抗干扰通信/定位系统用户端机的数字实现

　一、引言

　　扩频通信具有抗干扰、抗多径、低截获概率等特点，自从上一世纪40年代被提出以来，其理论、方法、应用技术得到了很大发展。直接序列扩频（直扩）是扩频通信常用的一种方式，90年代初被应用于民用的CDMA蜂窝移动通信系统（IS-95），显示了其显著优点和较强的生命力。

　　测距是直扩技术的一种典型应用。利用PN码良好的自相关特性进行延时的测量进而获得距离信息，较之传统方法具有更高的抗干扰能力和测距。工作在L波段的GPS系统采用的就是直扩技术，并在世界范围获得了巨大成功和显著效益。然而由于众所周知的原因，对于某些特殊应用，过于依赖GPS是危险的。

　　为在UHF频段建立区域内的抗干扰数据通信/定位系统，在复杂的电磁环境下实现用户间的信息互通和定位及相对导航的目的，我们利用直扩技术完成了应用于该系统的用户端机中频物理平台的研制。该平台从一定程度上体现了“软件无线电”的思想，其信息速率、调制方式、PN码及处理增益、中频频率、输出电平等都由软件实时控制或更改，部分工作过程也由软件编程实现，具有较好的灵活性、通用性，并可进行功能的扩展。

　　二、端机中频单元的基本结构

　　1．原理框图

　　该端机的中频系统原理框图如图1所示。

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　　该系统大致工作过程如下：

　　发送通路中，首先对UART串行数据进行缓冲和RS编码，经串并转换后用本地PN码进行扩展，然后进入一个chip脉冲成形滤波器（平方根升余弦滤波器，滚降系数为0.4）。经内插及低通滤波、电平控制后，进行正交相位调制，取调制结果的实部作为输出进行DA转换得到中心频率为6 MHz的中频信号。DAC和ADC转换为8 bit，速率为20 MHz。图中PN1和PN2为2个等长PN码，可以相同，也可不同。若PN1和PN2不同时，应该保证其具有较好的互相关特性。

　　接收通路中，6 MHz的中频信号送入ADC，ADC的输出数据经增益控制进行正交下变频，变频结果经过抽取滤波器和chip脉冲成形滤波器（同发射通路中的脉冲成形滤波器）后进入相关器。输入相关器的信号分别与3种相位的本地PN码的进行相关，即当前相位的本地PN码、超前0.5 chip的本地PN码和滞后0.5 chip的本地PN码。相关器输出为分别对应3种相位的3个复值，即sum_M、sum_E和sum_L，每符号周期更新。3个相关值的时序关系示意图如图2所示。图中横轴为时间，纵向虚线的间距为0.5 chip，点划线表示下的相关时段。

　　捕获、跟踪算法利用3个相关复值对本地PN码相位和NCO输出进行实时调整，得到的PN码相位后进行解调、帧同步以及RS解码。

　　2．硬件组成

　　硬件组成较为简洁。包含一片浮点DSP(TMS320C6701)及相应的FlashROM（512K×8）、扩频ASIC、串行数据接口部分（TL16C750）、DAC（ADV7128）、ADC（TLC5540）以及CPLD（AS 64/32）。图3为硬件结构的示意图。

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　　本中频系统中帧格式形成、串并转换、捕获、跟踪、频移校正、解调、帧同步、FEC编解码等计算及控制过程均由DSP实现。DSP程序的设计环境为CCS2.0，程序主要由C语言编写，混入少量汇编，以保证关键过程运算和控制的实时性。

　　三、接收通路的部分工作过程

　　相对接收通路而言，发送通路比较容易实现。大部分发送通路的工作都由ASIC完成，并且异步串行数据的接收、RS编码、串并转换都相对简单且只占用DSP较少的资源。在研制中，较大部分的工作量集中在接收过程的DSP程序设计。

　　1．捕获与跟踪过程

　　捕获是指接收机在开始接收发送来的扩频信号时调整或选择本地PN码相位，使其与发送来的序列相位一致。跟踪是在捕获的基础上，对PN码相位做进一步的同步。捕获与跟踪是直扩通信的关键处理过程。本中频系统利用ASIC每符号周期提供的３个复相关值来进行PN码相位和NCO输出的修正，实现捕获。

　　假设N表示PN码长，ph表示PN码相位，捕获的基本过程的C函数流程大致表示为图4。

　　在捕获过程中，此函数被不断调用直至实现捕获（Return 1）。

　　由图2和图4可见，在捕获过程中，本地码字相位每符号周期调整1.5 chip，即可在N/1.5个符号周期内以0.5 chip为间隔遍历所有PN码相位上的相关值，当相关值大于平均相关值的2.5倍时认为实现了捕获。长捕获时间即为

　　式中，Ｔs为符号宽度。

　　例如：当系统数据速率为4.8 kbps（符号速率为2.4k），PN码长为1 023时：

　　此差值经过放大、低通滤波和环路滤波（均由程序实现）后对本地PN码相位和本地NCO相位进行微小调整，实现码字同步，即实现跟踪。本系统PN码跟踪为1/8 chip。

　　2．多普勒频移检测和修正

　　接收过程中本地NCO频率应始终对准中频频率，以保证解扩和解调的性能。当收发两端存在较大的相对径向速度时（如机载通信），载波频率出现明显漂移，影响接收性能。本系统利用对复相关值进行256点的基4复数FFT来实时估计谱包络的偏移程度，根据误差实时修改本地NCO频率值，保证接收性能。

　　需要指出的是，理论上直接对中频采样信号进行功率谱估计也可实现多普勒频移的检测，但由于扩频信号功率谱密度本来就较低，且端机所处的电磁环境有可能很恶劣，所以实际上这种方法很难有效检测多普勒频移。中频采样信号的数据量很大，所以这种方法对计算速度的要求也很高。相比而言，通过对相关值进行 FFT来进行多普勒频移的检测和修正具有更高的可靠性和低得多的计算量。

　　为保证计算速度，FFT算法使用递归的方法实现。算法流程参见文献〔2〕中的图6.12。

　　3．解调与帧同步

　　当系统处于跟踪状态时，由复相关值经过简单的计算即可得到比特信息。比特信息被送往串行缓冲区，并进行帧同步特征字的搜索。搜索到特征字后，信息字节 
被送往接收缓冲区，等待FEC解码。

　　4．FEC

　　FEC在无线通信中具有重要作用。在设计中FEC主要解决的问题是纠正随机误码和较短的突发误码。出现较长的突发误码时，接收通路一般处于重新捕获的状态，而捕获过程中FEC解码不工作。本端机的FEC采用（63，47）的RS码，无交织。

　　四、测距的实现

　　在整个通信/定位系统中，测距是用户实现三维定位和相对导航的前提。本端机进行测距的基本原理是对接收和发送PN码的相位差进行检测，由此相位差估计出延时，进而估计出两端机间的距离。只要端机间能够建立通信，即可在通信的同时完成测距，所以本端机的测距功能具有与通信相同的抗干扰能力。

　　测距时首先由希望获取对方距离的一端（主端机）主动发出测距指令，对方（从端机）接收到此指令后对转发信号进行同步处理。

　　符号同步：用接收信号的符号时钟对转发信号的符号时钟进行同步，使转发信号和接收信号具有相同的符号起始时刻。

　　伪码同步：计算接收信号和转发信号的伪码相位差，根据此差值修正转发信号的伪码相位，使转发信号和接收信号具有相同的伪码相位。需要注意的是，由于主端机和从端机的系统时钟不可能完全一致，总是存在一个较小的频差，所以在测距过程中需要不断对伪码相位差进行实时检测和修正，以确保从端机的收发伪码同步。

　　测距过程的C函数大致流程如图5所示。

　　当系统数据速率为4.8 kbps，PN码长为1 023时，chip宽度为0.407 μs。由于本地PN码同步为1/8 chip，所以信号往返延时的测量为

　　实际中由于收发两端载波频率不完全一致以及收发端PN码相位差的抖动造成了测距的降低。增加双工UHF射频单元后，实测测距误差小于16 m。由于主端机采用计时器对信号往返延时进行粗估计，远测距距离仅受通信距离限制，这保证了整个系统通信和定位的区域覆盖能力相同。

　　整个通信/定位系统正常工作时，每个用户端机通过对其它用户进行测距可获取本机的相对位置信息，实现相对导航。若有些（多于3个）用户端机已知坐标（如地面台），则其它用户可通过对这些端机的测距并结合卡尔曼滤波的方法来获取自己的坐标。对于空中用户，本端机可与惯性导航系统交联，提高导航与定位的和稳定度。

　　五、结束语

　　将中频系统中扩频调制中的一个支路（图1中的PN1支路）用作导频信道并增添软件接口，可以组建同步CDMA或准同步（同步为几个chip）CDMA数据网络。通过端机间的同步和功率控制提高系统容量和定位，使系统的优良特性得以充分发挥和利用。

　　本端机的参数可以灵活设置，可以实现GPS信号的C/A码捕获（扩频系数为1 023，chip速率为1.023 Mbps时），但需要更改和增添软件及射频部分。

　　在信道质量较好或无特殊抗干扰要求时，本端机可以工作在非扩频方式下，这时数据速率可以达到4.096 Mbps（QPSK调制）。

　　本端机处于试验完善阶段。研制过程中考虑到功能的扩展及软件调试和更改的要求，选用了处理能力较强的DSP，留有较大的处理余量，在必要时可以加入语音压缩编码和更高性能的FEC。

　　参考文献

［1］朱近康．CDMA扩频通信技术［Ｍ］．人民邮电出版社，2001．

［2］A. V. Oppenheim，R. W. Schafer． Discrete-Time Signal Processing［Ｍ］．Prentice Hall, 1989.

［3］杨小牛，等．软件无线电原理与应用［Ｍ］．电子工业出版社，2001 ．

［4］查光明，熊贤祚．扩频通信［Ｍ］．西安电子科技大学出版社，1990．

［5］TL16C750 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/TL16C750_650875.html.

［6］ADV7128 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/ADV7128_125181.html.

［7］TLC5540 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/TLC5540_1073968.html.

［8］CPLD datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/CPLD_1136600.html.