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1、RF收发器应用中直接序列扩频处理增益的计算方法在RF收发器应用过程中，调整直接序列扩频通信系统(DSSS)的处理增益(PG)能够获得十分优秀的抗噪声性能，对于增加传输距离和通话质量至关重要。本文以Intersil 公司专用于DSSS无线设计的PRISM芯片组为例，说明处理增益的计算方法，适合于从事RF收发器应用的中国设计工程师阅读。在DSSS系统中，速率为rb bps的二进制随机数据与一个速率远高于它的伪随机码相乘，则频带被展宽。相乘之后得到的二进制伪随机(PN)输出符号叫做码片，其速率称为切谱率，为rc码片/秒(cps)。码片是一个随机的与噪声类似的信号，因此又叫做PN信号，其速率决定了被发
2、送的扩频信号的带宽。通常码片速率远高于数据源的比特率，而二者之间的比值就是处理增益(PG)。PG真实地反映了在接收端解扩(去掉PN码)前后信噪比的改善情况。 DSSS系统的接收机必须首先去掉接收信号的扩频码(即解扩)，然后才能对信号进行解调。解扩时，接收机必须产生一个与发端PN码完全一样的伪随机解扩信号，该信号的相位也必须锁定在发端PN码相位上。芯片组之中的HSP3824的码捕获和码跟踪环路可以实现这一功能，而收、发端PN码相位的精确对准则是由相关技术实现的。 DSSS发射机 DSSS发射机原理如图1所示。图中用d(t)表示数据，c(t)表示扩频码，扩频之后的信号q(t)被送到BPSK调制器中
3、去，该调制器工作在载波频率fc上，扩频调制后被发射的信号用x(t)表示。 在课本中常见到图2所示的DSSS接收机概念图。值得注意的是，该框图所示的接收系统是在射频部分直接进行解扩，而本文所要介绍的PRISM芯片组则在基带通过使用HSP3824芯片进行解扩。故图中所示的例子只能用来说明解扩的概念，并不能反映在实际中PRISM的解扩实现方法。 该例中，接收信号包含由发端过来的经过扩频调制的信号x(t)和一个窄带噪声xj(t)。如果本地产生的解扩序列c(t)与发端的扩频码c(t)相同，那么解扩后的信号通过带通滤波后解调，得到的d(t)应与发端数据d(t)相同。 处理增益的好处 处理增益带来的最大好处
4、就是提高了DSSS信号的抗干扰性能，因为PN码扩展了发端信号的带宽，将信号的功率分散到整个扩频带宽内，所以降低了窄带干扰对系统的影响。实际上，DSSS系统的接收机在将有用信号解扩的同时也对干扰信号进行了扩频，见图3。 图3给出了接收机输入信号功率谱密度(PSD)函数、解扩信号的PSD函数、带通滤波器的功率传输函数及其输出信号的功率谱密度，该图直观地描述了处理增益对干扰的抑制作用。 解扩前，干扰的频带很窄，但具有很高的PSD峰值，而DSSS信号频带很宽，且PSD 较低。解扩操作拓宽了干扰的频带，将窄带干扰的能量扩展到较宽的频带中去，降低其PSD值，也就减小了干扰功率对系统性能的影响。从BPF的输
5、出可以看出解扩对提高系统信噪比的作用。 例如，有一个系统使用BPSK调制，并要求解调前信号的信噪比至少为14dB才能保证误码率性能，那么如果在该系统中引入10dB的扩频处理增益，则由14dB-10dB=4dB可以推出：接收机在接收信号的功率与噪声功率相比只高4dB时仍然能够获得所要求的性能。 一般来说，处理增益越高，DSSS信号的抗干扰性能就越好。处理增益的标准定义是10lg(rc/rb)，单位为dB。如果系统的数据率为1Mbps，切谱率(PN码速率)为11Mcps，那么根据该定义可以算出系统的处理增益为10.41dB。对此，如果采用PRISM芯片组，那么每一个数据比特将与一个11位的PN码序
6、列进行异或。10.41dB的处理增益也可以看作10lg(11)，这里“11”是PN码序列的长度。如果改用长度为16位的PN码来扩频，那么处理增益就等于10lg(16)，即12.04dB。 用于DSSS系统的PN码必须具备良好的自相关性、互相关性并保持一定的随机性。DSSS接收机使用一个与发端完全相同的PN码进行相关解扩。 下面讨论几类相关性较好的PN码，主要讨论每周期7个码片和15个码片的巴克码、Willard码以及m序列，这几种码在HSP3824芯片中都可以实现。 1. PN码 具备DSSS要求的数学性能，能够用于DSSS系统的PN码有最大长度序列。 最大长度序列(m序列)的周期为(n为整数
7、)，可以由移位寄存器外加或门产生，其形式由产生它的本原多项式决定。m序列不但具有很好的随机性而且具有双值自相关函数特性。 例如，7位的m序列PN码是由本原多项式发生器： 产生的，输出码片如下：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. 图4给出了数据d(t),由以上m序列构成的扩频码c(t),以及由d(t)和c(t)异或得到的扩频后的信号q(t)。图5给出了这个7位m序列PN码的码形及其自相关函数。值得注意的是，该PN码的自相关函数也是每隔7个码片周期重复一次。如果对每个数据比特采用一个完整周期的PN码进行扩频，那么该自相
8、关函数也就每隔一个数据比特重复一次。 再如，15位的PN码序列由本原多项式： 产生，输出码片如下： 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. 巴克码 巴克码是一种独特的短码，具有相当好的相关性。这种N位的短码(N=3-13)非常适合DSSS应用，并且都能由HSP3824产生。表1给出了几种巴克码。 3. Willard码 Willard码是通过计算机仿真和优化找到的，在某些情况下它能够提供比巴克码更好的性能。同时，Willard码也和巴克码一样可以由H
9、SP3824产生。表1中也给出了几种Willard码。表1中所给编码的反码也可以用于DSSS，因为它们同样具有DSSS所要求的自相关性。 通过配置HSP3824实现各种PN码扩频，HSP3824是PRISM芯片组中的基带处理器，由它产生PN码序列，通过对HSP3824编程，可以实现最长16位的任意PN码序列。 PN码发生器 在BPSK调制时，PN码序列是从HSP3824内一个可配置的寄存器中并行地读出，以串行方式送给调制器，从而对数据进行扩频的。每一个数据符号都使用同样的PN码扩频。 HSP3824中的可配置寄存器最多可以对16位编程。发端PN码的高、低8位分别在寄存器CR13和CR14中，相
10、应的收端PN码的高、低8位则在寄存器CR20和CR21中。寄存器CR3的第5位和第6位用来设置每个数据比特中包含的码片数。先发送给调制器的是PN码序列的MSB部分，当序列长度不足16位时，将MSB截短。 HSP3824中的PN码相关器是专门针对BPSK扩频应用而设计的，因此它包含两个实数相关器，一个用于I通道相关，另一个用于Q通道相关。相关器需要的收、发端PN码序列以及序列长度都被存入HSP3824的可配置寄存器中，所以发端的扩频参数和收端的解扩参数都可以修改。相关器由时不变匹配滤波器构成，也称为并行相关器。 参考文献 1. Madjid A. Belkerdid, Electrical an
11、d 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.
RF收发器应用中直接序列扩频处理增益的计算方法
