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射頻/無線  

RF收發器應用中直接序列擴頻處理增益的計算方法

上網時間: 2002年08月25日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:direct sequence spread spectrum communication systems  prism  dsss  dsss system 

在RF收發器應用過程中,調整直接序列擴頻通訊系統(DSSS)的處理增益(PG)能夠獲得十分優秀的抗噪聲性能,對於增加傳輸距離和通話品質至關重要。本文以Intersil公司專用於DSSS無線設計的PRISM晶片組為例,說明處理增益的計算方法,適合於從事RF收發器應用的中國設計工程師閱讀。

在DSSS系統中,速率為rb bps的二進制隨機數據與一個速率遠高於它的偽隨機碼相乘,則頻帶被展寬。相乘之後得到的二進制偽隨機(PN)輸出符號叫做碼片,其速率稱為切譜率,為rc碼片/秒(cps)。碼片是一個隨機的與噪聲類似的信號,因此又叫做PN信號,其速率決定了被發送的擴頻信號的頻寬。通常碼片速率遠高於數據源的位元率,而二者之間的比值就是處理增益(PG)。PG真實地反映了在接收端解擴(去掉PN碼)前後信噪比的改善情況。

DSSS系統的接收機必須首先去掉接收信號的擴頻碼(即解擴),然後才能對信號進行解調。解擴時,接收機必須產生一個與發端PN碼完全一樣的偽隨機解擴信號,該信號的相位也必須鎖定在發端PN碼相位上。晶片組之中的HSP3824的碼捕獲和碼跟蹤環路可以實現這一功能,而收、發端PN碼相位的精確對準則是由相關技術實現的。

DSSS發射機

DSSS發射機原理如圖1所示。圖中用d(t)表示數據,c(t)表示擴頻碼,擴頻之後的信號q(t)被送到BPSK調變器中去,該調變器工作在載波頻率fc上,擴頻調變後被發射的信號用x(t)表示。

在課本中常見到圖2所示的DSSS接收機概念圖。值得注意的是,該框圖所示的接收系統是在射頻部份直接進行解擴,而本文所要介紹的PRISM晶片組則在基頻藉由使用HSP3824晶片進行解擴。故圖中所示的例子只能用來說明解擴的概念,並不能反映在實際中PRISM的解擴實現方法。

該例中,接收信號包含由發端過來的藉由擴頻調變的信號x(t)和一個窄頻噪聲xj(t)。如果本地產生的解擴序列c'(t)與發端的擴頻碼c(t)相同,那麼解擴後的信號藉由帶通濾波後解調,得到的d'(t)應與發端數據d(t)相同。

處理增益的好處

處理增益帶來的最大好處就是提高了DSSS信號的抗干擾性能,因為PN碼擴展了發端信號的頻寬,將信號的功率分散到整個擴頻頻寬內,所以降低了窄頻干擾對系統的影響。實際上,DSSS系統的接收機在將有用信號解擴的同時也對干擾信號進行了擴頻,見圖3。

圖3提供了接收機輸入信號功率譜密度(PSD)函數、解擴信號的PSD函數、帶通濾波器的功率傳輸函數及其輸出信號的功率譜密度,該圖直觀地描述了處理增益對干擾的抑製作用。

解擴前,干擾的頻帶很窄,但具有很高的PSD峰值,而DSSS信號頻帶很寬,且PSD較低。解擴作業拓寬了干擾的頻帶,將窄頻干擾的能量擴展到較寬的頻帶中去,降低其PSD值,也就減小了干擾功率對系統性能的影響。從BPF的輸出可以看出解擴對提高系統信噪比的作用。

例如,有一個系統使用BPSK調變,並要求解調前信號的信噪比至少為14dB才能保証誤碼率性能,那麼如果在該系統中引入10dB的擴頻處理增益,則由14dB-10dB=4dB可以推出:接收機在接收信號的功率與噪聲功率相比只高4dB時仍然能夠獲得所要求的性能。

一般來說,處理增益越高,DSSS信號的抗干擾性能就越好。處理增益的標準定義是10lg(rc/rb),單位為dB。如果系統的數據率為1Mbps,切譜率(PN碼速率)為11Mcps,那麼根據該定義可以算出系統的處理增益為10.41dB。對此,如果採用PRISM晶片組,那麼每一個數據位元將與一個11位的PN碼序列進行異或。10.41dB的處理增益也可以看作10lg(11),這?‘11’是PN碼序列的長度。如果改用長度為16位的PN碼來擴頻,那麼處理增益就等於10lg(16),即12.04dB。

用於DSSS系統的PN碼必須具備良好的自相關性、互相關性並保持一定的隨機性。DSSS接收機使用一個與發端完全相同的PN碼進行相關解擴。

下面討論幾類相關性較好的PN碼,主要討論每周期7個碼片和15個碼片的巴克碼、Willard碼以及m序列,這幾種碼在HSP3824晶片中都可以實現。

1. PN碼

具備DSSS要求的數學性能,能夠用於DSSS系統的PN碼有最大長度序列。

最大長度序列(m序列)的周期為(n為整數),可以由移位暫存器外加或閘產生,其形式由產生它的本原多項式決定。m序列不但具有很好的隨機性而且具有雙值自相關函數特性。

例如,7位的m序列PN碼是由本原多項式產生器:

(方程1)

產生的,輸出碼片如下:0 0 1 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 10...

圖4提供了數據d(t),由以上m序列構成的擴頻碼c(t),以及由d(t)和c(t)異或得到的擴頻後的信號q(t)。圖5提供了這個7位m序列PN碼的碼形及其自相關函數。值得注意的是,該PN碼的自相關函數也是每隔7個碼片周期重覆一次。如果對每個數據位元採用一個完整周期的PN碼進行擴頻,那麼該自相關函數也就每隔一個數據位元重覆一次。

再如,15位的PN碼序列由本原多項式:

(方程2)

產生,輸出碼片如下:

0 0 0 1 0 0 1 1 0 1 0 1 1 1 1 0 0 0 1 0 0 1 1 0 1 0 1 1 1 10 0 0 1 0 0 1 1 0 1 0 1 1 1 1...

2. 巴克碼

巴克碼(Barker)是一種獨特的短碼,具有相當好的相關性。這種N位的短碼(N=3-13)非常適合DSSS應用,並且都能由HSP3824產生。表1提供了幾種巴克碼。

3. Willard碼

Willard碼是藉由電腦模擬和優化找到的,在某些情況下它能夠提供比巴克碼更好的性能。同時,Willard碼也和巴克碼一樣可以由HSP3824產生。表1中也提供了幾種Willard碼。表1中所給編碼的反碼也可以用於DSSS,因為它們同樣具有DSSS所要求的自相關性。

藉由配置HSP3824實現各種PN碼擴頻,HSP3824是PRISM晶片組中的基頻處理器,由它產生PN碼序列,藉由對HSP3824編程,可以實現最長16位的任意PN碼序列。

PN碼產生器

在BPSK調變時,PN碼序列是從HSP3824內一個可配置的暫存器中平行地讀出,以串列方式送給調變器,從而對數據進行擴頻的。每一個數據符號都使用同樣的PN碼擴頻。

HSP3824中的可配置暫存器最多可以對16位編程。發端PN碼的高、低8位分別在暫存器CR13和CR14中,相應的收端PN碼的高、低8位則在暫存器CR20和CR21中。暫存器CR3的第5位和第6位用來設置每個數據位元中包含的碼片數。先發送給調變器的是PN碼序列的MSB部份,當序列長度不足16位時,將MSB截短。

HSP3824中的PN碼相關器是專門針對BPSK擴頻應用而設計的,因此它包含兩個實數相關器,一個用於I通道相關,另一個用於Q通道相關。相關器需要的收、發端PN碼序列以及序列長度都被存入HSP3824的可配置暫存器中,所以發端的擴頻參數和收端的解擴參數都可以修改。相關器由時不變匹配濾波器構成,也稱為平行相關器。

參考文獻

1. Madjid A. Belkerdid, Electrical and Computer Engineering Department, University of Central Florida, Orlando, FL 32816.


2. R. L. Pickholtz, D. L. Schilling, and L. B. Milstein, "Theory of Spread-Spectrum Communications - A Tutorial", IEEE Trans. Comm., vol COM-30, May 1982.


3. R. C. Dixon, "Spread Spectrum Systems". New York: Wiley-Interscience, 1984.


4. R. L. Peterson, R. E. Ziemer, and D. E. Borth, "Introduction to Spread Spectrum Communications". Inglewood Cliffs, NJ: Prentice Hall, 1995.

作者:John Fakatselis





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