一種基于FPGA的直接序列擴頻基帶處理器

摘    要：本文設計實現了一種基于FPGA的直接序列擴頻基帶處理器，并闡述了其基本原理和設計方案。
關鍵詞：擴頻；FPGA；數字匹配濾波器；基帶處理器
引言
擴頻通信技術具有抗干擾、抗多徑、保密性好、不易截獲以及可實現碼分多址等許多優點，已成為無線通信物理層的主要通信手段。本文設計開發了一種基于直接序列擴頻技術(DS-SS)的基帶處理器。

直接序列擴頻通信
直接序列擴頻通信系統原理框圖如圖1所示。該處理器由FPGA芯片，完成圖1中兩虛線框所示的基帶信號處理部分。擴頻方式為11位barker碼擴頻，采用自同步加擾技術，支持最大數據速率為1.024Mbps的DBPSK和2.048Mbps的DQPSK兩種調制方式，FPGA的主時鐘頻率為22.528MHz。

設計實現
該基帶擴頻處理器包括基帶發送信號處理和基帶接收信號處理兩部分。
發送端實現方案
基帶發送處理用FPGA實現，包括接收數據的加擾、串/并轉換、差分編碼、頻譜擴展、脈沖成型和時序控制等電路模塊，其總體實現方案如圖2所示。
數據加擾
本設計采用解擾時不需要復雜同步的自同步加擾技術，擾碼器由7階線性反饋移位寄存器構成。
串/并轉換
該基帶處理器支持DBPSK和DQPSK兩種調制方式。當工作在BPSK方式時，數據以bit為單位進行處理，I/Q路數據相同。工作在DQPSK方式時，傳輸數據以相鄰的兩bit為單位進行處理，其中奇數bit進入I通道，偶數bit進入Q通道，完成串/并轉換的功能。
差分編碼
差分編碼使PSK信號變成DPSK信號，以克服“相位模糊”問題。差分編碼方案取決于調制方式是BPSK還是QPSK。當采用BPSK方式時，編碼運算比較簡單：輸出bit(k)由輸入bit(k)異或輸出bit(k-1)得到；采用QPSK方式時，因為四種可能的前一輸出狀態和四種可能的當前輸入狀態可以確定十六種輸出狀態，所以差分運算方案比采用BPSK復雜的多，其編碼方案如表1所示。
頻譜擴展
本設計選用自相關特性非常好的11位barker碼作為擴頻碼，通過barker碼和編碼后的輸出數據進行模二加實現擴頻調制，1.024Mbps 的I/Q路數據，經11.268Mbps的barker碼擴頻后變成11Mbps。
脈沖成型
為了更適合于信道傳輸的要求，需要經過波形成型后以壓縮頻帶，減小碼間干擾，同時使信號能量更加集中，增強信噪比。本設計采用一個滾降系數a=0.22的升余弦FIR數字濾波器完成I/Q路信號的成型，經成型后的I/Q路數據作為基帶處理器發送端的輸出數據送往外部調制器進行下一步處理。
接收端實現方案
基帶接收處理同樣用FPGA實現，包括AGC處理、前端處理(FEC)、數字匹配濾波器(DMF)、捕獲跟蹤、差分解調和自動頻率控制、并/串轉換和解擾，以及時序控制等電路模塊(見圖3)。   
基帶AGC處理
AGC處理模塊通過誤差估計、低通積分和能量調整，并經D/A轉換和濾波，調整接收信號的能量，使A/D轉換輸入的信號保持最佳的電平值。必須注意，AGC環路是一個慢跟蹤環路，不提供信號能量快速抖動的增益調整。
前端處理
前端處理電路由量化比特數轉化和平滑處理兩部分電路組成。
本文選用Maxim公司的MAX1198實現A/D轉換，其量化比特數為8bit。量化比特數超過3bit時，輸出信噪比僅有2dB的較小差距。鑒于此，為避免硬件成本太高，用量化比特數轉化電路將8bit表示的量化電平轉化為3bit表示。
平滑處理電路利用PN碼的游程分布特性，使DMF相關峰變得更加尖銳，有利于跟蹤數據的變化，也充分利用了信號能量，經平滑處理后進入DMF的數據為(rk+rk-1)/2。
捕獲和跟蹤                      
擴頻序列的同步包括相位捕捉和相位跟蹤，序列的捕捉完成后，盡管兩相位達到一致，但是由于噪聲、擴頻序列時鐘漂移等，將會使相關峰的位置出現偏差，因此，本設計利用最大峰值的跟蹤處理電路實現精確的擴頻碼同步。
實際系統中，由于振蕩源頻率漂移及多普勒頻移的影響，相關峰的位置會發生變化，為了對數據符號進行有效的跟蹤，該基帶處理器實現了一種“飛輪電路”(flywheel circuit)。它根據前一次成功檢測到的峰值脈沖，自動為后一個峰值脈沖在時間上設置一個“窗口”，它大約距上次脈沖一個符號時間，而寬度為前后各占一個基帶采樣時間。如果“窗口”中沒有檢測到相關峰，則該電路會自動插入一個符號時鐘脈沖，完成補脈沖的作用；如果“窗口”中檢測到相關峰，則認為是第二個符號相關峰，即開窗后，只對窗中的相關峰值進行檢測，而窗口外的峰值則被當作噪聲消掉，完成消脈沖的作用。
由于噪聲和擴頻序列自相關函數的影響，相鄰碼周期會出現相關峰的“托尾效應”，即窗中有多個大于門限1的相關值。為了跟蹤，這個電路在窗中的峰值脈沖中選擇最高的一個作為相關峰，并把該時刻作為下一個符號的起始時刻。此外，飛輪電路還通過計數實現同步檢測和跟蹤過程中的失步檢測功能。
對于QPSK信號，有兩種解調方式；相干解調(極性比較法)和差分相干解調(相位比較法)，一般相干解調比差分相干解調性能要好一些，但需要載波恢復電路。本設計采用差分相干解調，把前一信號延時后作為參考信號進行相干解調，不需要專門的相干載波。如圖4所示，該模塊包括相位翻轉、DPSK差分解調、數字鑒相、環路濾波及數控振蕩器(NCO)單元。I/Q路相關值在數字鑒相器中完成鑒相運算，經環路濾波后產生自動頻率控制字，控制壓控振蕩器的輸出，調整由于頻率漂移造成的相位波動。
相鄰符號的“點積(dot)”和“叉積(cross)”是DPSK解調和鑒相的基本運算。設Ik、Qk表示當前符號的I/Q路相關值，Ik-1、Qk-1表示前一符號的I/Q路相關值，則：
Dot(k)=Ik