短波擴頻猝發通信系統的DSP+FPGA設計方案

引言

短波通信是一種能進行遠距離傳輸，而對電臺的要求相對較低的通信系統。短波具有的遠距離通信能力和電臺具有的較高機動性等特點，使其在軍事通信領域中具有重要的應用價值。然而，短波信道頻帶窄，傳播特性不穩定，干擾嚴重，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展頻譜通信技術及猝發通信技術應用于短波通信中，進行短波超快速擴頻猝發通信。隨著現代通信技術的飛速發展，特別是擴頻技術在第三代移動通信中的成功應用，為實現擴通信和猝發擴頻數據傳輸奠定了技術基礎。超大規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現短波猝發擴頻數據傳輸提供了良好的硬件平臺。

本文首先給出了一種DS-QPSK短波擴頻猝發通信的系統方案，著重對其中的同捕獲技術進行了研究，采用滑動相關法來實現序列的同步，并運用Matlab工具對其進行了仿真。然后采用TMS320VC33、TMS320VC5509和ALTERA公司的Cyclone系列FPGA構建了硬件平臺，給出了DSP+FPGA的混合硬件實現方案。

短波擴頻猝發通信系統方案

系統構成

本系統采用了直接序列擴頻技術來實現無線短波數據的發送和接收。具體實現是用32位的沃爾什序列對信息速率為2.4Kbps的數據進行直接序列擴頻。在接收端利用擴頻碼的正交性對數據進行相關解擴，恢復出原始信息，并且由于QPSK調制技術抗噪聲性能強，頻譜利用率高，結構簡單，所以這里采用它作為數據調制方式。數據傳輸采用超快速猝發通信方式，即每次通信的時隙限定在100ms左右，發送時隙隨機分布，難以被捕獲和干擾。每個時隙的數據發送前要發送一段同步頭，用來完成擴頻碼的識別、擴頻碼的同步、幀同步和頻差估計等任務，接收端根據同步頭獲得的信息對數據進行解擴恢復。為了改善性能，運用RAKE接收技術來接收數據，為了進一步提高系統的抗干擾能力，還對信息進行了1/2卷積編碼，接收端采用Viterbi譯碼。系統的基本框圖組成如圖1所示，分成發射和接收兩部分，分別完成數據的發送和接收功能。

系統同步方案

對于擴頻系統，接收機要從接收信號中恢復發送的數據信息，必須對接收信號進行解擴。解擴的實現依靠本地產生與發送端相同的擴頻序列，并且要求與接收信號擴頻序列同步，這是擴頻系統中非常重要的環節。

擴頻序列的同步分為捕獲和跟蹤兩個階段。捕獲階段完成擴頻序列的粗同步，將收、發端擴頻序列的相位差限制在一個碼片或更小的范圍內；跟蹤階段實現收、發端擴頻序列的精確同步，讓本地參考信號精確跟蹤接收信號的相位變化。如何可靠的實現擴頻序列的快速捕獲是影響系統性能的關鍵。常用的同步捕獲方法有滑動相關法、同步頭法、跳頻同步法、發射參考信號法、匹配濾波器同步法等，而滑動相關法是一種最簡單、最實用的捕獲方法。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則：①在連續4個接收碼元中至少有3個與預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各單音出現峰值間隔連續且次序正確。

在本系統中，由于采用的是猝發通信形式，時隙較短，僅為100ms左右，因此可以認為信道短時平穩，發送數據的同步信息也可以一次確定，而且也可認為多徑的每條路徑上的時延也基本是恒定，因此只需由前導序列一次確定相關同步信息。由于發送的前導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，相關峰最大值所對應的位置即為同步點。如表1所示為發送數據幀結構。

同步序列由48個32位Walsh序列構成，采用了級聯編碼。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和互相關性能很好。但是在非同步的情況下，沃爾什序列的正交性變差，相關函數有較大的旁瓣值，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序列的內碼，則相關性能得到改善。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Matlab仿真取一組使所得到的相關峰較為理想，如圖2所示。