基于软件无线电的直扩系统的设计

0 引言
　　直接序列扩频通信是扩频通信技术中的一种，具有抗干扰、抗多径衰落、抗阻塞能力强，以及频谱利用率高、保密性好、截获率低、易于组网、进行高精使测距等诸多优点。
　　本文提出了一种基于软件无线电的直扩系统的设计方案。给出了各项设计参数指标，并对所提出的设计方案进行了仿真验证。
　　1 系统基本结构
　　基于软件无线电的直扩通信终端采用对中频进行数字化采样，由软件编程实现信号的扩频、调制、解扩、解调等数字信号处理。本文重点介绍直扩通信终端的中频数字处理的具体实现方案。直扩通信终端的结构框图如图1所示。
　　

　　信号发射时，信息经过信源、信道编码后，与扩频伪码进行相乘扩频。为了使扩频后的基带信号与后面的DAC的转换速率相匹配，在正交调制之前必须通过内插把低速率的扩频基带信号提升到DAC的转换速率上。内插后的数据通过成形滤波器，以消除码间干扰和高频镜像干扰，内插滤波后的扩频基带信号与载波相乘实现数字调制，之后通过高速DAC转换成中频模拟信号。
　　信号接收时，中频模拟信号经过高速ADC采样后，与本地载波相乘进行正交下变频至零中频，经抽取滤波后，送入伪码同步环进行伪码捕获跟踪。伪码同步后，再经过信号解扩解调以及相应的信道和信源解码。
　　2 系统参数设计
　　直扩通信终端参数约束主要有如下几个方面：
　　(1)信息数据的传输速率：由于该直扩通信终端主要用于低速率数据通信以及语音通信，而且目前语音编码(如CELP、AMBE编码)后的数据速率一般为 2.4Kb/s，4Kb/s，4.8Kb/s，8Kb/s，9.6Kb/s。因而在信息速率的选择上设定信息速率为8Kb/s，信道编码采用码率为1/2 的卷积编码。因此待扩频的数据速率为16 Kb/s。
　　(2)扩频伪码类型以及阶数：由于所设计直扩通信终端目前完成的是点对点的通信，因而为了简便起见，在直扩通信终端中采用m序列作为扩频伪码。若m序列的长度太长，则不仅增长了接收机的捕获时间还增加了接收机结构的复杂性。若m序列长度太短，则中频数字化直扩通信终端的抗干扰能力减弱。因而采用折中方式，采用11阶的m序列作为中频数字化直扩通信终端的扩频伪码。
　　(3)扩频处理增益：扩频增益是直扩通信的一个重要参数，反映了系统抗干扰能力的强弱，是对信噪比改善程度的度量，其定义为接收机输出信噪功率比与接收机的输入信噪功率比之比，即：
　　

　　其中：BRF为扩频后的带宽;Bb为基带数据带宽;Rc为扩频后的伪码速率;Rb为基带数据速率。在本设计中，为了提高频带利用率，考虑到所允许的最大带宽，这里设计伪码的速率为4.096 Mb/s。因而，可以得到中频数字化直扩通信终端的处理增益为24 dB。
　　(4)数字调制方式和中频载频：由于DPSK信号采用带判决反馈结构的叉积鉴频环不仅可以消除频偏，而且还可以进行差分解调，从而不需要载波的相位同步，简化了接收机的电路设计。因而采用DPSK作为中频数字化直扩通信终端的数字调制方式。
　　在中频载频的选择上，采用21.4MHz为中频数字化直扩通信终端的中频载频。
　　(5)伪码同步电路：对于伪码捕获电路框架，采用非相干串行捕获法。其中的积分清洗滤波器可用累加器或者匹配滤波器来代替。由于直扩通信终端采用先解扩后解调，在解扩之前无法得到精确的载波相位和载频，因此伪码跟踪电路采用非相干超前延时锁相环。
　　3 仿真结果
　　由于伪码速率为4.096 Mb/s，故由采样定理可知至少需8.192 MHz的采样频率对伪码采样，考虑到伪码跟踪电路延迟超前锁相环的方便设计，采用16.384 MHz的采样速率对伪码进行采样，即一个伪码采四点。因而信息信号经扩频后得到的基带扩频信号速率为16.384Mb/s，而DAC转换速率设定为81.92 Mb/s，所以为匹配数据速率需要对基带扩频信号进行内插，内插因子为81.92/16.384=5。接收过程为发送过程的反过程，抽取因子等于内插因子也为5。
　　为了提高频谱利用率，消除码间干扰，需要使用成形滤波器对扩频后的码片进行成形滤波。在中频数字化直扩通信终端设计中为了节省电路资源，把成形滤波器设计为既起码片成形作用，又起内插滤波作用。为了降低滤波器的数据吞吐率，这里采用多项滤波结构。基带扩频信号在内插了5倍后，速率达到了81.92 Mb/s，因而滤波器的采样频率为81.92 MHz。由于采用DBPSK调制，伪码速率为4.096 Mb/s，因调制后的信号3 dB带宽为4.096 MHz，因此滤波器的截止频率只要为2.048 MHz即可，但为了能较好地滤出信号频率，在中频数字化直扩通信终端中，设定滤波器的截止频率为4.096 MHz，从而既满足了内插滤波的要求又满足了码片成形的要求。由于收发过程中都使用了成形滤波器，所以成形滤波器采用平方根升余弦滤波器。
　　根据所设定的参数，进行了直扩通信终端的扩频调制仿真，发射部分Matlab仿真结果如图2所示。
　　

　　由图2可知，信息数据经过扩频之后，其频谱在整个频段中得到了扩展，再与载频为21.4 MHz的载波相乘实现数据的上变频(即DPSK调制)。