(fā)信號(hào)的偽碼相位，使轉(zhuǎn)發(fā)信號(hào)和接收信號(hào)具有相同的偽碼相位需要注意的是，由于主端機(jī)和從端機(jī)的系統(tǒng)時(shí)鐘不可能完全一致，總是存在一個(gè)較小的頻差，所以在測(cè)距過程中需要不斷對(duì)偽碼相位差進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)和修正，以確保從端機(jī)的收發(fā)偽碼同步

      測(cè)距過程的C函數(shù)大致流程如圖5所示

      當(dāng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)速率為4.8 kbps，PN碼長(zhǎng)為1 023時(shí)，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(hào)往返延時(shí)的測(cè)量精度為

      實(shí)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(dòng)造成了測(cè)距精度的降低增加雙工UHF射頻單元后，實(shí)測(cè)測(cè)距誤差小于16 m由于主端機(jī)采用計(jì)時(shí)器對(duì)信號(hào)往返延時(shí)進(jìn)行粗估計(jì)，最遠(yuǎn)測(cè)距距離僅受通信距離限制，這保證了整個(gè)系統(tǒng)通信和定位的區(qū)域覆蓋能力相同

      整個(gè)通信/定位系統(tǒng)正常工作時(shí)，每個(gè)用戶端機(jī)通過對(duì)其它用戶進(jìn)行測(cè)距可獲取本機(jī)的相對(duì)位置信息，實(shí)現(xiàn)相對(duì)導(dǎo)航若有些（多于3個(gè)）用戶端機(jī)已知絕對(duì)坐標(biāo)（如地面臺(tái)），則其它用戶可通過對(duì)這些端機(jī)的測(cè)距并結(jié)合卡爾曼濾波的方法來獲取自己的絕對(duì)坐標(biāo)對(duì)于空中用戶，本端機(jī)可與慣性導(dǎo)航系統(tǒng)交聯(lián)，提高導(dǎo)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(kuò)頻調(diào)制中的一個(gè)支路（圖1中的PN1支路）用作導(dǎo)頻信道并增添軟件接口，可以組建同步CDMA或準(zhǔn)同步（同步精度為幾個(gè)chip）CDMA數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)通過端機(jī)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(jī)的參數(shù)可以靈活設(shè)置，可以實(shí)現(xiàn)GPS信號(hào)的C/A碼捕獲（擴(kuò)頻系數(shù)為1 023，chip速率為1.023 Mbps時(shí)），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(shí)，本端機(jī)可以工作在非擴(kuò)頻方式下，這時(shí)最高數(shù)據(jù)速率可以達(dá)到4.096 Mbps（QPSK調(diào)制）

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

      參考文獻(xiàn)

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