摘要：為了滿足無人機(jī)遙控鏈路遠(yuǎn)距離、高動(dòng)態(tài)、強(qiáng)抗干擾能力的軍事通信需求，設(shè)計(jì)了基于長碼直接序列擴(kuò)頻技術(shù)的FPGA實(shí)現(xiàn)方案。該方案采用了一種基于FFT算法的快速偽碼捕獲方法，將傳統(tǒng)的偽碼相位與多普勒頻移二維搜索過程簡化為兩者同時(shí)捕獲的一維搜索過程。經(jīng)過硬件實(shí)現(xiàn)與測試，該方案可有效減少硬件資源消耗，同時(shí)縮短捕獲時(shí)間。
關(guān)鍵詞：無人機(jī)遙控鏈路；直接序列擴(kuò)頻；長碼捕獲；FPGA

0 引言
    近年來，無人機(jī)在軍事和民用領(lǐng)域得到了非常廣泛的應(yīng)用。無人機(jī)遙控鏈路是整個(gè)無人機(jī)系統(tǒng)的神經(jīng)中樞，可靠性方面要求嚴(yán)格。無人機(jī)飛行時(shí)復(fù)雜多變的環(huán)境，特別是遠(yuǎn)距離巡航時(shí)，其低仰角帶來的嚴(yán)重多徑衰落與高速移動(dòng)產(chǎn)生的多普勒效應(yīng)嚴(yán)重影響其遙控鏈路的可靠性，為了提高其抗干擾能力，保證可靠性，通常采用直接序列擴(kuò)頻技術(shù)，并且要求較長的偽碼長度。該技術(shù)的收發(fā)兩端要求用完全相同的偽隨機(jī)碼進(jìn)行擴(kuò)頻和解擴(kuò)，因此接收機(jī)本地參考偽碼序列與接收序列之間的精確同步是對接收信號(hào)實(shí)現(xiàn)解擴(kuò)的關(guān)鍵，而偽碼同步的關(guān)鍵是偽碼捕獲。
    對于1 024位以上的長碼擴(kuò)頻系統(tǒng)，傳統(tǒng)的偽碼捕獲方法，捕獲時(shí)間長，硬件資源消耗大，且動(dòng)態(tài)性能低，不適應(yīng)于無人機(jī)遙控鏈路。本文采用一種基于FFT算法的快速偽碼捕獲方法，設(shè)計(jì)了基于長碼直接序列擴(kuò)頻技術(shù)的無人機(jī)遙控鏈路FPGA實(shí)現(xiàn)方案，經(jīng)過硬件實(shí)現(xiàn)與測試，減少硬件資源消耗的同時(shí)縮短捕獲時(shí)間。

1 遙控鏈路實(shí)現(xiàn)方案
    該無人機(jī)遙控鏈路總體技術(shù)要求包括：信息速率為14．4 Kb／s；處理增益30 dB；擴(kuò)頻位數(shù)1 024位；碼片速率22．5 Mb／s；糾錯(cuò)編碼采用RS編碼；多普勒頻移不大于±20 kHz；同步時(shí)間小于10 ms；調(diào)制方式為QPSK。
    總體硬件實(shí)現(xiàn)方案如圖1所示。采用收發(fā)一體的數(shù)字基帶處理結(jié)構(gòu)，收發(fā)通道在單片F(xiàn)PGA內(nèi)完成。FPGA選用Altera公司的EP3C120F484，主要的功能都在片內(nèi)完成，正交下變頻解調(diào)器選用AD8348，它將中頻140 MHz信號(hào)正交下變頻到基帶，形成I／Q兩路正交信號(hào)，由ADC(AD92 16)完成基帶信號(hào)的模-數(shù)轉(zhuǎn)換，將形成的數(shù)字信號(hào)傳輸給FPGA。Si-4133產(chǎn)生中頻本振，其工作頻率為280 MHz，參考本振為10 MHz。主機(jī)接口芯片選用MAX3485，RS 422接口芯片，把解調(diào)后的信息傳輸給主機(jī)。其工作時(shí)鐘頻率為波特率的16倍。

1．1 發(fā)射通道實(shí)現(xiàn)方案
    發(fā)射通道實(shí)現(xiàn)方案如圖2所示。遙控指令數(shù)據(jù)經(jīng)過RS編碼，插入幀同步頭，幀同步頭采用13位巴克碼，然后進(jìn)行差分編碼器，以消除相位模糊問題。隨后，對產(chǎn)生的碼元序列進(jìn)行基帶擴(kuò)頻，擴(kuò)頻碼采用讀PN碼存儲(chǔ)ROM方式產(chǎn)生。FPGA片內(nèi)集成一個(gè)可調(diào)NCO，可對擴(kuò)頻后基帶數(shù)據(jù)進(jìn)行I，Q兩路的平衡QPSK調(diào)制。調(diào)制器輸出通過D／A變換送往射頻單元。
1．2 接收通道實(shí)現(xiàn)方案
    接收通道實(shí)現(xiàn)方案如圖3所示，對經(jīng)A／D變換后的I，Q兩路數(shù)字信號(hào)進(jìn)行解擴(kuò)解調(diào)。解擴(kuò)采用頻域數(shù)字相關(guān)接收，接收端通過載波同步、PN碼同步、幀同步和位同步，嚴(yán)格保證信息正確解擴(kuò)解調(diào)，完成整個(gè)擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的信息傳輸。接收通道的關(guān)鍵技術(shù)是長偽碼的快速捕獲。

2 長偽碼快速捕獲方法
    傳統(tǒng)的匹配濾波器是在整個(gè)碼相位和頻率域上進(jìn)行二維搜索，致使需要檢測的不確定空間和捕獲時(shí)間成倍增加。把時(shí)域的循環(huán)卷積轉(zhuǎn)化到頻域，利用快速傅里葉變換來計(jì)算，將會(huì)大幅度縮小運(yùn)算量，但將時(shí)域、頻域二維串行掃描變成并行掃描的方法雖減少了捕獲時(shí)間，但是以提高硬件的復(fù)雜度為代價(jià)。
    為了處理捕獲時(shí)間和實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度之間的矛盾，本文采用了一種結(jié)合頻率捕獲和偽碼捕獲相結(jié)合的基于FFT算法快速捕獲方法?；贔FT的捕獲方法在搜索偽碼相位的同時(shí)，得到載波頻率偏移值，將原來的偽碼相位、載波頻偏的二維搜索過程變成只搜索偽碼相位的一維搜索過程，大大減少了高動(dòng)態(tài)環(huán)境中偽碼的搜索時(shí)間。該方法的FPGA實(shí)現(xiàn)方案如圖4所示。

    FFT的并行捕獲搜索過程如下：首先經(jīng)過正交解調(diào)，本地載波NCO對準(zhǔn)初始頻率估計(jì)值，將中頻信號(hào)解調(diào)為基帶信息，使產(chǎn)生的信號(hào)對準(zhǔn)一個(gè)頻率點(diǎn)搜索，啟動(dòng)FFT捕獲環(huán)路，做1024點(diǎn)FFT變換，將變換結(jié)果和存在ROM內(nèi)的本地偽碼的FFT共軛相乘，再做IFFT，通過比較所有的相關(guān)峰值，找出其最大值，若最大值大于設(shè)定的檢測門限，則表明信號(hào)捕獲，給出信號(hào)所在位置的碼相位和載頻，進(jìn)入信號(hào)跟蹤階段。如果最大值小于門限，則表明信號(hào)未捕獲，通過控制邏輯改變載頻頻差，重復(fù)上述過程。采用該方法要注意如下幾點(diǎn)：
    (1)偽碼并行搜索的過程是對時(shí)域和頻域同時(shí)進(jìn)行搜索，載頻頻差搜索步進(jìn)單元的選取很重要。步進(jìn)單元選的較小，對弱信號(hào)的捕獲性能較好，但會(huì)增加捕獲時(shí)間；步進(jìn)單元選的過大，會(huì)使相關(guān)峰值降低，特別對于低信噪比的信號(hào)，不易捕獲到，所以載頻頻差搜索步進(jìn)單元的選取需要折衷考慮。
    (2)在FFT頻域并行捕獲的同時(shí)，可完成對信號(hào)載頻的提取，因而它可以取代載波頻率捕獲電路。
    (3)在采用FFT頻域并行捕獲法時(shí)，考慮到FPGA的特點(diǎn)．本地偽碼FFT值預(yù)先存儲(chǔ)于FPGA內(nèi)的存儲(chǔ)單元中，這樣做的優(yōu)點(diǎn)在于，省去了一個(gè)FFT模塊，從而節(jié)省了整個(gè)系統(tǒng)資源，提高了系統(tǒng)捕獲時(shí)間。
    (4)掃頻控制模塊受延時(shí)鎖相控制，在捕獲載頻頻差搜索和偽碼捕獲后，在延時(shí)鎖相環(huán)路中將對捕獲的偽碼進(jìn)行驗(yàn)證，以防止誤捕獲。

3 實(shí)現(xiàn)與測試結(jié)果
    FPGA的編程實(shí)現(xiàn)采用QuartusⅡ9．0集成軟件，調(diào)試和仿真工具采用該軟件自帶的在線邏輯分析儀(signalTapⅡLogic Analyzer)，可提供適時(shí)、高速的指定信號(hào)波形。
3．1 偽碼捕獲與同步解調(diào)
    偽碼捕獲和同步解調(diào)過程的SignalTapⅡ測試結(jié)果如圖5所示，實(shí)驗(yàn)條件為兩塊實(shí)驗(yàn)板之間通過屏蔽線將中頻發(fā)射和接收端直連，無噪聲干擾。
    圖5(a)為偽碼捕獲完成，延遲鎖定環(huán)路還未開始調(diào)整偽碼時(shí)，信號(hào)squrtout、imagout波形在相關(guān)輸出時(shí)刻輸出了超過門限的相關(guān)峰值，PNSet信號(hào)表明本地產(chǎn)生偽碼和輸入信號(hào)偽碼相位相差3 551個(gè)偽碼時(shí)鐘，本地輸出的同步偽碼序列syPN與輸入信號(hào)的偽碼序列simrealdata的相位相差在一個(gè)chip相位內(nèi)，完成了偽碼捕獲。

    圖5(b)中mI、mQ為兩路解調(diào)輸出，syb_clk為同步碼元時(shí)鐘，LRX4，LTX3分別為發(fā)射和接收的信息碼元，ph為本地NCO的同步跟蹤相位，PNSet為本地偽碼與發(fā)射信號(hào)偽碼相位差。由圖中可以看出mI，mQ已實(shí)現(xiàn)同步的解擴(kuò)解調(diào)。ph為一個(gè)鋸齒波，其斜率是載波的跟蹤頻偏，它始終跟蹤接收信號(hào)和本地載波頻率的相位偏差，保證本地載波頻率和接收信號(hào)載波頻率及相位保持一致。
3．2 低信噪比條件性能分析
    圖6為系統(tǒng)高低信噪比條件對比下的SignalTapⅡ仿真圖，實(shí)驗(yàn)條件為兩塊實(shí)驗(yàn)板之間通過屏蔽線將射頻發(fā)射和射頻接收端連接，射頻發(fā)射端功率為0 dBm。其中圖6(a)信號(hào)無衰減，圖6(b)加110 dB衰減器。

    由圖6可以看出，在信號(hào)衰減110 dB后，接收到的中頻信號(hào)ADC_P2B由于信噪比很小(0 dB以下)，無法看出發(fā)送信號(hào)波形，在濾波器輸出端F_firoutI信號(hào)被噪聲淹沒。然而，在該擴(kuò)頻系統(tǒng)中，采用1023擴(kuò)頻碼，系統(tǒng)理論增益為30 dB，使得信號(hào)能正常捕獲、跟蹤、解調(diào)。當(dāng)然，噪聲對系統(tǒng)依然存在很大影響，從圖6(b)可以看出，由于噪聲影響，載波跟蹤環(huán)輸出的ph信號(hào)在鋸齒波的基礎(chǔ)上，存在不規(guī)則抖動(dòng)，由于系統(tǒng)選取了適合的環(huán)路增益，使得這種抖動(dòng)在系統(tǒng)可接收范圍內(nèi)，從而保證了系統(tǒng)正常工作。

4 結(jié)語
    本文設(shè)計(jì)了基于長碼直接序列擴(kuò)頻技術(shù)的FPGA實(shí)現(xiàn)方案，重點(diǎn)闡述了長偽碼快速捕獲方法的實(shí)現(xiàn)，該方法將傳統(tǒng)的偽碼相位與多普勒頻移二維搜索過程簡化為兩者同時(shí)捕獲的一維搜索過程。經(jīng)過硬件實(shí)現(xiàn)與測試，系統(tǒng)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，已應(yīng)用于某型無人機(jī)，使用效果良好。