1、概述

擴(kuò)頻通信技術(shù)最初是在軍事抗干擾通信中發(fā)展起來(lái)的，后來(lái)又在移動(dòng)通信中得到廣泛的應(yīng)用。與其它通信技術(shù)相比，它具有低截獲概率、抗干擾性強(qiáng)、多址接入、保密性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)。目前，擴(kuò)頻通信已成為無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、微波傳輸、無(wú)線接入、移動(dòng)通信和雷達(dá)探測(cè)等領(lǐng)域一個(gè)重要研究課題，且其重要性仍不斷增長(zhǎng)。國(guó)外從50年代就開(kāi)始了對(duì)擴(kuò)頻通信的研究，它最初使用在軍事通信、空間探測(cè)和衛(wèi)星偵察等方面。由于擴(kuò)頻通信方式具有抗干擾、抗噪聲、抗多徑衰落、保密性好、譜密度低、多址復(fù)用等優(yōu)點(diǎn)，因此其具有廣闊的應(yīng)用前景。它融尖端的現(xiàn)代電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)字處理技術(shù)于一體，具有很強(qiáng)的抗干擾、反竊聽(tīng)的能力。

2、系統(tǒng)組成

整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)一個(gè)擴(kuò)頻電臺(tái)，與外部留有雙向數(shù)據(jù)接口。電臺(tái)本身帶有語(yǔ)音編解碼以及USB存儲(chǔ)功能。電臺(tái)的功能結(jié)構(gòu)如圖1所示。

電臺(tái)使用FPGA+DSP方案。發(fā)射部分主要由兩個(gè)通道組成：有線數(shù)據(jù)通道（QPSK的I路）和語(yǔ)音數(shù)據(jù)通道（QPSK的I路）。兩路信號(hào)采用不同的幀格式10kbit/s，采用相同的卷積編碼結(jié)構(gòu)((2,1,7)碼)，交織器選用二次同余交織，擴(kuò)頻編碼選用碼長(zhǎng)127的gold序列，成型濾波器選用64階余弦滾降結(jié)構(gòu)，2.54Mbit/s的數(shù)字基帶信號(hào)經(jīng)過(guò)QPSK調(diào)制之后由射頻電路上變頻，通過(guò)定向天線發(fā)送。接收機(jī)解調(diào)解擴(kuò)采用標(biāo)準(zhǔn)的捕獲與跟蹤環(huán)路，這也是本系統(tǒng)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。接收框圖如圖2所示。本方案采用零中頻方案，由于零中頻會(huì)出現(xiàn)混頻后兩個(gè)頻點(diǎn)集中，無(wú)法通過(guò)低通濾波器濾除的情況，因此采用了復(fù)數(shù)乘法器的結(jié)構(gòu)，來(lái)濾除高頻的部分。匹配濾波器主要用于信號(hào)能量的捕獲，目前采用的折疊式濾波器方案可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的并行結(jié)算，配合流水線結(jié)構(gòu)，大大提高了捕獲的速度。跟蹤部分采用超前-滯后結(jié)構(gòu)，控制部分由DSP完成，通過(guò)實(shí)時(shí)調(diào)整本地偽碼的相位來(lái)達(dá)到本地碼片和接收的碼片相位一致。載波NCO的控制由硬判決的costas環(huán)來(lái)完成，通過(guò)調(diào)整濾波器的系數(shù)達(dá)到理想的收斂速度。電臺(tái)的語(yǔ)音部分使用專用語(yǔ)音編解碼芯片完成，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量低速率的編碼。存儲(chǔ)部分采用DSP+USB接口芯片實(shí)現(xiàn)，將語(yǔ)音編碼和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到USB接口的存儲(chǔ)設(shè)備中。

Iin +

+

-

Qin +

超前1/2碼片

啟動(dòng)標(biāo)志

初始相位

滯后1/2碼片

+

+

本地相位調(diào)整 +

-

+

+

本地載波的相位和頻率調(diào)整

圖2 擴(kuò)頻接收部分框圖

載波NCO

匹配濾波器

匹配濾波器

平方

平方

本地偽碼NCO

超前相位相關(guān)

超前相位相關(guān)

滯后相位相關(guān)

滯后相位相關(guān)

平方

平方

平方

平方

門限比較和判決

判決與調(diào)整邏輯

當(dāng)前相位相關(guān)

當(dāng)前相位相關(guān)

I路輸出

Q路輸出

硬判決costas環(huán)路

3、系統(tǒng)特點(diǎn)

本電臺(tái)方案較為通用，可以用于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)語(yǔ)音通信。系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：

采用長(zhǎng)度為127位的直接序列擴(kuò)頻方式，對(duì)于可能出現(xiàn)的各種自然和人為的電磁干擾，具備較強(qiáng)的抑制能力。為進(jìn)一步保證數(shù)據(jù)的穩(wěn)定可靠傳輸，無(wú)線裝置采用約束長(zhǎng)度為7的(2,1,7)卷積碼，在誤碼率情況下可以提供大約5分貝的編碼增益。使用二次同余交織編碼提高了抗突發(fā)錯(cuò)誤的能力但不增加新的監(jiān)督碼元,從而不會(huì)降低編碼效率。

系統(tǒng)采用FPGA+DSP的方案，主要功能都由軟件編程實(shí)現(xiàn)，可以在不改變硬件的情況下，增加或減少系統(tǒng)功能，以及實(shí)現(xiàn)各種接口與其他設(shè)備互聯(lián)。

本系統(tǒng)較為通用，更換射頻模塊即可工作于所需頻段。發(fā)射功率為1W時(shí)，可以傳輸2公里以上。

本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了USB HOST功能，可以使用USB閃存盤等作為存儲(chǔ)介質(zhì)。連續(xù)存儲(chǔ)時(shí)間依數(shù)據(jù)量大小而異。容量為128M的閃存盤可以存儲(chǔ)雙向語(yǔ)音數(shù)據(jù)24小時(shí)以上。

4、系統(tǒng)參數(shù)

a) 工作頻段：電臺(tái)工作在以1.6GHz為中心的100MHz寬頻段內(nèi)，信道間隔約30MHz；

b) 雙工模式：頻分全雙工；

c) 調(diào)制方式：QPSK；

d) 射頻擴(kuò)頻帶寬：5MHz；

e) 編址容量：容納不小于10對(duì)此種無(wú)線通信設(shè)備在同一區(qū)域內(nèi)工作；

f) 擴(kuò)頻增益：21dB；

g) 干擾容限：10dB（誤碼率為10^-6）；

h) 最高支持?jǐn)?shù)據(jù)速率：20Kbps；

i) 可用信道數(shù)目：12個(gè)，可任選一對(duì)進(jìn)行通信

j) 接收機(jī)靈敏度：<-85dBm；

k) 接收機(jī)噪聲系數(shù)：<3dB；

l) 頻率穩(wěn)定度：±2.5 x 10^-6；

m) 工作溫度范圍：-20~+65℃；

n) 發(fā)射功率：100毫瓦至500毫瓦（數(shù)控增益1dB階梯）；

o) 電臺(tái)體積：20 x 20 x 15厘米；

p) 重量：<6kg；

q) 天線類型：小型平板定向天線，方向角大于60度，便于安裝時(shí)收發(fā)天線的對(duì)準(zhǔn)；

r) 帶外衰減：60dB（偏離中心頻率10MHz）

s) 電臺(tái)功耗：<20W；

t) 抗干擾通信距離：工作在最大輸出功率情況下時(shí)的通信距離不小于2公里。