DS-QPSK短波擴(kuò)頻猝發(fā)通信的系統(tǒng)方案研究

引言
　　短波通信是一種能進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸，而對電臺的要求相對較低的通信系統(tǒng)。短波具有的遠(yuǎn)距離通信能力和電臺具有的較高機(jī)動性等特點(diǎn)，使其在軍事通信領(lǐng)域中具有重要的應(yīng)用價值。然而，短波信道頻帶窄，傳播特性不穩(wěn)定，干擾嚴(yán)重，信號易被敵人截獲、測向和干擾。一種有效的抗干擾措施就是將擴(kuò)展頻譜通信技術(shù)及猝發(fā)通信技術(shù)應(yīng)用于短波通信中，進(jìn)行短波超快速擴(kuò)頻猝發(fā)通信。隨著現(xiàn)代通信技術(shù)的飛速發(fā)展，特別是擴(kuò)頻技術(shù)在第三代移動通信中的成功應(yīng)用，為實(shí)現(xiàn)擴(kuò)通信和猝發(fā)擴(kuò)頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)於思夹g(shù)基礎(chǔ)。超大規(guī)模集成電路和高速信號處理器高效的處理能力和處理速度也為實(shí)現(xiàn)短波猝發(fā)擴(kuò)頻數(shù)據(jù)傳輸提供了良好的硬件平臺。
　　本文首先給出了一種DS-QPSK短波擴(kuò)頻猝發(fā)通信的系統(tǒng)方案，著重對其中的同捕獲技術(shù)進(jìn)行了研究，采用滑動相關(guān)法來實(shí)現(xiàn)序列的同步，并運(yùn)用Matlab工具對其進(jìn)行了仿真。然后采用TMS320VC33、TMS320VC5509和ALTERA公司的Cyclone系列FPGA構(gòu)建了硬件平臺，給出了DSP+FPGA的混合硬件實(shí)現(xiàn)方案。
　　短波擴(kuò)頻猝發(fā)通信系統(tǒng)方案
　　系統(tǒng)構(gòu)成
　　本系統(tǒng)采用了直接序列擴(kuò)頻技術(shù)來實(shí)現(xiàn)無線短波數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。具體實(shí)現(xiàn)是用32位的沃爾什序列對信息速率為2.4Kbps的數(shù)據(jù)進(jìn)行直接序列擴(kuò)頻。在接收端利用擴(kuò)頻碼的正交性對數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)解擴(kuò)，恢復(fù)出原始信息，并且由于QPSK調(diào)制技術(shù)抗噪聲性能強(qiáng)，頻譜利用率高，結(jié)構(gòu)簡單，所以這里采用它作為數(shù)據(jù)調(diào)制方式。數(shù)據(jù)傳輸采用超快速猝發(fā)通信方式，即每次通信的時隙限定在100ms左右，發(fā)送時隙隨機(jī)分布，難以被捕獲和干擾。每個時隙的數(shù)據(jù)發(fā)送前要發(fā)送一段同步頭，用來完成擴(kuò)頻碼的識別、擴(kuò)頻碼的同步、幀同步和頻差估計等任務(wù)，接收端根據(jù)同步頭獲得的信息對數(shù)據(jù)進(jìn)行解擴(kuò)恢復(fù)。為了改善性能，運(yùn)用RAKE接收技術(shù)來接收數(shù)據(jù)，為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)的抗干擾能力，還對信息進(jìn)行了1/2卷積編碼，接收端采用Viterbi譯碼。系統(tǒng)的基本框圖組成如圖1所示，分成發(fā)射和接收兩部分，分別完成數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收功能。
　　
　　系統(tǒng)同步方案
　　對于擴(kuò)頻系統(tǒng)，接收機(jī)要從接收信號中恢復(fù)發(fā)送的數(shù)據(jù)信息，必須對接收信號進(jìn)行解擴(kuò)。解擴(kuò)的實(shí)現(xiàn)依靠本地產(chǎn)生與發(fā)送端相同的擴(kuò)頻序列，并且要求與接收信號擴(kuò)頻序列同步，這是擴(kuò)頻系統(tǒng)中非常重要的環(huán)節(jié)。
　　擴(kuò)頻序列的同步分為捕獲和跟蹤兩個階段。捕獲階段完成擴(kuò)頻序列的粗同步，將收、發(fā)端擴(kuò)頻序列的相位差限制在一個碼片或更小的范圍內(nèi)；跟蹤階段實(shí)現(xiàn)收、發(fā)端擴(kuò)頻序列的精確同步，讓本地參考信號精確跟蹤接收信號的相位變化。如何可靠的實(shí)現(xiàn)擴(kuò)頻序列的快速捕獲是影響系統(tǒng)性能的關(guān)鍵。常用的同步捕獲方法有滑動相關(guān)法、同步頭法、跳頻同步法、發(fā)射參考信號法、匹配濾波器同步法等，而滑動相關(guān)法是一種最簡單、最實(shí)用的捕獲方法。本文采用的就是這種方法。確定信號捕獲和完成碼元同步，要求同時滿足以下三個準(zhǔn)則：①在連續(xù)4個接收碼元中至少有3個與預(yù)定同步碼的順序相吻合；②接收到的單音功率譜峰值高過門限；③各單音出現(xiàn)峰值間隔連續(xù)且次序正確。
　　在本系統(tǒng)中，由于采用的是猝發(fā)通信形式，時隙較短，僅為100ms左右，因此可以認(rèn)為信道短時平穩(wěn)，發(fā)送數(shù)據(jù)的同步信息也可以一次確定，而且也可認(rèn)為多徑的每條路徑上的時延也基本是恒定，因此只需由前導(dǎo)序列一次確定相關(guān)同步信息。由于發(fā)送的前導(dǎo)序列是雙方約定好的正交碼序列集，接收端利用碼字的正交性，用本地序列與接收序列滑動相關(guān)，相關(guān)峰最大值所對應(yīng)的位置即為同步點(diǎn)。如表1所示為發(fā)送數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)。
　　
　　同步序列由48個32位Walsh序列構(gòu)成，采用了級聯(lián)編碼。第一層編碼為沃爾什序列加擾碼。對于沃爾什序列來說，同步情況下的自相關(guān)和互相關(guān)性能很好。但是在非同步的情況下，沃爾什序列的正交性變差，相關(guān)函數(shù)有較大的旁瓣值，造成信號間的干擾。為減小旁瓣值，改善Walsh碼的特性，用擾碼乘以沃爾什序列，得到的新碼作為前導(dǎo)序列的內(nèi)碼，則相關(guān)性能得到改善。第二層是對Walsh序列與48個相位組合的相乘，其中48個相位組合為 /4，3 /4，- /4，-3 /4的排列組合。經(jīng)Matlab仿真取一組使所得到的相關(guān)峰較為理想，如圖2所示。
　　
　　基于DSP+FPGA的硬件平臺
　　本系統(tǒng)采用TI公司的高性能浮點(diǎn)數(shù)字信號處理器TMS320VC33和定點(diǎn)的TMS320VC5509兩片DSP芯片作為系統(tǒng)的中央CPU，并采用ALTERA公司的Cyclone系列F
　　PGA設(shè)計出高速數(shù)字相關(guān)器，用于前端的信號同步與捕獲，三個芯片協(xié)同工作，并以此為主體架構(gòu)系統(tǒng)的整個硬件工作平臺。
　　主要芯片介紹
　　TMS320VC33是TI公司推出的高性能浮點(diǎn)運(yùn)算DSP芯片。由于其較高的性能價格比，使其應(yīng)用較為廣泛。它的結(jié)構(gòu)允許它以定點(diǎn)的速率完成浮點(diǎn)操作，因此非常適合于做高速高精度的浮點(diǎn)運(yùn)算，這一優(yōu)點(diǎn)對于像短波信道快速估值等實(shí)時性精確度要求特別高的數(shù)字信號處理應(yīng)用顯得尤為重要。TMS320VC5509處理器是TI公司最新推出的高性能低功耗定點(diǎn)數(shù)字信號處理器TMS320C55x系列中的一員。TMS320C55x系列是在C54x系列的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，能與C54x兼容，不僅增加了硬件資源，也優(yōu)化了資源管理。
　　TMS320VC5509運(yùn)行速度快，還可以進(jìn)行多種并行操作，片內(nèi)外設(shè)資源也比較豐富，與外圍設(shè)備的連接很方便，所以非常適合用來作控制用。根據(jù)上述兩種處理器的特點(diǎn)，綜合考慮系統(tǒng)的設(shè)計要求，我們把TMS320VC5509作為系統(tǒng)的主處理器，而TMS320VC33作為其協(xié)處理器。
　　本文是采用Cyclone系列芯片來實(shí)現(xiàn)數(shù)字相關(guān)器對采樣點(diǎn)值進(jìn)行一次相關(guān)，將相關(guān)結(jié)果送給中央處理器DSP，進(jìn)行下一步的同步和解擴(kuò)等處理。ALTERA公司的Cyclone器件具有專用電路，可以實(shí)現(xiàn)雙數(shù)據(jù)率（DDR）SDRAM和FCRAM接口。Cyclone器件最多有兩個鎖相環(huán)（PLL），共有六個輸出和四種層次化結(jié)構(gòu)，為復(fù)雜設(shè)計提供了強(qiáng)大的時鐘管理電路。