一种多进制扩频通信基带接收的实现方法

洪 亮，云 颖

（上海航天电子技术研究所，上海201109）

一种多进制扩频通信基带接收的实现方法

洪 亮，云 颖

（上海航天电子技术研究所，上海201109）

为了在不增加带宽和不减小灵敏度的情况下增加扩频通信的数据传输速率，采用了多进制扩频通信的方法，该方法利用不同的扩频码来代表并传输信息，而不是用一种扩频码对信息源进行频谱扩展，不同的扩频码之间互相关性小且自相关性强，针对多进制扩频通信的设计思想，介绍了FPGA实现方法，详细描述了多进制扩频通信中数字下变频、伪码捕获和跟踪、载波捕获和跟踪的理论推导和技术实现途径。利用多进制扩频通信可以提高数据传输速率，在工程应用中，多进制扩频通信是一个可靠且有效的数据传输方法。

扩频通信；多进制；载波跟踪；伪码捕获；数字下变频

0 引言

与传统的直扩技术相比，多进制扩频发送的伪码是可变的，通常发送的伪码是同族的，发送的伪码取决于原始数据，如果可以发送的伪码有64种，那么其中任一个伪码就可以代表6 bit信息，这样传输数据速率就可以成倍提高，由于发送的伪码仍然是一个完整的周期并且没有提高伪码速率，所以不会减小灵敏度或者增加带宽。

多进制扩频技术已在美军JTIDS系统中得到应用，其数据通信信道的信号内码采用32进制正交码扩频信号，以64进制Gold序列码族为例，对数字接收部分的关键技术进行理论和实践分析，得出一个可行的技术实现方案。

1 工作原理

多进制扩频系统中，m位信息码由长为N的伪随机码来代表［1］。m位信息码有M＝2m个状态，则该多进制扩频系统称为M进制扩频系统，M进制扩频系统需要M条长为N的相互正交的伪随机码来表示M个状态，M条伪随机码与m位信息码的M个状态一一对应。下面都以64进制扩频系统为例进行说明。

作为发射端，如图1所示，信息源经过编码、组帧和64进制扩频，射频部分对其进行上变频，然后通过天线发射、编码和组帧之后的串行数据流进行串并转换，设串并转换为位宽8 bit的并行数据流为sn，sn的低6位sn[5：0]对应M＝64条伪随机码，记为PNQ，同时PNQ作为Q路本身可以携带一位数据sn[6]，记为bn，最高位sn[7]由I路发送，记为an，I路的伪随机码是固定的，记为PNI，PNI和PNQ之间的相对码相位信息是确定的，经过射频上变频之后，发送数据可以表示为：

U＝an*PNI*cos（ωt＋θ）＋bn*PNQ*sin（ωt＋θ），（1）

式中，ω代表载频，θ代表相位。从上面可以看出，在不改变射频调制、天线和射频带宽的情况下，64进制扩频系统的传输速率是直扩系统的8倍，反而言之，如果传输速率相同，那么射频带宽只需要1/8。

图1 多进制基带发射模块

对中频接收端的基带处理而言，如图2所示，设接收到的中频信号为：

ωi为中频载波频率，θi为中频载波相位，用本地PNI对中频信号进行伪码相位的捕获和跟踪，由于PNI伪码和PNQ伪码之间的码相位关系是确定的，一旦找到PNI的伪码相位，那么就得到了PNQ的伪码相位，Q路只需要用64路伪随机码同时进行解扩，无需重新进行伪码捕获。对于载波跟踪而言，可以利用PNI的相关结果进行载波频率，PNI的自相关结果代表了sn[7]，Q路中的64路必定只有1路相关结果大于门限，其余路的相关结果都很小，那么64路中只有1路相关峰最大，这1路就代表了sn[5：0]，同时PNQ的相关结果代表了sn[6]，于是就恢复出了8 bit信息，随后进行并串转换、帧同步和解码，得到最终的原始信息。

图2 多进制接收模块

2 接收模块设计

2.1 数字下变频

假设中频输入信号的中心频率为fc，带宽为2fb，采样率为fs，那么首先fs应该满足采样定理，确保采样后的频率不混叠，采样后的信号是把原来的中频信号以fs为步进在频域上进行无限延拓，数字下变频的作用是把延拓后最接近基带的频谱搬移到基带上，然后用低通滤波器滤除高频分量。采样后的中频信号表示为ui，数字下变频器用NCO产生正弦分量u1和余弦分量u2。

上述运算中的NCO可由Xilinx的IP core（Direct Digital Synthesizer）完成，也可自行编写，两者原理相同，都是以采样间隔时间内的相位变化来代表频率，设置一个ROM，把一个完整周期的余弦函数值存放其中，通过读地址的变化来改变输出的频率，乘法器用Xilinx的专用乘法器完成。

由式（5）和式（6）可见，其中包含倍频分量，这需要通过低通滤波器［2］滤除，滤波器用Xilinx的IP core（FIR compiler）实现，滤波器系数用Matlab的fdatool产生，低通滤波器的输出信号为：

2.2 I路和Q路并行相关器

相关器采用滑动相关的方法，即把接收的伪码与本地伪码在一个序列周期内做相关，目的是寻找伪码相位，为了更快地实现伪码相位的捕获，使用多通道并行计算相关峰，每个通道的本地伪码相互错开1/4或1/2个码相位，当载波频率一致且接收的伪码与本地伪码基本对齐时，可得最大相关峰。

I路和Q路都使用PNI去做解扩处理，式（7）和式（8）转变为：

由于PNI和PNQ的互相关值很小，式（9）和式（10）的第2项都可以忽略，an在一个伪码内保持不变，uI1和uQ1做平方和就是相关峰。

在软件设计中，相关计算过程体现为：当本地伪码为0时，累加值减去uI，当本地伪码为1时，累加值加上uI，由此可得I路相关结果，同理计算Q路相关结果，两路相关结果做平方和得到相关峰。

2.3 捕获跟踪控制器

捕获跟踪控制器的功能是通过调整本地伪码相位和本地载波频率，来实现载波捕获和伪码捕获。相关峰是调整本地载波和伪码的依据，相关峰受到两个因素的影响，一个是频差Δw，另一个是伪码相位，从式（9）和式（10）中可以看出，θe（t）仍然是一个含有频差Δw的值，只有当Δw→0且码相位对齐的时候，相关峰值最大。当伪码对齐的时候，相关峰值相对于Δw显现sinc函数的特征［3］。捕获策略是首先寻找伪码相位，当完成一个序列周期的伪码扫描后，如果相关峰没有大于门限，则调整本地载波频率，继续尝试在下一个频点进行所有码相位的扫描，如果相关峰大于门限，则调整本地伪码相位，使之与接收伪码相位基本对齐，然后扫描当前频点周围的频点，找到相关峰最大值对应的频率点，此频率即为最接近实际载波的频率，最后把本地载波频率调整至此频点，门限采用一个伪码周期内I路和Q路的能量累加和。此刻本地的载波频率和伪码相位与实际接收信号仍然有偏差，这个偏差需要载波跟踪和伪码跟踪去无限接近［4］，跟踪的结果反馈到捕获跟踪控制器，由捕获跟踪控制器去调整本地伪码和本地载波频率。

在软件设计中，此模块可由状态机去实现，可以分为频率粗捕状态、伪码捕获状态、频率细调状态、伪码细调状态和跟踪状态，跟踪状态中设有退出机制，即始终无法同步的情况下，状态机回到初始态重新开始捕获、扫描和跟踪。

2.4 本地伪码发生器

本地伪码发生器需要产生65路正交伪码，Walsh序列虽然有很好的正交性，但自相关性能不佳，m序列虽然自相关和互相关性能都不错，但m序列的数量太少，所以可以采用自相关和互相关性能都良好的Gold序列，Gold序列是由一对优先m序列通过装载不同初始值的移位寄存器模2加得到的一个码族，在跟踪与数据中继卫星系统（TDRSS）中NASA选用了这种码，实现方法上来说，可以选用65个宽度为1 bit，深度为2L－1的ROM，L为移位寄存器的位数，用上电初始化的方式把这些ROM装载Gold序列的完整周期。通过读ROM的方式产生本地伪码序列，如果需要相位调整，只要改变读地址就可以了，当找到PNI的伪码相位后，同时调整本地PNI和PNQ的伪码相位，使其与接收伪码相位一致，由于PNI和PNQ之间的伪码相位关系是确定的，所以找到PNI的伪码相位等同于找到PNQ的伪码相位，这是由发射端的伪码相位关系决定的。

2.5 载波跟踪

载波跟踪是为了克服多普勒频率漂移的影响，载波跟踪由鉴相器、环路滤波器和NCO组成［5］，鉴相器的处理对象是并行累加结果，完成累加之后的值才体现了扩频增益。

鉴相器的目的是求出接收载波和本地载波之间的相位差θe（t ），在一个伪码周期内，θe（t）可以认为基本是不变的，求arctan，就可以直接得到θe（t ）［6］，arctan可以用Xilinx的IP core（cordic）实现，θe（t）的范围在（－π，π）之间，BPSK调制时可能会出现倒π现象，即相位差会锁定在0或者π，所以需要把（－π，－3π/2）之间θe（t）对应到（0，π/2），（π/2，π）之间的θe（t ）对应到（－π/2，0），这样θe（t）的取值范围就在（－π/2，π/2），当相位差稳定锁在0或者π，鉴相器的输出为0，即代表载波跟踪环已经实现了跟踪。

2.6 伪码跟踪

发射机和接收机的晶振频率不可能完全一致，那么发射机的伪码频率和接收机的伪码速率就不一致，这就会导致伪码相位的相对滑动，所以需要对接收伪码相位进行跟踪［7］，由于伪码对齐的时候相关峰最大，可以使用早－迟通道［6］的方法来跟踪，即不断比较早通道、当前通道、迟通道的相关峰，始终把最大相关峰对应的伪码相位调整到当前通道，就可以实现伪码跟踪［8］。

2.7 64路并行相关器

64路并行相关器是用64种伪码同时对接收伪码做相关［9］，相关结果必定只有1个是大于门限的，用PNQ对Q路进行相关运算，运算结果如下：

式（11）和式（12）的第2项可以略去，把uI3和uQ3做平方和就可以得到Q路的相关峰，由最大相关峰对应的通道号就可以得出6 bit信息［10］，当进行载波跟踪过程时，θe（t ）→0，由uQ3的符号位又可得1 bit信息。

3 结束语

通过对多进制扩频通信进行理论推导分析，证明了多进制扩频通信可以在不减小灵敏度的情况下增加通信数据速率，并表征了信号处理过程中的多进制扩频信号特征，工程上结合FPGA的特性，提出了多进制扩频通信中各个算法模块［11］的实现方法，利用多进制扩频通信的保密性和高数据速率，为卫星通信、战术电台和深空通信［12］等领域提供了一个新的实现思路。

［1］郜蓓.扩频码速率异步时直扩系统码分多址能力［J］.无线电工程，2014，44（11）：30－33.

［2］王浩然，郝学坤，潘申富.非相干扩频捕获的匹配滤波器参数分析［J］.无线电工程，2011，41（4）：29－30，33.

［3］Viterbi A J.CDMA扩频通信原理［M］.李世鹤，鲍刚，彭容，译.北京：人民邮电出版社，1997.

［4］王乃雯，石云墀.目标飞行器测控与通信分系统［J］.上海航天，2011，28（6）：12－16.

［5］杨颖，陈培，王云，等.扩频通信同步系统中锁相环的设计［J］.哈尔滨工程大学学报，2010，31（2）：243－248.

［6］郑继禹，张厥盛，万心平，等.锁相技术［M］.西安：西安电子科技大学出版社，2012.

［7］Peterson R L，Ziemer R E，Borth D E.扩频通信导论［M］.沈丽丽，侯永宏，马兰，等译.北京：电子工业出版社，2006.

［8］朱汉云，洪涛.直扩信号伪码跟踪的研究［J］.安徽科技学院学报，2011，25（2）：53－56.

［9］张亚林，蔚保国.调制方式及扩频码对码跟踪精度的影响［J］.无线电工程，2011，41（11）：31－33，39.

［10］王缚鹏，何巍巍.QPSK扩频信号I、Q正交性测量方法研究［J］.无线电工程，2014，44（1）：24－27.

［11］程庆林，洪亮，吴毅杰，等.空间交会对接多体制接收机设计与实现［J］.载人航天，2014，20（1）：58－64.

［12］石云墀.载人航天空空通信子系统及其关键技术［J］.上海航天，2011，28（6）：38－42.

图5 入射波为不同频率时的输出相位差曲线

4 结束语

将奥米亚棕蝇听觉系统的耦合结构应用于测向天线阵，天线阵基线长度很小（文中为1 cm）时，对于［0 90°］范围内的入射角，当入射频率在较大范围内变化时，该耦合结构均能实现接收相位差的放大，进而实现高精度测向。在不增加基线长度的情况下保证了测向精度，从而兼顾了测向设备的小型化和高测向精度，对于工程应用具有重要的价值。

参考文献

［1］吴一帆.干涉仪测向天线孔径对GSM频段测向精度影响初探［J］.信息通信，2013（10）：3－5.

［2］李冬海，党同心，赵拥军.相位干涉仪全数字化测向方法研究［J］.信号处理，2005，21（4A）：487－490.

［3］崔功杰，吕涛，王东风，等.基于神经网络的干涉仪测向方法［J］.无线电工程，2013，43（2）：16－20.

［4］方玲炜，何青益.基于MGEKF算法的单机无源定位技术［J］.无线电通信技术，2013，39（3）：61－63.

［5］赵勇慧.提高相位干涉仪测向精度与改善测角范围的探讨［J］.火控雷达技术，2002，31：34－37.

［6］李东虎.干涉仪测向系统中的基线配置技术［J］.无线电工程，2014，44（4）：17－19.

［7］王玉林，陈建峰.干涉仪测向基线组合方式选取依据初探［J］.无线电工程，2012，42（6）：52－54.

［8］Mason A C，Oshinsky M L，Hoy R R.Hyperacute Directional Hearing in a Microscale Auditory System［J］.Nature，2001 April，410：686－690.

［9］杨铭，朱鑫磊，张雅琼，等.基于奥米亚棕蝇听觉定向机制声定位系统仿生学设计［J］.中国科技论文，2014（8）：870－873.

［10］Miles R N，Robert D，Hoy R R.Mechanically Coupled Ears for Directional Hearing in the Parasitoid Fly Ormia Ochracea［J］.Journal of the Acoustical Society of America，Dec 1995，98（6）：3059－3070.

［11］Behdad N，Li Meng，Al－Joumayly M.Biologically－inspired Antenna Arrays Based on the Hearing Mechanism of the Parasitoid Fly Ormia Ochracea［C］∥2011 IEEE International Symposium on Antennas and Propagation，pokane，Washington，USA，July 2011：1526－1529.

［12］塔娜.奥米亚寄生蝇听觉定位机理及其动力学特性研究［D］.上海：上海交通大学，2007：34－38.

Baseband Receiver Design for M-ary Spread Spectrum System

HONG Liang，YUN Ying
（Shanghai Aerospace Electronic Technology Institute，Shanghai201109，China）

In order to increase the transmission rate of spread spectrum system with limited bandwidth and no loss of sensitivity，the technique of M－ary spread spectrum is adopted.Instead of spreading signal spectrum by only one kind of PN sequence，the data source to be transmitted is represented by different PN sequences.Thecross－correlation value between different PN sequences is small while the auto－correlation value is big.An implementation method using FPGA is presented based on the principle of M－ary spread spectrum.Detailed description of theory and technical approach is given for digital down conversion，PN sequence acquisition and tracking，carrier acquisition and tracking.Data rate can be increased by using the method of M－ary spread spectrum.In the project application，M－ary spread spectrum is proved to be a reliable and effectivemethod.

spread spectrum communication；M－ary；carrier tracking；code acquisition；digital down conversion

V443.1

A

1003－3114（2015）04－104－4

10.3969/j.issn.1003－3114.2015.04.27

洪 亮，云 颖.一种多进制扩频通信基带接收的实现方法［J］.无线电通信技术，2015，41（4）：104－107.

2015－02－08

洪亮（1984—），男，工程师，主要研究方向：软件无线电。云颖（1984—），女，工程师，主要研究方向：软件无线电。