數字中頻解擴方法及裝置的製作方法
2023-04-27 17:15:31 2
專利名稱：數字中頻解擴方法及裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於直接序列擴頻系統的數字解擴方法及裝置，特別是一種用於在中頻直接對BPSK模擬信號進行採樣及數位化並進行數字相關/匹配濾波解擴處理的數字中頻解擴方法及裝置。
現代通信與電子系統中已廣泛採用了擴展頻譜技術，特別是直接序列擴頻技術得到了廣泛的應用。在通信系統和雷達系統中，採用較多的一類直接序列擴頻信號是BPSK信號。目前，對BPSK擴頻信號的解擴方法主要有兩種，一種是採用表面聲波(SAW)器件的中頻模擬解擴方法，見文獻K.Doster and M.Pandit，Performance of SAW tapped delay line in an improved synchronizing circuit，IEEETrans.Commun.Vol.COM-30，No.1，JAN.1982，pp.219-222和文獻P.W.Baier，K.Doster，and M.Pandit，A novel spread-spectrum receiver synchronization schemeusing a SAW tapped delay line.IEEE Trans.Commun.Vol.COM-30，No.5，1982，pp.1037。另一種是採用數字器件的I、Q正交雙通道數字基帶解擴方法，如美軍的定位報告系統(PLRS)中用於粗同步頭捕獲的數字相關/解擴方法，見劉徐德主編的《戰術通信、導航定位和識別綜合系統文集(第1集)》，電子工業出版社，北京，1991年2月，第195-196頁。
在中頻模擬解擴方法中，所採用的器件主要是SAW相關器、SAW卷積器或SAW存儲相關卷積器等。雖然基於SAW器件的BPSK信號中頻模擬解擴裝置具有體積小、重量輕和處理速度快等優點，並得到了廣泛的應用，但這種方法也存在明顯的缺點，不僅調試複雜，可靠性受到限制，而且其性能受溫度變化的影響較大，不適合在惡劣的環境下工作。
在數字基帶解擴方法中，由於採用數字器件取代模擬器件進行解擴處理，在一定程度上克服了中頻模擬解擴方法在工作可靠性、溫度穩定性等方面存在的缺點。但由於採用了正交下變頻處理，使電路結構較複雜；此外，由於構成I、Q雙通道的電路元件(包括混頻器、濾波器等)不可能完全匹配，因而會造成I、Q雙通道信號幅度和相位的不平衡，引起系統性能的降低；還有，在數字基帶解擴方法中仍然要使用較多的模擬器件，因此，未從根本上解決可靠性和工程化/批量生產方面的問題。
本發明的目的在於提供一種數字中頻解擴方法及裝置，以便克服上述現有技術存在的缺點，使用於直接序列擴頻系統BPSK信號的解擴裝置同時具有結構簡單、工作溫度範圍寬、使用靈活、可靠性高和適合批量生產等優點。
本發明的目的是通過採用如下所述的數字中頻解擴方法及裝置實現的。
一種數字中頻解擴方法，包括以下步驟a.對輸入的BPSK中頻模擬信號直接進行中頻正交採樣，得到I、Q雙通道正交數位訊號輸出，其中採樣率滿足下列聯立方程式 式中，f0為BPSK信號中頻頻率，f1為擴頻碼碼速率，M和N為正整數。
b.當M為偶數時，對由步驟a獲得的I、Q雙通道正交數位訊號直接進行數字相關/匹配濾波、求模及過門限檢測處理，得到BPSK信號數字中頻解擴輸出；當M為奇數時，先要交替改變步驟a得到的I、Q雙通道每一通道中數位訊號的極性，然後再進行數字相關/匹配濾波、求模及過門限檢測處理，得到BPSK信號數字中頻解擴輸出。
一種按上述方法實現的數字中頻解擴裝置，包括a.一個中頻正交採樣裝置，其輸入為BPSK中頻模擬信號，輸出為I、Q雙通道數位訊號，它還有一個接至時鐘產生裝置的一個時鐘輸出端上的時鐘控制端。
b.一個數位訊號處理裝置，它的兩個輸入端分別接到所述中頻正交採樣裝置的I、Q雙通道數位訊號輸出端上，輸出為所需的BPSK信號數字中頻解擴輸出；它還包括一個接至時鐘產生裝置的另一個時鐘輸出端上的時鐘控制端。
c.一個用於產生中頻正交採樣裝置和數位訊號處理裝置所需時鐘的時鐘產生裝置，其輸出端A和B分別接到中頻正交採樣裝置和數位訊號處理裝置的時鐘控制端。
利用本發明，採用A/D變換器等模擬器件和現場可編程門陣列(FPGA)等數字器件所實現的用於直接序列擴頻系統BPSK信號解擴的數字中頻解擴裝置，具有結構簡單、工作溫度範圍寬、使用靈活和可靠性高等優點。本發明所述方法及裝置可用於直接序列擴頻通信系統中對BPSK信號的解擴，二相編碼脈衝壓縮雷達中的匹配濾波和敵我識別系統中的數字相關/匹配濾波處理等。
下面結合附圖和實施例對本發明做進一步詳細描述
圖1為本發明所述裝置的總體方案框圖。
圖2為本發明所述裝置第一種實施方案。
圖3為本發明所述裝置第二種實施方案。
圖4為本發明所述裝置第三種實施方案。
圖5為本發明所述裝置第四種實施方案。
圖6為用於說明本發明所述方法第一種實施方案的波形示意圖。
圖1為本發明所述裝置的總體方案框圖。如圖1所示，輸入的BPSK中頻模擬信號Si經中頻正交採樣裝置10進行直接中頻採樣及數位化後產生I、Q雙通道數位訊號輸出；由中頻正交採樣裝置10輸出的I、Q雙通道數位訊號送往數位訊號處理裝置20進行處理，產生所需的數字中頻解擴輸出So，時鐘產生裝置30產生中頻正交採樣裝置10和數位訊號處理裝置20所需的時鐘信號。
實施例1圖2為本發明所述裝置的第一種實施方案，適合於包括信號移相裝置11和M＝偶數的情況。如圖2所示，中頻正交採樣裝置10由一個信號移相裝置11和兩個A/D變換裝置13和14組成。輸入的BPSK中頻模擬信號Si，經信號移相裝置11移相後產生相位彼此相差90度的I、Q雙通道信號，這兩路信號分別被送往兩個A/D變換器13和14進行採樣及數位化。A/D變換器13和14的採樣率滿足下列聯立方程式 式中，f0為BPSK信號中頻頻率，f1為擴頻碼碼速率，M和N為正整數；比如，若f0＝10MHz，擴頻碼碼速率f1＝5MHz，N＝2，則fs＝10MHz，M＝2。
A/D變換器13和14產生的雙通道數位訊號，被送往一個由現場可編程門陣列(FPGA)器件(當然，也可採用其它通用或專用器件)構成的數字相關/匹配濾波、求模及過門限檢測裝置22，該裝置22首先對輸入的雙通道數位訊號分別進行相關/匹配濾波處理，然後求出I、Q兩路信號的模(為了簡單可採用近似法求模)，最後，經與一檢測門限比較，產生最終所需的數字中頻解擴輸出So。在圖2中，時鐘產生裝置30產生的時鐘信號A和B分別送往A/D變換器13、14和數字相關/匹配濾波、求模及過門限檢測裝置22作為它們的時鐘信號。
實施例2圖3為本發明所述裝置的第二種實施方案，適合於包括信號移相裝置11和M＝奇數的情況。與實施例1的圖2相比，圖3隻是在A/D變換器13和14與數字相關/匹配濾波、求模及過門限檢測裝置22之間增加了一個極性變換裝置21，其它部分完全一樣。極性變換裝置21的作用是對A/D變換器13和14輸出的I、Q雙通道信號的極性進行轉換，即交替改變I、Q雙通道每一通道信號的極性，以獲得正確的結果；然後再把結果送到後面的數字相關/匹配濾波、求模及過門限檢測裝置22進行處理，得到所需的數字中頻解擴信號So。這一實施例適合於M＝奇數的情況，如M＝3的情況。比如，若f0＝15MHz，碼速率f1＝5MHz，N＝2，則fs＝10MHz，M＝3。
實施例3圖4為本發明所述裝置的第三種實施方案，適合於包括時鐘移相裝置12和M＝偶數的情況。它與圖2所示實施例1的方案基本上是一樣的，它只是在中頻正交採樣裝置10中把對信號的移相改用對時鐘的移相代替，即，增加了一個時鐘移相裝置12而減少了一個信號移相裝置11。如圖3所示，中頻正交採樣裝置10由一個時鐘移相裝置12和兩個A/D變換裝置13和14組成。輸入的BPSK中頻模擬信號Si被直接送往兩個A/D變換器13和14進行採樣及數位化。A/D變換器13和14的採樣率按實施例1同樣的方法選取。A/D變換器13和14產生的雙通道數位訊號，也按實施例1同樣的方法送往後面進行處理。
在圖4中，時鐘移相裝置12接收來自時鐘產生裝置30輸出端A產生的時鐘信號，經時鐘移相裝置12移相後產生相位彼此相差90度的兩路時鐘信號(0度和90度)，這兩路時鐘信號分別送往A/D變換器13和14的時鐘輸入端作為A/D變換器的時鐘信號。這裡所述相位相差90度是相對BPSK信號中頻頻率而言。
實施例4圖5為本發明所述裝置的第四種實施方案，適合於包括時鐘移相裝置12和M＝奇數的情況。與實施例3的圖4相比，圖5隻是在A/D變換器13和14與數字相關/匹配濾波、求模及過門限檢測裝置22之間增加了一個極性變換裝置21，其它部分完全一樣。極性變換裝置21的作用與實施例2中是一樣的。
實施例5圖6給出了說明本發明所述方法第一種方案的波形示意圖，適合於對輸入信號Si進行移相的情況。在這種方案中，實現中頻正交採樣的方法是，首先對輸入的BPSK中頻模擬信號進行移相，產生相位彼此相差90度的雙通道正交模擬信號輸出(這裡所述的相位相差90度是對輸入的BPSK信號中頻頻率而言)，然後利用同一時鐘信號控制兩個A/D變換器同時對經移相產生的雙通道中頻模擬信號進行採樣及數位化，產生I、Q雙通道正交數位訊號輸出。A/D變換器的採樣率滿足下列聯立方程式 式中，f0為BPSK信號中頻頻率，f1為擴頻碼碼速率，M和N為正整數。
為了清晰，圖6中只給出了單通道的波形示意圖。
圖6(a)中的41表示BPSK基帶信號，擴頻碼碼速率f1＝5MHz；圖6(b)表示當M為偶數，這裡M＝2時某一通道的BPSK中頻模擬信號42和採樣時鐘信號43，其中，中頻頻率f0＝10MHz，採樣率fs＝10MHz，對應N＝2；圖6(c)是對圖6(b)所示BPSK中頻信號42進行採樣後的數位訊號44。可以看出，由於採樣率fs等於擴頻碼碼速率f1的整倍數，並且是中頻頻率f0的約數，因此，採樣信號44能正確反映出BPSK中頻信號42的相位(由虛線所表示的採樣信號的包絡與圖6(a)中的基帶信號41相同)，因此，通過數字相關/匹配濾波、求模及過門限檢測處理後能正確地實現解擴功能。
為了清晰，圖6(b)中已假定採樣點處在輸入正弦信號的極值點，實際上，由於輸入信號的相位是未知的，所以採樣點的位置也是隨機的。為了減小數字中頻解擴輸出誤碼率，需要採用I、Q雙通道處理，以消除輸入信號初始相位變化對檢測性能的影響。為了消除碼元包絡不理想造成的對解擴性能的影響，在每個擴頻碼碼元中應取樣兩點或兩點以上。從效/費比的觀點看，一種比較好的方案是每個碼元內取樣兩點，即取N＝2。
圖6(b)和圖6(c)所述波形是當M為偶數，這裡M＝2時的情況，當M不是偶數，而是奇數，如M＝3時，需要交替改變採樣信號的極性，才能得到正確的採樣信號相位。圖6(d)～(f)示意給出了這種情況下的波形。其中圖6(d)表示當M＝3時某一通道的BPSK中頻模擬信號45和採樣時鐘信號46，這裡，中頻頻率f0＝15MHz，採樣率fs＝10MHz，N＝2；圖6(e)是對圖6(d)所示BPSK中頻模擬信號45進行採樣後所得到的數位訊號47，圖6(f)為對圖6(e)中數位訊號47交替改變極性後得到的所需的採樣信號48。可以看出，它能正確反映出BPSK中頻模擬信號45的相位(由虛線所表示的採樣信號的包絡與圖6(a)中的基帶信號41相同)，因此，通過數字相關/匹配濾波、求模及過門限檢測處理後能正確地實現解擴功能。
實施例6實現本發明所述方法的第二種方案是，在中頻正交採用中，用對時鐘的移相代替實施例5所述的第一種方法中的對信號的移相。在這種方案中，實現中頻正交採樣的方法是，首先對時鐘信號進行移相，產生相位彼此相差90度的兩路時鐘信號(這裡所述的相位相差90度是對輸入的BPSK信號中頻頻率而言)，然後利用這兩個時鐘信號分別控制兩個A/D變換器同時對輸入的BPSK中頻模擬信號進行採樣及數位化，產生I、Q雙通道正交數位訊號輸出。其它部分與實施例5的方法相同。
權利要求
1.一種數字中頻解擴方法，包括以下步驟a.對輸入的BPSK中頻模擬信號直接進行中頻正交採樣，得到I、Q雙通道正交數位訊號輸出，其中採樣率滿足下列聯立方程式 式中，f0為BPSK信號中頻頻率，f1為擴頻碼碼速率，M和N為正整數；b.當M為偶數時，對由步驟a獲得的I、Q雙通道正交數位訊號直接進行數字相關/匹配濾波、求模及過門限檢測處理，得到BPSK信號數字中頻解擴輸出；當M為奇數時，先要交替改變步驟a得到的I、Q雙通道每一通道中數位訊號的極性，然後再進行數字相關/匹配濾波、求模及過門限檢測處理，得到BPSK信號數字中頻解擴輸出。
2.如權利要求1所述的數字中頻解擴方法，其特徵在於，所述的中頻正交採樣是通過下述方法實現的對輸入的BPSK中頻模擬信號進行移相，產生相位彼此相差90度的雙通道正交BPSK模擬信號輸出，然後利用同一時鐘信號作為兩個A/D變換器的時鐘同時對經移相產生的雙通道中頻模擬信號進行採樣及數位化，產生I、Q雙通道正交數位訊號輸出。
3.如權利要求1所述的數字中頻解擴方法，其特徵在於，所述的中頻正交採樣還可以通過下述方法實現對時鐘信號進行移相，產生相位彼此相差90度的兩路時鐘信號，這裡所述的相位相差90度是對輸入的BPSK信號中頻頻率而言；然後利用這兩個時鐘信號分別作為兩個A/D變換器的時鐘同時對輸入的BPSK中頻模擬信號進行採樣及數位化，產生I、Q雙通道正交數位訊號輸出。
4.如權利要求1所述的數字中頻解擴方法，其特徵在於，所述N的取值為N大於或等於2。
5.如權利要求1或4所述的數字中頻解擴方法，其特徵在於，所述N的取值為N等於2。
6.一種按上述方法實現的數字中頻解擴裝置，包括a.一個中頻正交採樣裝置[10]，其輸入為BPSK中頻模擬信號Si，輸出為I、Q雙通道數位訊號，它還有一個接至時鐘產生裝置[30]的一個時鐘輸出端A上的時鐘控制端；b.一個數位訊號處理裝置[20]，它的兩個輸入端分別接到所述中頻正交採樣裝置[10]的I、Q雙通道數位訊號輸出端上，輸出為所需的BPSK信號數字中頻解擴輸出So；它還包括一個接至時鐘產生裝置[30]的另一個時鐘輸出端B上的時鐘控制端；c.一個用於產生中頻正交採樣裝置[10]和數位訊號處理裝置[20]所需時鐘的時鐘產生裝置[30]，其輸出端A和B分別接到中頻正交採樣裝置[10]和數位訊號處理裝置[20]的時鐘控制端。
7.如權利要求6所述的數字中頻解擴裝置，其特徵在於，所述的中頻正交採樣裝置[10]可由下列部分組成a.一個信號移相裝置[11]，其輸入為BPSK中頻模擬輸入信號Si，輸出為相位相差90度的I、Q雙通道中頻正交模擬信號；b.兩個A/D變換裝置[13]和[14]，其輸入端分別與信號移相裝置[11]的I、Q雙通道正交數位訊號輸出端相接，輸出為I、Q雙通道數位訊號，採樣控制端接至時鐘產生裝置[30]的一個時鐘輸出端A上。
8.如權利要求6所述的數字中頻解擴裝置，其特徵在於，所述的中頻正交採樣裝置[10]還可由下列部分組成a.一個時鐘移相裝置[12]，其輸入接時鐘產生裝置[30]的一個時鐘輸入端A上，輸出為相位相差90度的兩路時鐘輸出，這裡所述相位相差90度是對輸入的BPSK中頻模擬信號Si的中頻頻率而言；b.兩個A/D變換裝置[13]和[14]，其輸入端均為輸入的BPSK中頻模擬信號數Si，輸出為I、Q雙通道正交數位訊號，採樣控制端分別接至時鐘移相裝置[12]所產生的兩路時鐘輸出上。
9.如權利要求6所述的數字中頻解擴裝置，其特徵在於，所述的數位訊號處理裝置[20]是一個數字相關/匹配濾波、求模及過門限檢測裝置[22]，其兩個輸入分別接中頻正交採樣裝置[10]的兩個輸出上，產生一個所需的數字中頻解擴輸出So；其時鐘輸入端接至時鐘產生裝置[30]的一個輸出端B上。
10.如權利要求6所述的數字中頻解擴裝置，其特徵在於，所述的數位訊號處理裝置[20]由下列部分組成a.一個極性變換裝置[21]，其兩個輸入端分別接中頻正交採樣裝置[10]的I、Q雙通道輸出上，並產生I、Q雙通道輸出；b.一個數字相關/匹配濾波、求模及過門限檢測裝置[22]，其兩個輸入分別接極性變換裝置[21]的兩個輸出上，產生一個所需的數字中頻解擴輸出So；其時鐘輸入端接至時鐘產生裝置[30]的一個輸出端B上。
全文摘要
本發明涉及一種數字中頻解擴方法及裝置。該裝置包括一個對輸入BPSK中頻信號直接進行採樣的中頻正交採樣裝置10，一個對採樣後數位訊號進行解擴處理的數位訊號處理裝置20，一個用於產生中頻正交採樣裝置10和數位訊號處理裝置20所需時鐘的時鐘產生裝置30。所述方法及裝置可用於擴頻通信、脈衝壓縮雷達和敵我識別等系統中對BPSK中頻信號的數字解擴。該裝置具有結構簡單、工作溫度範圍寬和可靠性高等優點。
文檔編號H04L5/02GK1142148SQ96106469
公開日1997年2月5日 申請日期1996年8月12日 優先權日1996年8月12日
發明者周國富, 林 建, 楊文軒 申請人:中國人民解放軍總參謀部第五十四研究所