非相干扩频数字收发信机瞬时测频与解调方法技术

本发明专利技术公开的一种非相干扩频数字收发信机瞬时测频与解调方法，旨在提供一种算法实现复杂度低，抗多站干扰的瞬时测频与解调方法，本发明专利技术通过下述技术方案予以实现：非相干接收算法模块捕获多普勒频率和码相位，通过同步头检测模数转换器的采样数据，完成同步头相关检测；瞬时测频模块与数字下变频模块以近实时ms量级多普勒频差测量和补偿消除多普勒，通过IDF滤波抽取器滤波抽取和匹配滤波，对I、Q数据直接取符号位，变成单比特后续处理，完成非相干解调、RS译码输出用户数据；扩频发射算法模块通过组帧、RS编码、差分编码和直接序列扩频处理以后进行符号映射、调制，送DAC数模转换，DAC通过双端转单端变压器，经第二滤波器滤波输出瞬时测频与解调信号。

Instantaneous frequency measurement and demodulation method for incoherent spread spectrum digital transceiver

The invention discloses a method for instantaneous frequency measurement and demodulation of incoherent spread spectrum digital transceiver, aiming at providing an algorithm for instantaneous frequency measurement and demodulation with low complexity and anti-multi-station interference. The method is realized by the following technical scheme: the incoherent receiving algorithm module captures the Doppler frequency and the code phase, and passes through Synchronous head detects the sampled data of ADC, completes the correlation detection of synchronous head; instantaneous frequency measurement module and digital down converter module measure and compensate the Doppler frequency difference of near real-time MS order, extracts the symbol bits of I and Q data through IDF filter decimator filter and matched filter, and turns them into single bit follow-up. Processing, incoherent demodulation, RS decoding output user data; spread spectrum transmission algorithm module through frame, RS coding, differential coding and direct sequence spread spectrum processing after symbol mapping, modulation, DAC digital-to-analog conversion, DAC through two-terminal to one-terminal transformer, through the second filter filter filter output instantaneous frequency measurement and demodulation signal Number.

【技术实现步骤摘要】
非相干扩频数字收发信机瞬时测频与解调方法
本专利技术主要应用于低成本短距无线编队或集群测控或低速数传领域，为10km以下短距无线编队系统提供一种低成本、抗多节点间干扰、体积小重量轻的扩频数字收发信机。技术背景任何数字通信系统都是离散信号的传输，要求收发两端信号在频率上相同和相位上一致，才能正确地解调出信息。扩频通信系统也不例外。一个相干扩频数字通信系统，接收端与发送端必须实现信息码元同步、PN码码元和序列同步和射频载频同步。只有实现了这些同步，浮扩系统才能正常的工作。可以说没有同步就没有扩频通信系统。可以是扩频通信是当前信息领域中非常重要的技术，由于扩频通信具有很强的抗干扰信、良好的保密性和功耗低等特点，所以它成为一种被广泛应用的通信技术。序列扩频码序列是一种比较常用伪随机序列，它之所以能在扩频通信中得到高度的重视，是因为它具有比较好的自相关性，是那种狭义上的伪噪声序列，而且小序列易于产生和复制。数字数据中的加扰、加密、误码率测量和同步与卫星通信的码分多址等众多领域中也常用到序列。由于伪随机码的一些相关的特性，使伪随机序列来经常作为扩频通信系统中的扩频的频谱。而这些特性中的速度、长度、编码类型等重要指标直接影响着扩频通信系统的性能。在随机信号的码元序列中可能出现波形在很长的一段时间内连续的出现同一种波形。这会导致接收端不能很清楚的辨认码元的起止点。载波同步在任何一个通信系统中，都少不了发送的和接收的信号。在实际的应用过程中，就是从接收到的信号中提取有用的发送过来的信号。因为在信号的传输过程中会遇到噪声、干扰等因素发生畸变。这些因素就会影响信号本身的振幅、相位和频率等参数。所谓的同步就是能更好的还原出原信号就会需要对这些信号进行参数估值的过程。在实际常用到的通信系统中同步包括载波同步、码同步和位同步等。其中载波同步在其中起到非常重要的位置。载波同步的方法主要有两种。插入导频法。此方法就是在发射机发送的信号中插入一个专门波的同步。导频通常是单个或者多个特定频率的未经过调制的正弦信号。然后在接收端提出导频信号，利用这个导频信号的相位和频率来决定接收机本地产生的载波信号的相位和频率。这种方法通常在信号和信号的传输过程中应用较多。直接法就是在接收机端从接收到的有用的信号中直接提取出载波信号，而不需要第一个方法中专门的来传送导频信号。这种方法也可叫做自同步法。直接法具有携带信息的信号在传输的过程中拥有全部的发送功率的特点。现有技术通常在接收端接收到的信号中提出载波的方法是用倍频.分频法。但是在分频时存在相位不确定性。并且，信道中也存在不稳定性，使接收到的信号的相位产生随机的波动，如果接收端的载波不能与其跟踪变化，就会造成同样的相位颠倒。在通常情况下接收机不能确定接收信号中扩频码的起始位置，这是由于收发信机的双方时钟不稳定、信号传播延时、扩频序列启动性差等因素造成的。为了解决这样的问题，所以在接收机系统中需要码同步系统。码同步系统的第一步就是码捕获，码捕获就是使接收机中的码与接收信号中的码相位对齐，码捕获又称为粗同步。接下来便是码跟踪，码跟踪的作用就是让接收机的本地码与接收到的信号相位上误差进一步的减少。伪随机序列的一个重要的特性便是其自相关函数的主峰值很大，扩频序列的捕获和跟踪便是依据这个特性来实现的。数字收发信机中主要的环节是伪码同步，码同步技术中的两个关键步骤是码捕获和码跟踪。基于相关器的分段相关求绝对值和的串行捕获法；跟踪采用的是延迟锁定环的方法。在实际的应用中，码的同步过程是比较复杂的，而且码的同步方法有很多种。从接受到的信号域上考虑的话，大部分主要的研究还是在频域和时域上。而且相对时域来说，从频域上来处理接受到的信号使之达到同步具有相当高的抗干扰和多径效应，而且更能解决那些由于收发端频率不同、多普勒效应所带来的问题。伪码同步的过程也就是使数字收发信机两端的伪码保持一致，在这个伪码同步的过程中主要包括两个部分，一个是伪码的捕获，另一个是伪码的跟码捕获的阶段，使数字接收机的产生的伪随机码与接收到的伪随机码在相位上相差小于某个阀值，在实际的应用过程中设的这个阀值都是小于半个伪随机码的最小码片宽度。在其捕获的方法上大部分都是采用串行捕获、并行捕获、串并行捕获、多通道相关捕获和匹配滤波器法等，目前暂无特别的新的技术。目前国内对伪码跟踪的研究主要是对环路宽带的选取和环路参数的设计，来改变伪码跟踪环的性能。国内也有不少的专家想利用小波变换、神经网等技术来实现伪码捕获的新途径，但是现在大部分只是停留在研究的阶段，没有多大实际应用。捕获完成后便进入了跟踪阶段，使数字接收机产生的伪随机的相位更接近数字发射机的伪随机码的相位，也就是数字接收机收到的伪码的相位。伪码的跟踪又称精同步，一般来说码跟踪后会使收发双端的码元误差会控制在十分之一的码元内。码跟踪一般都是采用延迟锁定环的跟踪方法。延迟锁定环的方法在跟踪两个信号的相位差是非常有效的，这是由于自相关函数具有双值特性，这样延迟锁定环都可以对其进行跟踪。所以在大多数的通信系统中都利用这种方法进行伪码跟踪。收发信机采用数字信号处理技术，用自适应滤波实现。目前运行的收发信机基本上使用的是幅度键控式可自发自收的收发信机，采用非相干检测(15"+)方式，即包络检波。它实现简单，但抗噪声性能不理想。接收机可以用相干解调器和积分器组成的相关器来实现，条件是相干解调后的滤波器必须严格按照匹配滤波的要求设计，才能实现真正的最佳接收。信号的相干检测，可以使得信息的能量共振增强，极大地提高信噪比，但是需要产生本地同频同相载波。同时，为了实现最佳接收，还要实现尖锐滤波器，以抑制噪声能量，提高信噪比。如果不能产生与信号载波同频同相的本地载波，则相干解调后将有可能带来严重失真；同时，高Q值的滤波器用无源滤波器设计极为复杂，工艺水平要求很高，很难保证性能，而且时延很大，这也正是目前收发信机少有采用相干解调的原因。国内、外文献公开了很多采用非相关方法的扩频收发信机，公开的方案通常更多的是采用相关扩频接收方法，大都采用了复杂的码同步环方案，其接收机依然比较复杂，FPGA资源消耗相对较多；其算法结构中包括码环、载波环和位同步环三大环路，设计复杂最高，不适合低成设计使用。没有采用本专利技术的瞬时测频补偿的方案。直接序列扩频系统会遇到各种干扰，除去多径干扰外，常见的有宽带干扰(通常为自嗓声，如雷电、大气噪声、工业设备点火装置等)。解调采用非相关叉积和点积计算后接帧头检测的检测结构，差分解调对载波频偏不敏感，但载波频偏过大或载波频偏产生了相位，叠加到数据上导致的判决问题。在同步传输网络中，各数据站点，被分配到一系列时间槽中，每个站点只能在自己的时间槽中发送数据，而别的站点不能在这个时间槽中发送信息。这样一来就会有一些空的时间槽没有被利用，造成资源上的浪费。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对现有技术的成本高、算法复杂度大的不足，提供一种体积小、重量轻、成本低、算法实现复杂度低，抗多站干扰的非相干扩频数字收发信机瞬时测频与解调方法，以解决无线短距遥控和数传瞬时测频与解调的问题。本专利技术的上述目的可以通过以下措施来达到，一种非相干扩频数字收发信机瞬时测频与解调方法，具有如下技术特征：现场可编程门阵列FPGA内置非相干接收本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种非相干扩频数字收发信机瞬时测频与解调方法，具有如下技术特征：现场可编程门阵列FPGA内置非相干接收算法模块和扩频发射算法模块，外挂一片BPI配置芯片和时钟管理芯片CLK，以及时钟管理芯片CLK通过互补金属氧化物半导体存储器CMOS相连的模数转换器ADC，模数转换器ADC通过单端转双端变压器相连第一滤波器；FPGA输出端外挂数模转换器DAC，数模转换器DAC通过双端转单端变压器相连第二滤波器；时钟管理芯片CLK将单端输入内外时钟分为三路，第一路时钟通过第一CMOS供给FPGA，第二路时钟通过第二CMOS输出40MHz频率提供给模数转换器ADC作为采样时钟，第三路时钟输出低压差分信号LVDS供给FPGA输出端数模转换器DAC作为采样时钟；非相干接收算法模块接收经第一单端转双端变压器下变频，送入模数转换器ADC的第一滤波器滤波处理后的滤波信号，捕获多普勒频率和码相位，采用非相关叉积和点积计算，后接帧头检测，同步头检测，模数转换器ADC的采样数据，完成相关；在FPGA中，模数转换器ADC采样数据经数字下变频、瞬时测频单元模块进行ms量级瞬时测频和更新周期，近实时ms量级多普勒频差补偿消除多普勒，通过IDF滤波抽取器滤波抽取和匹配滤波以后，对I、Q数据直接取符号位，变成单比特进行后续处理，而后完成非相干解调、RS译码，RS译码以后输出用户数据；扩频发射算法模块接收用户数据，通过组帧、RS编码、差分编码和直接序列扩频处理以后进行符号映射、调制，送数模转换器DAC进行数模转换，数模转换器DAC通过双端转单端变压器，经第二滤波器滤波输出瞬时测频与解调信号。...

【技术特征摘要】
1.一种非相干扩频数字收发信机瞬时测频与解调方法，具有如下技术特征：现场可编程门阵列FPGA内置非相干接收算法模块和扩频发射算法模块，外挂一片BPI配置芯片和时钟管理芯片CLK，以及时钟管理芯片CLK通过互补金属氧化物半导体存储器CMOS相连的模数转换器ADC，模数转换器ADC通过单端转双端变压器相连第一滤波器；FPGA输出端外挂数模转换器DAC，数模转换器DAC通过双端转单端变压器相连第二滤波器；时钟管理芯片CLK将单端输入内外时钟分为三路，第一路时钟通过第一CMOS供给FPGA，第二路时钟通过第二CMOS输出40MHz频率提供给模数转换器ADC作为采样时钟，第三路时钟输出低压差分信号LVDS供给FPGA输出端数模转换器DAC作为采样时钟；非相干接收算法模块接收经第一单端转双端变压器下变频，送入模数转换器ADC的第一滤波器滤波处理后的滤波信号，捕获多普勒频率和码相位，采用非相关叉积和点积计算，后接帧头检测，同步头检测，模数转换器ADC的采样数据，完成相关；在FPGA中，模数转换器ADC采样数据经数字下变频、瞬时测频单元模块进行ms量级瞬时测频和更新周期，近实时ms量级多普勒频差补偿消除多普勒，通过IDF滤波抽取器滤波抽取和匹配滤波以后，对I、Q数据直接取符号位，变成单比特进行后续处理，而后完成非相干解调、RS译码，RS译码以后输出用户数据；扩频发射算法模块接收用户数据，通过组帧、RS编码、差分编码和直接序列扩频处理以后进行符号映射、调制，送数模转换器DAC进行数模转换，数模转换器DAC通过双端转单端变压器，经第二滤波器滤波输出瞬时测频与解调信号。2.如权利要求1所述的非相干扩频数字收发信机瞬时测频与解调方法，其特征在于：非相干扩频数字收发信机瞬时测频与解调方法采用的硬件电路，包括，PCB板上嵌入在现场可编程门阵列FPGA芯片中的开环式非相干接收算法模块和扩频发射算法模块。3.如权利要求2所述的非相干扩频数字收发信机瞬时测频与解调方法，其特征在于：现场可编程门阵列FPGA外围挂接时钟管理芯片、滤波芯片、电平转换芯片、BPI配置芯片、以及接口插件、分别接收信号数字化和发射信号的模数转换器ADC和数模转换器DAC。4.如权利要求1所述的非相干扩频数字收发信机瞬时测频与解调方法，其特征在于：FPGA外挂一片BPI配置芯片和时钟管理芯片CLK，以及时钟管理芯片CLK通过互补金属氧化物半导体存储器CMOS相连的模数转换器ADC，其中，非相干接收算法模块输入端通过模数转换器ADC相连第一单端转双端变压器和第一滤波器，模数转换器ADC通过单端转双端变压器相连第一滤波器；FPGA输出端外挂数模转换器DAC，数模转换器DAC通过双端转单端变压器相连第二滤波器。5.如权利要求1所述的非相干扩频数字收发信机瞬时测频与解调方法，其特征在于：扩频发射算法模块包括：数据组帧模块，RS编码模块、差分编码模块、直接序列扩频模块、符号映射模块、调制模块和成形滤波等模块，数据组帧模块实现用户bit流按固定帧长形成...

【专利技术属性】
技术研发人员：王宇舟，邓强，韩锞，唐赛芬，
申请(专利权)人：西南电子技术研究所中国电子科技集团公司第十研究所，
类型：发明
国别省市：四川,51