题目： 《直接序列扩频通信系统接收机设计》
文献综述
摘要：随着现代通信技术的高速发展，通信系统对于保密性和抗干扰性的要求越来越高，而扩频通信可以提高通信系统保密性和抗干扰性，在这其中直接序列扩频通信系统（DS-CDMA）因其抗干扰性强、 隐蔽性好、易于实现码分多址（CDMA）、抗多径干扰、直扩通信速率高等众多优点，而被广泛应用于许多领域中。随着数字化时代的飞速发展，对于具有良好性能指标的数字直接扩频系统在各个通信领域有着广泛的应用，该文介绍一种基于FPGA的数字化直扩接收机的设计与实现，它采用优化的数字匹配滤波器来实现扩频序列的同步捕获，大大减小了系统的资源；通过在跟踪环路中加入特殊的环路滤波器使得接收机跟踪的性能得到提高；同时由于接收机中关键模块采用了参数化设计，这使得系统有非常大的灵活性。
关键词：直接序列扩频通信系统 扩频接收机 FPGA PN码 软件无线电技术
正文：
一、课题研究背景及意义
扩频通信技术是一种将信号频谱扩展的技术，早期用于军用技术并处于保密状态，因此人们对这方面的技术了解还不够深入，在军用技术上主要是利用扩频通信的保密性能和抗干扰性能。例如军事敌对相互干扰和军事通信联络，所应用的保密技术都是源于扩频通信技术。随着个人通信业务的增加，扩频通信技术的应用呈现井喷式发展，对扩频通信的研究达到浪潮高峰。
本课题扩频接收机的设计，主要应用场景为卫星通信，所以对信号的保密性和可靠性要求较高。本课题正是利用扩频通信技术的抗干扰性能强、保密性好、信息隐蔽及防窃取等优点来实现信号保密性和可靠性的设计。在实现信号的保密性和可靠性传输中，接收机中的关键技术是信号的同步，为此本课题重点研究了扩频接收机的同步技术，来实现扩频通信系统中信号保密性和可靠性的传输。
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国内外研究概况
扩频通信技术本身具有优良特性,所以被广泛的应用。但是就目前发展状况来说扩频通信技术主要的应用领域还是军事保密和抗干扰通信，民用移动通信。像军事中深度空间探测、导弹制导、GPS定位系统等都是通过扩频通信技术来实现的21。
民用通信中随着近代微电子技术、信号处理技术、大规模集成电路和计算机技术的飞速发展，使得与扩频通信有关器件成本很大程度降低，进而一-步推动了扩频通信技术在民用领域的发展应用。在移动通信领域中像CMDA码分多址，就是扩频通信技术在民用中的一种典型应用。伴随着移动电话的出现，个人的无线通信电话业务也越来越多，致使所应用的带宽越来越拥挤,而码分多址的应用正好可以解决这一-问题，可以说为移动通信的发展带来了一次机遇。
在现代技术快速发展中，所遇到的瓶颈大多是工艺要求。因为技术理论不断巩固和完善，对于实现该技术更高性能来说是具有挑战性的，所以对于实现该技术并达到更高性能来说工艺是不可绕过的门槛，尤其是在通信领域。现代数字芯片的发展越来越成熟，纳米级别的芯片越来越接近我们，用单个芯片就可以快速完成复杂的数学运算，尤其是扩频通信中同步算法的应用和处理。应用现代的高速处理器来快速实现复杂运算是现代通信技术的迫切需求。 - 本论文拟设计选择及原因
软件无线电技术是无线通信的重点发展方向。软件无线电技术可以减少电路中硬件电路的设计，并且可以不更改硬件来实现对不同信号的处理。只需要对软件重新编程，实现对不同信号算法处理即可完成相应的功能。软件无线电架构的出现也正是由于工艺的快速发展而迅速应用起来的。在软件无线电技术中，具体的实现方式是让处理芯片靠近射频前端，这对于AD采样来说要求性能非常高。AD芯片既要满足宽频带的信号采样，又要满足高速的信号采样，所以对于高要求的AD芯片还是源于工艺和技术的应用实现。软件无线电中经AD采样后的数据，下变频处理之后直接送入处理器中，所以对于处理器的性能要求也非常高。
随着数字化时代的飞速发展，数字化的直接扩频接收机以其优良的性能、小型的体积和较小的功耗已经逐步取代传统的模拟直接扩频接收机，数字接收机通常的实现方法可归纳为三种：1）基于专用芯片的数字化接收机；2）基于DSP处理的软件无线电接收机；3）基于FPGA的全数字化接收机。基于专用芯片的数字化接收机设计开发的周期短，集成度高，可以获得较高的性价比，但工作方式受专用芯片的限制，灵活性较小。基于DSP处理的软件无线电接收机，以高速的数据处理能力，先进的组织体系结构，在通信等领域得到了较广泛的应用，缺点是DSP数据吞吐率较低，DSP掌握起来比较困难，开发周期较长。而对于基于FPGA的全数字化接收机，其以可编程门阵列（FPGA， Field Programmable Gate Array）为核心，而FPGA的编程方式简便先进、高速，且有高可靠性、开发简捷、开发周期短的诸多特点。因此，在数字接收机的设计中得到越来越广泛的应用。
本课题所研究的扩频通信系统正是采用软件无线电架构,实现对扩频通信技术的应用。软件无线电架构主要由AD9361和FPGA来实现，AD9361芯片可以实现对宽频带信号的采样与处理，并且高速采样。FPGA芯片可以实现对扩频通信技术中的算法实现快速运算。所以本系统软件无线电架构可以非常灵活的实现扩频通信技术的应用。
通过对相关文献综述的查阅和研究，在直接序列扩频同步技术研究与系统的FPGA实现的同步技术中，分别介绍了串行滑动捕获法、并行匹配滤波法、并行FFT捕获算法来实现对护频码的捕获，对扩频码跟踪采用早迟门跟踪环路，对载波跟踪分别介绍了叉积自动频率跟踪环、载波跟踪环通用环，通过文献可知对于扩频码的捕获方式的种类较多，其中串行滑动捕获法的时间相对来说比较长，并行匹配滤波法和并行FFT捕获算法的捕获时间较短，但是串行滑动捕获法的电路相对简单，并行匹配滤波法和并行FFT捕获算法电路相对复杂，从计算量来说并行FFT捕获的频域计算量要比并行匹配滤波法的时域计算量要低，对于扩频码的跟踪和载波的跟踪采用常规方法进行同步处理。在PMF-FFT的PN码捕获方法分析及仿真和GNSS接收机基带捕获跟踪技术研究中，分别介绍了扩频码捕获的PMF-FFT算法，采用分段匹配然后将相关结果进行FFT运算的捕获法，这种方法可以在搜索到码相位的同时得到多普勒频偏值,将相位和频率的二维搜索变成相位的一维搜索。最终通过文献查阅比较，本课题采用并行FFT捕获算法来实现对扩频码的捕获，采用非相干延迟锁定环来实现对扩频码的跟踪，采用改进型同相正交环来实现对载波的跟踪。
本课题主要研究的是直接序列扩频通信技术，对直接序列扩频系统的基本理论和直接序列扩频系统实现原理进行研究，重点研究的内容是扩频接收机的同步算法。具体内容包括扩频码的捕获、扩频码的跟踪、载波的跟踪，还包括信源模块的设计。其中信源模块是为接收机提供扩频源，来验证扩频接收机中的同步算法。
在扩频通信系统中，通信误码率得到很大程度的降低，但是却不能保证信息完全无误地传输，数字信号在传输过程中常常因干扰而发生损坏，接收端接收到数据后可能导致错误的判 决，对此可以采取差错控制措施来解决这一问题。本设计通过对扩频通信系统以及差错编码的仔细研究，对系统进行了整体分析后，划分出了各个功能模块，然后利用 FPGA 在性能、成本、灵活性和功耗等方面的优势，在QuartusII FPGA设计开发平台上完成软件设计，最后对设计的系统进行了完整验证 。
- 参考文献
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资料编号：[248933]
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