专利名称：数字中频解扩方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于直接序列扩频系统的数字解扩方法及装置，特别是一种用于在中频直接对BPSK模拟信号进行采样及数字化并进行数字相关/匹配滤波解扩处理的数字中频解扩方法及装置。
现代通信与电子系统中已广泛采用了扩展频谱技术，特别是直接序列扩频技术得到了广泛的应用。在通信系统和雷达系统中，采用较多的一类直接序列扩频信号是BPSK信号。目前，对BPSK扩频信号的解扩方法主要有两种，一种是采用表面声波(SAW)器件的中频模拟解扩方法，见文献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和文献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。另一种是采用数字器件的I、Q正交双通道数字基带解扩方法，如美军的定位报告系统(PLRS)中用于粗同步头捕获的数字相关/解扩方法，见刘徐德主编的《战术通信、导航定位和识别综合系统文集(第1集)》，电子工业出版社，北京，1991年2月，第195-196页。
在中频模拟解扩方法中，所采用的器件主要是SAW相关器、SAW卷积器或SAW存储相关卷积器等。虽然基于SAW器件的BPSK信号中频模拟解扩装置具有体积小、重量轻和处理速度快等优点，并得到了广泛的应用，但这种方法也存在明显的缺点，不仅调试复杂，可靠性受到限制，而且其性能受温度变化的影响较大，不适合在恶劣的环境下工作。
在数字基带解扩方法中，由于采用数字器件取代模拟器件进行解扩处理，在一定程度上克服了中频模拟解扩方法在工作可靠性、温度稳定性等方面存在的缺点。但由于采用了正交下变频处理，使电路结构较复杂；此外，由于构成I、Q双通道的电路元件(包括混频器、滤波器等)不可能完全匹配，因而会造成I、Q双通道信号幅度和相位的不平衡，引起系统性能的降低；还有，在数字基带解扩方法中仍然要使用较多的模拟器件，因此，未从根本上解决可靠性和工程化/批量生产方面的问题。
本发明的目的在于提供一种数字中频解扩方法及装置，以便克服上述现有技术存在的缺点，使用于直接序列扩频系统BPSK信号的解扩装置同时具有结构简单、工作温度范围宽、使用灵活、可靠性高和适合批量生产等优点。
本发明的目的是通过采用如下所述的数字中频解扩方法及装置实现的。
一种数字中频解扩方法，包括以下步骤a.对输入的BPSK中频模拟信号直接进行中频正交采样，得到I、Q双通道正交数字信号输出，其中采样率满足下列联立方程式 式中，f0为BPSK信号中频频率，f1为扩频码码速率，M和N为正整数。
b.当M为偶数时，对由步骤a获得的I、Q双通道正交数字信号直接进行数字相关/匹配滤波、求模及过门限检测处理，得到BPSK信号数字中频解扩输出；当M为奇数时，先要交替改变步骤a得到的I、Q双通道每一通道中数字信号的极性，然后再进行数字相关/匹配滤波、求模及过门限检测处理，得到BPSK信号数字中频解扩输出。
一种按上述方法实现的数字中频解扩装置，包括a.一个中频正交采样装置，其输入为BPSK中频模拟信号，输出为I、Q双通道数字信号，它还有一个接至时钟产生装置的一个时钟输出端上的时钟控制端。
b.一个数字信号处理装置，它的两个输入端分别接到所述中频正交采样装置的I、Q双通道数字信号输出端上，输出为所需的BPSK信号数字中频解扩输出；它还包括一个接至时钟产生装置的另一个时钟输出端上的时钟控制端。
c.一个用于产生中频正交采样装置和数字信号处理装置所需时钟的时钟产生装置，其输出端A和B分别接到中频正交采样装置和数字信号处理装置的时钟控制端。
利用本发明，采用A/D变换器等模拟器件和现场可编程门阵列(FPGA)等数字器件所实现的用于直接序列扩频系统BPSK信号解扩的数字中频解扩装置，具有结构简单、工作温度范围宽、使用灵活和可靠性高等优点。本发明所述方法及装置可用于直接序列扩频通信系统中对BPSK信号的解扩，二相编码脉冲压缩雷达中的匹配滤波和敌我识别系统中的数字相关/匹配滤波处理等。
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述
图1为本发明所述装置的总体方案框图。
图2为本发明所述装置第一种实施方案。
图3为本发明所述装置第二种实施方案。
图4为本发明所述装置第三种实施方案。
图5为本发明所述装置第四种实施方案。
图6为用于说明本发明所述方法第一种实施方案的波形示意图。
图1为本发明所述装置的总体方案框图。如图1所示，输入的BPSK中频模拟信号Si经中频正交采样装置10进行直接中频采样及数字化后产生I、Q双通道数字信号输出；由中频正交采样装置10输出的I、Q双通道数字信号送往数字信号处理装置20进行处理，产生所需的数字中频解扩输出So，时钟产生装置30产生中频正交采样装置10和数字信号处理装置20所需的时钟信号。
实施例1图2为本发明所述装置的第一种实施方案，适合于包括信号移相装置11和M＝偶数的情况。如图2所示，中频正交采样装置10由一个信号移相装置11和两个A/D变换装置13和14组成。输入的BPSK中频模拟信号Si，经信号移相装置11移相后产生相位彼此相差90度的I、Q双通道信号，这两路信号分别被送往两个A/D变换器13和14进行采样及数字化。A/D变换器13和14的采样率满足下列联立方程式 式中，f0为BPSK信号中频频率，f1为扩频码码速率，M和N为正整数；比如，若f0＝10MHz，扩频码码速率f1＝5MHz，N＝2，则fs＝10MHz，M＝2。
A/D变换器13和14产生的双通道数字信号，被送往一个由现场可编程门阵列(FPGA)器件(当然，也可采用其它通用或专用器件)构成的数字相关/匹配滤波、求模及过门限检测装置22，该装置22首先对输入的双通道数字信号分别进行相关/匹配滤波处理，然后求出I、Q两路信号的模(为了简单可采用近似法求模)，最后，经与一检测门限比较，产生最终所需的数字中频解扩输出So。在图2中，时钟产生装置30产生的时钟信号A和B分别送往A/D变换器13、14和数字相关/匹配滤波、求模及过门限检测装置22作为它们的时钟信号。
实施例2图3为本发明所述装置的第二种实施方案，适合于包括信号移相装置11和M＝奇数的情况。与实施例1的图2相比，图3只是在A/D变换器13和14与数字相关/匹配滤波、求模及过门限检测装置22之间增加了一个极性变换装置21，其它部分完全一样。极性变换装置21的作用是对A/D变换器13和14输出的I、Q双通道信号的极性进行转换，即交替改变I、Q双通道每一通道信号的极性，以获得正确的结果；然后再把结果送到后面的数字相关/匹配滤波、求模及过门限检测装置22进行处理，得到所需的数字中频解扩信号So。这一实施例适合于M＝奇数的情况，如M＝3的情况。比如，若f0＝15MHz，码速率f1＝5MHz，N＝2，则fs＝10MHz，M＝3。
实施例3图4为本发明所述装置的第三种实施方案，适合于包括时钟移相装置12和M＝偶数的情况。它与图2所示实施例1的方案基本上是一样的，它只是在中频正交采样装置10中把对信号的移相改用对时钟的移相代替，即，增加了一个时钟移相装置12而减少了一个信号移相装置11。如图3所示，中频正交采样装置10由一个时钟移相装置12和两个A/D变换装置13和14组成。输入的BPSK中频模拟信号Si被直接送往两个A/D变换器13和14进行采样及数字化。A/D变换器13和14的采样率按实施例1同样的方法选取。A/D变换器13和14产生的双通道数字信号，也按实施例1同样的方法送往后面进行处理。
在图4中，时钟移相装置12接收来自时钟产生装置30输出端A产生的时钟信号，经时钟移相装置12移相后产生相位彼此相差90度的两路时钟信号(0度和90度)，这两路时钟信号分别送往A/D变换器13和14的时钟输入端作为A/D变换器的时钟信号。这里所述相位相差90度是相对BPSK信号中频频率而言。
实施例4图5为本发明所述装置的第四种实施方案，适合于包括时钟移相装置12和M＝奇数的情况。与实施例3的图4相比，图5只是在A/D变换器13和14与数字相关/匹配滤波、求模及过门限检测装置22之间增加了一个极性变换装置21，其它部分完全一样。极性变换装置21的作用与实施例2中是一样的。
实施例5图6给出了说明本发明所述方法第一种方案的波形示意图，适合于对输入信号Si进行移相的情况。在这种方案中，实现中频正交采样的方法是，首先对输入的BPSK中频模拟信号进行移相，产生相位彼此相差90度的双通道正交模拟信号输出(这里所述的相位相差90度是对输入的BPSK信号中频频率而言)，然后利用同一时钟信号控制两个A/D变换器同时对经移相产生的双通道中频模拟信号进行采样及数字化，产生I、Q双通道正交数字信号输出。A/D变换器的采样率满足下列联立方程式 式中，f0为BPSK信号中频频率，f1为扩频码码速率，M和N为正整数。
为了清晰，图6中只给出了单通道的波形示意图。
图6(a)中的41表示BPSK基带信号，扩频码码速率f1＝5MHz；图6(b)表示当M为偶数，这里M＝2时某一通道的BPSK中频模拟信号42和采样时钟信号43，其中，中频频率f0＝10MHz，采样率fs＝10MHz，对应N＝2；图6(c)是对图6(b)所示BPSK中频信号42进行采样后的数字信号44。可以看出，由于采样率fs等于扩频码码速率f1的整倍数，并且是中频频率f0的约数，因此，采样信号44能正确反映出BPSK中频信号42的相位(由虚线所表示的采样信号的包络与图6(a)中的基带信号41相同)，因此，通过数字相关/匹配滤波、求模及过门限检测处理后能正确地实现解扩功能。
为了清晰，图6(b)中已假定采样点处在输入正弦信号的极值点，实际上，由于输入信号的相位是未知的，所以采样点的位置也是随机的。为了减小数字中频解扩输出误码率，需要采用I、Q双通道处理，以消除输入信号初始相位变化对检测性能的影响。为了消除码元包络不理想造成的对解扩性能的影响，在每个扩频码码元中应取样两点或两点以上。从效/费比的观点看，一种比较好的方案是每个码元内取样两点，即取N＝2。
图6(b)和图6(c)所述波形是当M为偶数，这里M＝2时的情况，当M不是偶数，而是奇数，如M＝3时，需要交替改变采样信号的极性，才能得到正确的采样信号相位。图6(d)～(f)示意给出了这种情况下的波形。其中图6(d)表示当M＝3时某一通道的BPSK中频模拟信号45和采样时钟信号46，这里，中频频率f0＝15MHz，采样率fs＝10MHz，N＝2；图6(e)是对图6(d)所示BPSK中频模拟信号45进行采样后所得到的数字信号47，图6(f)为对图6(e)中数字信号47交替改变极性后得到的所需的采样信号48。可以看出，它能正确反映出BPSK中频模拟信号45的相位(由虚线所表示的采样信号的包络与图6(a)中的基带信号41相同)，因此，通过数字相关/匹配滤波、求模及过门限检测处理后能正确地实现解扩功能。
实施例6实现本发明所述方法的第二种方案是，在中频正交采用中，用对时钟的移相代替实施例5所述的第一种方法中的对信号的移相。在这种方案中，实现中频正交采样的方法是，首先对时钟信号进行移相，产生相位彼此相差90度的两路时钟信号(这里所述的相位相差90度是对输入的BPSK信号中频频率而言)，然后利用这两个时钟信号分别控制两个A/D变换器同时对输入的BPSK中频模拟信号进行采样及数字化，产生I、Q双通道正交数字信号输出。其它部分与实施例5的方法相同。
权利要求
1.一种数字中频解扩方法，包括以下步骤a.对输入的BPSK中频模拟信号直接进行中频正交采样，得到I、Q双通道正交数字信号输出，其中采样率满足下列联立方程式 式中，f0为BPSK信号中频频率，f1为扩频码码速率，M和N为正整数；b.当M为偶数时，对由步骤a获得的I、Q双通道正交数字信号直接进行数字相关/匹配滤波、求模及过门限检测处理，得到BPSK信号数字中频解扩输出；当M为奇数时，先要交替改变步骤a得到的I、Q双通道每一通道中数字信号的极性，然后再进行数字相关/匹配滤波、求模及过门限检测处理，得到BPSK信号数字中频解扩输出。
2.如权利要求1所述的数字中频解扩方法，其特征在于，所述的中频正交采样是通过下述方法实现的对输入的BPSK中频模拟信号进行移相，产生相位彼此相差90度的双通道正交BPSK模拟信号输出，然后利用同一时钟信号作为两个A/D变换器的时钟同时对经移相产生的双通道中频模拟信号进行采样及数字化，产生I、Q双通道正交数字信号输出。
3.如权利要求1所述的数字中频解扩方法，其特征在于，所述的中频正交采样还可以通过下述方法实现对时钟信号进行移相，产生相位彼此相差90度的两路时钟信号，这里所述的相位相差90度是对输入的BPSK信号中频频率而言；然后利用这两个时钟信号分别作为两个A/D变换器的时钟同时对输入的BPSK中频模拟信号进行采样及数字化，产生I、Q双通道正交数字信号输出。
4.如权利要求1所述的数字中频解扩方法，其特征在于，所述N的取值为N大于或等于2。
5.如权利要求1或4所述的数字中频解扩方法，其特征在于，所述N的取值为N等于2。
6.一种按上述方法实现的数字中频解扩装置，包括a.一个中频正交采样装置[10]，其输入为BPSK中频模拟信号Si，输出为I、Q双通道数字信号，它还有一个接至时钟产生装置[30]的一个时钟输出端A上的时钟控制端；b.一个数字信号处理装置[20]，它的两个输入端分别接到所述中频正交采样装置[10]的I、Q双通道数字信号输出端上，输出为所需的BPSK信号数字中频解扩输出So；它还包括一个接至时钟产生装置[30]的另一个时钟输出端B上的时钟控制端；c.一个用于产生中频正交采样装置[10]和数字信号处理装置[20]所需时钟的时钟产生装置[30]，其输出端A和B分别接到中频正交采样装置[10]和数字信号处理装置[20]的时钟控制端。
7.如权利要求6所述的数字中频解扩装置，其特征在于，所述的中频正交采样装置[10]可由下列部分组成a.一个信号移相装置[11]，其输入为BPSK中频模拟输入信号Si，输出为相位相差90度的I、Q双通道中频正交模拟信号；b.两个A/D变换装置[13]和[14]，其输入端分别与信号移相装置[11]的I、Q双通道正交数字信号输出端相接，输出为I、Q双通道数字信号，采样控制端接至时钟产生装置[30]的一个时钟输出端A上。
8.如权利要求6所述的数字中频解扩装置，其特征在于，所述的中频正交采样装置[10]还可由下列部分组成a.一个时钟移相装置[12]，其输入接时钟产生装置[30]的一个时钟输入端A上，输出为相位相差90度的两路时钟输出，这里所述相位相差90度是对输入的BPSK中频模拟信号Si的中频频率而言；b.两个A/D变换装置[13]和[14]，其输入端均为输入的BPSK中频模拟信号数Si，输出为I、Q双通道正交数字信号，采样控制端分别接至时钟移相装置[12]所产生的两路时钟输出上。
9.如权利要求6所述的数字中频解扩装置，其特征在于，所述的数字信号处理装置[20]是一个数字相关/匹配滤波、求模及过门限检测装置[22]，其两个输入分别接中频正交采样装置[10]的两个输出上，产生一个所需的数字中频解扩输出So；其时钟输入端接至时钟产生装置[30]的一个输出端B上。
10.如权利要求6所述的数字中频解扩装置，其特征在于，所述的数字信号处理装置[20]由下列部分组成a.一个极性变换装置[21]，其两个输入端分别接中频正交采样装置[10]的I、Q双通道输出上，并产生I、Q双通道输出；b.一个数字相关/匹配滤波、求模及过门限检测装置[22]，其两个输入分别接极性变换装置[21]的两个输出上，产生一个所需的数字中频解扩输出So；其时钟输入端接至时钟产生装置[30]的一个输出端B上。
全文摘要
本发明涉及一种数字中频解扩方法及装置。该装置包括一个对输入BPSK中频信号直接进行采样的中频正交采样装置10，一个对采样后数字信号进行解扩处理的数字信号处理装置20，一个用于产生中频正交采样装置10和数字信号处理装置20所需时钟的时钟产生装置30。所述方法及装置可用于扩频通信、脉冲压缩雷达和敌我识别等系统中对BPSK中频信号的数字解扩。该装置具有结构简单、工作温度范围宽和可靠性高等优点。
文档编号H04L5/02GK1142148SQ96106469
公开日1997年2月5日 申请日期1996年8月12日 优先权日1996年8月12日
发明者周国富, 林 建, 杨文轩 申请人:中国人民解放军总参谋部第五十四研究所