基于DSP的无线宽带通信接收机信号同步模块设计

赵 娟

（1.西安铁路职业技术学院 陕西 西安 710014；2.西安科技大学 陕西 西安 710054）

无线电通信是指利用电磁波的辐射和传播，经过空间传送的通信方式。传统的无线通信系统一般由发信机、信道及接收机组成，其中发信机和接收机分别是由基带单元、中频单元和射频单元3部分组成[1]主要作用是把接收到的射频信号首先经过低噪声放大，然后经过混频、中频放大和解调后还原为基带信号，最后经过低频放大输出。通信过程中检测到信号到达以后，下一步的工作就是信号同步。信号同步包括符号及采样点同步，前者是接收机能够正确解调出有用信息的前提。如果同步出错，则无法解调出有用信息；后者则针对于下变频器中一个符号多个采样点的问题而设计的，如果采样点同步不准，则相当于下变频器采样有偏差，在高信噪比条件下仍然能够正确解调出有用信息[2]。

1 宽带通信

上式中fh和fl由能量宽带BW定义给出，BW是一个频率范围在这个频率范围内占有信号总能量的90%或95%，其上限频率用fh表示，下限频率用fl表示。

对于FBW，大于25%的信号则称为“宽带信号”，对应的通信方式称为“宽带通信”。例如一个信号的能量宽带为2 MHz，其中心频率低于10 MHz，我们就认为该信号是一个宽带信号[3]。

2 DSP概述

DSP也称“数字信号处理器”，是一种具有特殊结构的微处理器。DSP芯片内部采用程序和数据分开的哈佛结构，具有专门的硬件乘法器。并且广泛采用流水线操作，提供的特殊DSP指令可以用来快速地实现各种数字信号处理算法[4]。

DSP最突出的两大特色是强大的数据处理能力和高运行速度，加上具有可编程性，实时运行速度可达每秒数以千万条复杂指令，远远超过通用微处理器。从20世纪70年代DSP芯片诞生以来，DSP芯片得到了飞速发展，一方面得益于集成电路技术的发展；另一方面也得益于巨大的市场需求。DSP芯片已经在信号处理、通信及雷达等许多领域得到了广泛应用。由于篇幅所限本文针对DSP在无线宽带通信接收机信号同步模块的实现做以论述。

3 信号同步原理

符号级同步分为粗同步和细同步，粗同步通过伪随机序列的相关峰来得到。在AWGN信道环境下，这个粗估的同步位置已经完全可以满足要求。但是在多径条件下，由于多径位置选取的不同和多径强弱的区别，这个同步位置很可能是对应于一条能量相对较弱的反射径的位置。从而使得接收信噪比大打折扣，严重影响后面信道译码的性能，在实际使用环境中，多径环境是不可避免的，因此粗同步和细同步都要进行。

这里假设载波完全同步，实际上对于宽带全数字中频接收机而言，对载波频偏的要求很苛刻。A/D输入端的载波频偏一般要求不超过1/4个符号时间，即要求频偏不超过码片速率的千分之二。当存在采样定时偏差时，相关值中存在一定的码间干扰。假设全数字中频接收机出于抗频谱混迭的考虑，采样率为4倍符号率以上，而采样率的增大会引起硬件实施困难，因此这里考虑用4倍符号率的采样[5]BPSK调制，即每个码片有4个采样点。在4个采样点中取一个定时偏差最小的点作为判断点，这个点最大的采样定时偏差是1/8码片。

码片完全同步时，采样定时偏差τ=0，相关值为：

采样定时偏差τ=Tc/8时，相关值为：

4 信号同步的DSP实现

在具体实现时，粗同步时可以根据频偏估计计算的频偏对接收信号（训练序列）进行去频偏处理，根据频偏估计中的结论：

得到出去频偏后的数据后，将其与本地Pn序列进行循环相关。由于伪随机序列的特性，Pn只有在刚好对齐时，得到的相关值才是最大的，即自相关值；否则其相关值会很小，由此可以将接收序列在符号这一级上进行同步。

这里需要注意的一个技巧是循环相关的快速实现，如果按照循环相关的定义，序列A和序列B的循环相关为：

这样，求两个长度为N的序列的循环相关，需要执行N*N次乘法操作及N*N次加法操作。运算量与N是平方关系，为了缩减运算量，可以使用数字信号处理中的以下结论：

5 同步信号模块程序设计

6 结 论

本文详细介绍了DSP无线通信系统接收机信号同步模块的设计，重点在于软件设计。详细叙述了程序设计过程，结合硬件电路结构的合理设计，便可投入使用。

[1]郑阿奇.DSP实用教程[M].北京：电子工业出版社，2011.

[2]西奥多.无线通信原理与应用[M].北京：电子工业出版社，2012.

[3]张起贵.最新DSP技术[M].北京：国防工业出版社，2009.

[4]张雄伟.DSP芯片的原理与开发应用[M].北京：电子工业出版社，2009.

[5]奥沙那.嵌入式实时系统的DSP软件开发技术[M].北京：北京航空航天大学出版社，2011.

[6]Cook P G，Bonser W.Architectural Overview of the SPEAK easy System[J].IEEE Journalon Selected Areas in Communications，2009，17（4）：650-661.

[7]Akos D，Tsui J B Y.Design and implementation of a direct digitization GPS receiver front end[J].IEEE Trans.Microwave Theory Tech，2006，44（12）：2334-2339.