FPGA設(shè)計方案自動頻率相位跟蹤電路

1、封面作者：PanHongliang僅供個人學習基于FPGA設(shè)計自動頻率、相位跟蹤電路摘要擴頻通信最早應用于軍隊，可在低功率譜密度下工作，具有保密性強和抗干擾、抗多徑衰落等優(yōu)點，因而具有廣闊的應用前景。許多國外公司研制了功能強大的擴頻專用芯片，但存在二次開發(fā)不靈活的缺點。用模擬方法實現(xiàn)的擴頻系統(tǒng)體積大、功耗高、可靠 性差。近年來，隨著微電子技術(shù)和電子設(shè)計自動化(EDA) 技術(shù)的迅速發(fā)展，以 FPGA 和CPLD 為代表的可編程邏輯器件憑借其設(shè)計方便靈活等特點廣泛應用于數(shù)字信號處理領(lǐng) 域。本論文主要研究并設(shè)計實現(xiàn)了擴頻通信接收系統(tǒng)的跟蹤模塊，接收系統(tǒng)主要由數(shù)字下 變頻、數(shù)字匹配濾波器、差分解調(diào)、自

2、動頻率跟蹤處理等模塊組成。論文介紹了擴頻通 信的技術(shù)簡況、發(fā)展和背景，以及無線信道環(huán)境。了解了基于擴頻技術(shù)的無線通信系統(tǒng) 的相關(guān)原理，包括擴頻解擴、調(diào)制解調(diào)、信道編碼、同步等原理，重點研究直接序列擴 頻的載波同步理論，對鎖相環(huán)與鎖頻環(huán)進行了理論分析；設(shè)計了包括差分解調(diào)模塊、自 動頻率控制模塊的接收系統(tǒng)方案。基于 FPGA 設(shè)計實現(xiàn)了載波頻率跟蹤和載波相位跟蹤 模塊，并在 QuartusII 軟件開發(fā)環(huán)境進行功能仿真及波形仿真。關(guān)鍵詞：擴頻通信，F(xiàn)PGA，直接序列擴頻，AFC，載波跟蹤Design of Automatic Frequency、PhaseTracking Circuit Base

3、d on FPGAABSTRACTSpread spectrum techniques which is used by the army, have the excellent characteristics ofbeing secret, concealed and to reject interference and multi-path decline. Therefore it has a spreadapplication foreground. Many foreign companies have developed many powerful spread spectruma

4、pplication ICs, which have the disadvantage that the secondary-development is very limit. Thetraditional analogy systems exist the disadvantages of big cubage, high power consume, and lowdependability. With the fast development of microelectronics and Electronics Design Automation(EDA) techniques, t

5、he programmable logic devices such as FPGA and CPLD have been widelyused in the field of digital signal processing for its flexible design and fast verifying.This paper mostly introduces and implementes the receiving system, the receiver unit mainlyconsisted of the digital down converter, matched fi

6、lter, differential demodulator, output processorand AFC module.And this paperintroducesthe general situation of spread spectrum system,development and background, along with wireless channel environment. We realize the correlationtheory of wireless communication systems based on the principle of spr

7、ead spectrum technology,whichthe relative despread spectrum of the signal, baseband modulation and demodulation,channel coding, the synchronization and so on. The key study of this paper isdirectsequence spreadspectrum theory. It also analyzes theoretically the phase locked loop and frequency locked

8、 loop. Ithasdesigned theproject of the receiver unit, which includedifferential demodulator and AFC module.Itdesignsand implements the module of the carrier frequency tracking and carrier phase trackingbased on FPGA.It carries through functional simulation and waveform simulation in the softwaredeve

9、lopment environment of QuartusII.Keywords: Spread Spectrum communication,FPGA, direct-sequence spread spectrum,AFC,Carrier tracking目錄摘要 IIABSTRACTIII1 緒論 31.1 無線通信原理 31.2 無線信道環(huán)境 41.3 擴頻通信背景及意義 41.4 FPGA 發(fā)展及其應用前景 61.5 開發(fā)平臺 QuartusU簡介 71.6 VHDL 簡介 81.7 本章小結(jié) 82 課題相關(guān)理論基礎(chǔ) 82.1 擴頻技術(shù) 82.1.1 擴頻通信的理論基礎(chǔ) 82.1.

10、2 直接序列擴頻通信系統(tǒng) 112.1.3 擴頻偽隨機碼 112.1.4 擴頻信號的相關(guān)解擴 122.1.5 直序擴頻的同步 132.1.6 擴頻通信的主要性能指標 142.2 鎖相環(huán)技術(shù) 152.3 鎖頻環(huán)技術(shù) 152.4 本章小結(jié) 163 接收系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn) 163.1 接收系統(tǒng)總體框圖 163.2 接收系統(tǒng)的實現(xiàn) 173.2.1 差分解調(diào)器模塊的設(shè)計和實現(xiàn) 17322 自動頻率控制（AFC）模塊的設(shè)計和實現(xiàn) 193.3 載波頻率跟蹤 203.3.1 頻率跟蹤方案 203.3.2 頻率跟蹤方案的理論分析 213.4 載波相位跟蹤 213.4.1 全數(shù)字載波跟蹤環(huán)路結(jié)構(gòu) 213.4.2 數(shù)字

11、載波相位跟蹤環(huán)路參數(shù)設(shè)計 233.5 載波同步輸入圖 243.6 接收系統(tǒng)頂層輸入圖 243.7 接收系統(tǒng)仿真圖 243.8 本章小結(jié) 244 全文總結(jié)與今后展望 244.1 全文總結(jié) 244.2 今后工作展望 25 參考文獻 26 致謝錯誤！未定義書簽。1 緒論1.1 無線通信原理無線通信主要借助電磁波在自由空間的傳播來實現(xiàn)。它主要由發(fā)送設(shè)備、 接收設(shè)備和傳輸媒體組成。無線通信之所以有別于其它的通信系統(tǒng)，主要是因 為它的傳輸媒體是電磁波。在自由空間中，波長與頻率存在以下關(guān)系：c = f 入式中：c 為光速，f 和入分別為無線電波的頻率和波長，因此，無線電波也可以 認為是一種頻率相對較低的電磁

12、波。對頻率或波長進行分段，分別稱為頻段或 波段。不同頻段信號的產(chǎn)生、放大和接收的方法不同，傳播的能力和方式也不 同，因而它們的分析方法和應用范圍也不同。無線電波只是一種波長比較長的 電磁波，占據(jù)的頻率范圍很廣。決定傳播方式的關(guān)鍵因素是無線電信號的頻 率。無線通信系統(tǒng)分為模擬和數(shù)字兩種。模擬無線通信系統(tǒng)框圖見圖1-1，數(shù)字無線通信系統(tǒng)框圖見圖1-2。而本次設(shè)計是在數(shù)字通信系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進行的。圖 1-1 模擬無線通信系統(tǒng)框圖圖 1-2 數(shù)字無線通信系統(tǒng)框圖在無線通信系統(tǒng)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的無線擴頻通信則被譽為進入信息時代的 三大高技術(shù)通信傳輸方式。無線擴頻通信與一般的無線電通信系統(tǒng)相比，主要 是在發(fā)射

13、端增加了擴頻調(diào)制，而在接收端增加了擴頻解調(diào)的過程。在發(fā)射端利 用一組速率遠高于信號速率的偽隨機噪聲碼對原信號碼進行擴頻調(diào)制，一般是 將信號擴展至幾兆寬的頻帶上，然后將擴頻后的信息調(diào)制到空間傳輸?shù)妮d頻上 進行發(fā)送，通常發(fā)射的載頻是千兆的數(shù)量級，在接收端經(jīng)解調(diào)后，利用相同的 PN 碼進行解擴，把鋪開的信號能量從寬帶上收攏回來，凡與 PN 碼相關(guān)的寬帶 信號經(jīng)解調(diào)還原為原來的窄帶信號，而其它與 PN 碼不相關(guān)的寬帶噪聲仍維持 寬帶，解調(diào)后的窄帶信號再經(jīng)窄帶濾波后，分離出有用信號，而大部分噪聲信 號則被濾掉，這樣使信噪比得以極大的提高，誤碼率大大降低。1.2 無線信道環(huán)境移動通信系統(tǒng)的性能主要受到無線

14、信道的制約。無線信道不像有線信道那 樣固定并可預見，而是具有極度的隨機性，從簡單的視距傳播，到遭遇各種復 雜的地形、地物，甚至移動臺的速度也會對信號電平的衰落產(chǎn)生影響。因此， 要對無線信道進行控制和預測是非常困難的。隨著無線移動通信技術(shù)的發(fā)展，在無線移動環(huán)境下進行通信成為發(fā)展趨 勢。但是無線信道不同于有線信道，無線環(huán)境下，信道的多徑干擾、衰落、帶 寬受限很容易造成數(shù)據(jù)的出錯和丟失。因此，在無線通信中，無線信道環(huán)境的 好壞將直接影響到通信質(zhì)量的好壞，同時，無線信道特性也使通信系統(tǒng)的設(shè)計 面臨一些難題。主要表現(xiàn)為：帶寬波動：因為多徑衰落、同頻干擾、噪聲等影響會引起網(wǎng)絡(luò)的輸入/輸出能力下降；基站與終

15、端的距離改變時信道的容量會變化；當終端進入不同的網(wǎng) 絡(luò)(如從無線局域網(wǎng)進入無線廣域網(wǎng)時，速率可能從幾 M 變到幾 K 比特每 秒)；小區(qū)切換時，另外一個小區(qū)可能不能提供頻帶資源。高誤碼率：和有線通信相比，因為多徑和未覆蓋的區(qū)域的影響，信道的誤 碼率較高，這對信號的質(zhì)量影響很大，因此需要一種魯棒性的傳輸方法。接收的異種性：在組播時，各個收端要求的時延、信息流的質(zhì)量、處理能 力、帶寬限制等都不一樣，這就給組播設(shè)計帶來困難。所有這些問題都導致在 系統(tǒng)設(shè)計過程中，算法變得復雜，系統(tǒng)軟硬件規(guī)模增加，從而引起硬件成本的 增加和功耗的增大。但是，在另一方面，無線信道的快速變化也會給系統(tǒng)性能 帶來一些好處，這

16、主要表現(xiàn)為：系統(tǒng)帶寬增加，使頻域分集的效果提高，可以 避免進入深衰落；多普勒頻率擴展加大，衰落加快，使得信道編碼中使用相對 較短的交織長度就能獲得更好的時域分集效果等。因此研究無線信道的特性， 建立合理的信道模型，對提高通信質(zhì)量具有舉足輕重的作用。11.3 擴頻通信背景及意義擴頻通信，即擴展頻譜通信(Spread Spectrum Communication),它與光纖通信、衛(wèi)星通信，一同被譽為進入信息時代的三大高技術(shù)通信傳輸方式。擴頻通信是將待傳送的信息數(shù)據(jù)用偽隨機編碼調(diào)制,實現(xiàn)頻譜擴展后再傳輸：接收端則采用相同的編碼進行解調(diào)及相關(guān)處理，恢復原始信息數(shù)據(jù)。2擴頻是建立在香農(nóng)的信息論基礎(chǔ)之上的

17、，并率先應用于國防軍事通信中，而從其技術(shù)的實現(xiàn)手段 來看，它已經(jīng)歷了模擬擴頻技術(shù)、數(shù)?；旌蠑U頻技術(shù)以及完全數(shù)字化擴頻技術(shù) 等發(fā)展階段。自 20 世紀 50 年代美國軍方開始對擴頻通信技術(shù)進行研究后，其成果廣泛用 于軍事通信、電子對抗、導航以及高精度測量等方而。但是，直到 20 世紀 80 年代，美國軍方將擴頻技術(shù)解密，擴頻技術(shù)在商業(yè)系統(tǒng)中的應用研究才正式開 始。 1985 年， Marvin K.Simon 等人編著的 Spread Spectrum Communications Handbook是當時有一關(guān)擴頻通信技術(shù)的一部全而的著作，內(nèi)容涉及了擴頻技 術(shù)的歷史發(fā)展，擴頻通信的概念、理論與系

18、統(tǒng)模型，系統(tǒng)抗干擾分析，各種擴 頻調(diào)制和解擴、解調(diào)技術(shù)，以及擴頻通信的同步等等。同年，美國FCC 才規(guī)劃出 ISM 頻段即通用頻段，并分配給采用擴頻通信機制的商用通信系統(tǒng)使用。 1993 年，美國Qualcomm 公司第一套實用的 CDMA 移動蜂窩通信系統(tǒng)，一經(jīng)推 出就顯示了其突出的優(yōu)點和較強的生命力，在市場上具有一強大的竟爭力和廣 闊的應用前景。隨著 CDMA 擴頻技術(shù)在民用移動通信里的深入應用和小斷滲透，以及深空衛(wèi) 星通信、武器制導、 GPS 定位系統(tǒng)等國防軍事通信的需求下，擴頻通信技術(shù)顯 得愈來愈重要了。民用移動通信領(lǐng)域 3G 標準包括歐洲的 WCDMA 、美國的 CDMA2000 以

19、及中國的 TD-SCDMA 等都采用了以擴頻理論為基礎(chǔ)的 CDMA 技 術(shù)；另外，無線局域網(wǎng)的 IEEE802.l 1b 標準中也采用了擴頻體制。3但是目前，實現(xiàn)擴頻通信系統(tǒng)大都采用專用的擴頻芯片，主要都是來自國外 的芯片供貨商，如 Harris, AMI, ZLOG , Standford Telecom 等。在這些廠商所生產(chǎn) 的通用擴頻芯片中，常用的有一 STEL-2000A, 287200, SX043 等。4在使用這些 擴頻芯片時只需將控制信息寫入控制寄存器就可以對其功能實現(xiàn)控制，其外圍 電路也比較簡單。但諸如 STEL-2000A 之類的 ASIC 產(chǎn)品存在許多固有的缺 陷，比如它們

20、的大部分功能都已固化，不利于系統(tǒng)的后續(xù)升級，因而缺少產(chǎn)品 開發(fā)的靈活性。另外隨著通信技術(shù)和可編程器件的發(fā)展，越來越多的公司投入 到 IP Core的開發(fā)來，使得這類產(chǎn)品的市場在逐步減小，因此購買起來不僅有一 定的困難，而目也得不到相應足夠的技術(shù)支持。另外在國防產(chǎn)品中使用國外的 這些芯片對國家安全也會有一些潛在的威脅。因此使用ASIC 有一定的局限性。在很多應用場合，逐漸被通用的可編程邏輯器件(如 FPGA, PLD)替代，從 而設(shè)計出比 ASIC更靈活、更安全的產(chǎn)品。隨著高速 DSP 和大規(guī)模邏輯器件 FPGA, PLD 的不斷出現(xiàn)，軟件無線電技術(shù) (Software Defined Radi

21、o)應運而生，它是繼模擬和數(shù)字電子技術(shù)之后的又一新 技術(shù)。然而，直到 1994 年，由美國國防部支持的 SPEAKEASY 工程進行了成 功演示為止，人們才真正認識另一個電子時代一一軟件無線電時代正在到來。軟件無線電是在全數(shù)字接收機概念的基礎(chǔ)上提出來的，它將全數(shù)字接收機的 思想向兩個方而進行了推廣。第一，將數(shù)字化區(qū)域由接收機推廣到發(fā)射機。在 理想情況下，軟件無線電系統(tǒng)只有從發(fā)射到天線，再經(jīng)過電磁波傳播到接收天 線這些部分是模擬區(qū)域，其他傳輸部分則全部數(shù)字化。第二，信號處理部分， 包括調(diào)制解調(diào)、上下變頻、濾波等等全部在構(gòu)建的硬件平臺上用軟件來實現(xiàn)。軟件無線電概念的中心思想就是構(gòu)造一個具有開放性、

22、標準化、模塊化的通 用硬件平臺，將各種功能(如工作頻段，調(diào)制解調(diào)類型，數(shù)據(jù)格式，加密模 式，通信協(xié)議等)用可編程方式來實現(xiàn)，并使寬帶 A/D 和 D/A 轉(zhuǎn)換器盡可能靠 近天線，以研制出具有高度靈活性和開放性的新一代無線通信系統(tǒng)。可以說， 這種電臺是可用軟件控制和重新配置的電臺。對通用硬件平臺加載不同的軟件 模塊就可以實現(xiàn)不同的功能，而且軟件可以升級更新，各硬件處理板卡也可以 不斷地升級換代。由于軟件無線電的各種功能是用軟件實現(xiàn)的，如果要實現(xiàn)新 的業(yè)務和調(diào)制方式，只要增加一個新的軟件模塊即可。這里所說的軟件包括了 在 MCU ，DSP，PLD/FPGA 實現(xiàn)中編寫的程序。 軟件無線電技術(shù)是全數(shù)

23、字接收機技術(shù)的推廣和發(fā)展，但兩者也有不同之處。軟 件無線電側(cè)重于射頻信號的直接處理，包括數(shù)字頻率合成、采樣變換、數(shù)字濾 波等。它面對的往往是一個包含多個射頻頻道的信號，或者是不同模式和體制 的傳輸信號，通過一個統(tǒng)一的硬件平臺和不同的軟件程序來進行接收和處理， 它強調(diào)可編程性和通信系統(tǒng)功能軟件的可重定義性。而全數(shù)字接收機則主要側(cè) 重于中頻之后的信號處理，它而對的通常是一路獨立的已調(diào)信號，主要在于恢 復出最終的調(diào)制信息，它更多的關(guān)注通信最佳接收機理論的全數(shù)字化問題。全 數(shù)字接收機的發(fā)展為軟件無線電提供了必要的理論基礎(chǔ)和實施技術(shù)。 由于器件的限制，現(xiàn)階段還不能實現(xiàn)理想的軟件無線電系統(tǒng)，但是軟件無線電

24、 思想對無線系統(tǒng)的設(shè)計卻有很強的指導意義，因此目前軟件無線電系統(tǒng)都做了 某些折衷。這些折衷應盡量保證實際方案能夠保留軟件無線電的特點、優(yōu)勢和 竟爭力，同時具有較好的可行性。射頻直接數(shù)字化小僅對射頻濾波和 A/D 采樣 器件要求很高，而且對處理器的處理速度提出了更高的要求，目前的芯片制作 條件難以滿足這些要求。1.4FPGA 發(fā)展及其應用前景當今社會是數(shù)字化的社會，是數(shù)字集成電路廣泛應用的社會。隨著微電子技術(shù) 的發(fā)展，出現(xiàn)了現(xiàn)場可編程邏輯器件 (Field Programmable Logic Device, FPLD)， 其中應用最廣泛的當屬現(xiàn)場可編程門陣列 (Field Programmab

25、le Gate Array, FPGA)和復雜可編程邏輯器件 （Complex Programmable Logic Device, CPLD）。FPGA （現(xiàn)場可編程門陣列）器件是 Xilinx 公司 1985 年首家推出的，是一種新 型的高密度PLD。近年來，F(xiàn)PGA 發(fā)展的十分迅速，就其互連結(jié)構(gòu)而言，典型 的 FPGA 芯片通常采用分段互連式結(jié)構(gòu)，具有走線靈活，便于復雜功能的多級 實現(xiàn)等特點，從而在很大程度上減輕了印刷電路板上器件的布局和走線負擔。 目前，F(xiàn)PGA 芯片已成為九十年代以來最受歡迎的器件之一。隨著 FPGA 芯片的廣泛應用，高性能高密度的 FPGA 在生產(chǎn)工藝、器件的編 程

26、和測試技術(shù)等方面都有了飛速發(fā)展。由于 FPGA 器件實現(xiàn)的各功能塊可以同 時工作，從而實現(xiàn)指令級、比特級、流水線級甚至是任務級的并行執(zhí)行，從而 大大地加快了計算速度。并且，由于 FPGA 可動態(tài)地配置，系統(tǒng)的硅片面積不 再是所支持無線接口數(shù)的線性函數(shù)，因此有可能在很少的幾片甚至一片F(xiàn)PGA中集成一個支持所有標準的系統(tǒng)。開發(fā)者使用 FPGA 技術(shù)， 結(jié)合相應的 EDA 設(shè)計工具， 可以很方便的對產(chǎn)品 進行改善或升級。由于 FPGA 內(nèi)部資源豐富及功能強大，以及相應的 EDA 軟件 功能完善和強大，仿真能力便捷實時，并且硬件因素涉及甚少，使得基于 EDA 的 FPGA 開發(fā)技術(shù)將很快成為復雜數(shù)字系

27、統(tǒng)設(shè)計的主流。1.5 開發(fā)平臺 QuartusH簡介作為 Altera 的新一代開發(fā)軟件， Quartus II 具有簡單易學、易用、可視化、集成 化設(shè)計環(huán)境等優(yōu)點，它提供了一種與結(jié)構(gòu)無關(guān)的設(shè)計環(huán)境，使得設(shè)計人員無須 精通器件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，只需運用自己熟悉的輸入工具（如原理圖輸入或高級行 為描述語言）進行設(shè)計，開發(fā)系統(tǒng)把這些設(shè)計轉(zhuǎn)換為最終結(jié)構(gòu)所需要的格式。Quartus II 的設(shè)計輸入方法有多種，可以靈活選擇使用。原理圖輸入是最為直 接的一種輸入方法，應采用自頂向下邏輯分塊，即把大規(guī)模的電路劃分成若干 小塊的方法。原理圖輸入的缺點是效率低， 但仿真容易， 便于信號觀察以及電 路的調(diào)整， 看起來

28、非常直觀。Quartus II 支持 VHDL,Verilog HDL 及 AHDL 等各 種硬件描述語言 HDL 輸入。描述語言的優(yōu)點是效率很高，結(jié)果也較容易仿真， 信號觀察也較方便。對于在其它軟件系統(tǒng)上設(shè)計的電路，可以采用網(wǎng)表輸入， 而不必重新進行輸入。 Quartus II 可以接收的網(wǎng)表有 EDIF 格式， VHDL 格式及 Verilog 格式等。采用這種方法的優(yōu)點是充分地利用了現(xiàn)有成熟的設(shè)計資源，但 對于這種方法得到的電路，不宜于仿真時信號的觀測，給仿真帶來一定的困 難。FPGA 的編譯和仿真可以分兩步進行，第一步是功能的驗證，第二步是加 入電路延時的后仿真。電路設(shè)計完成后，首先需

29、檢驗輸入是否正確，這是一項 簡單的邏輯檢查， Quartus II 提供了功能編譯的選項。功能檢測完成后，需進行 后仿真。首先，需進行編譯。將編譯產(chǎn)生的延時信息加到設(shè)計中，進行布局布 線后的仿真，是與實際器件工作時情況基本相同的仿真。經(jīng)過仿真正確的設(shè)計需配置到具體器件中，進行實驗驗證。 FPGA 具有多 種配置方法，可根據(jù)具體情況選擇使用?？梢杂糜嬎銠C及 Altera 專用編程電纜 進行配置。經(jīng)編譯生成的配置文件經(jīng)計算機并行通行口接到 Altera 專用編程電 纜上，再連到器件的編程接口，利用應用軟件提供的編程軟件Programmer 即可對期間進行配置。 這種方法的優(yōu)點是配置方法迅速， 便于

30、修改， 適用于實驗研 究。 也可以用 Altera專用串行 EPROM 配置，這種 EPROM 可用通用的 EPROM 編程器進行編程，具有不同容量可供選擇，也可用一片 EPROM 對多片 FPGA 進行配置。1.6 VHDL 簡介作 為 符 合 IEEE-1076 標 準 的 硬 件 描 述 語 言 HDL (hardware description language) ，VHDL 的應用成為新一代 EDA 解決方案中的首選。 VHDL 主要用 于描述數(shù)字系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、行為、功能和接口。除了含有許多具有硬件特征的語 句外， VHDL 的語言形式和描述風格與句法和一般的計算機高級語言十分相 似。

31、應用 VHDL 進行工程設(shè)計的優(yōu)點是多方面的。與其他的硬件描述語言相比， VHDL 具有強大的行為描述能力。 VHDL 語 句的行為描述能力和程序結(jié)構(gòu)決定了它具有支持大規(guī)模設(shè)計的分解和己有設(shè)計 的再利用功能。對于用 VHDL完成的一個確定的設(shè)計，可以利用 EDA 工具進 行邏輯綜合和優(yōu)化，并自動地把 VHDL 描述設(shè)計轉(zhuǎn)變?yōu)殚T級網(wǎng)表(根據(jù)不同的 實現(xiàn)芯片)。 VHDL 對設(shè)計的描述具有相對獨立性，設(shè)計者可以不懂硬件的結(jié) 構(gòu)，也不必管最終設(shè)計實現(xiàn)的目標器件是什么，而進行獨立的設(shè)計。由于 VHDL 具有類屬描述語句和子程序調(diào)用等功能，對于己完成的設(shè)計，在不改變 源程序的條件下，只需改變類屬參量或函

32、數(shù)，就能輕易的改變設(shè)計的規(guī)模和結(jié) 構(gòu)?？梢灶A計，隨著 VHDL-93 標準的廣泛應用以及可編程邏輯器件的不斷推 出， VHDL 必將在未來的 EDA 解決方案中發(fā)揮不可替代的作用。1.7 本章小結(jié)本章對無線通信原理及無線通信環(huán)境做了概述，對 FPGA 技術(shù)、 Quartus II 和VHDL 進行了介紹。2 課題相關(guān)理論基礎(chǔ)2.1 擴頻技術(shù)2.1.1擴頻通信的理論基礎(chǔ)擴展頻譜通信系統(tǒng)是指將待傳輸信息的頻譜用某個特定的擴頻函數(shù)擴展后成為 寬頻帶信號，送入信道中傳輸，接收端通過相關(guān)解擴以獲取傳輸信息的通信系 統(tǒng)。這樣在傳輸同樣信息時所需的射頻帶寬，遠比我們已熟知的其他各種調(diào)制 方式要求的帶寬要寬得

33、多。調(diào)制信號帶寬遠小于擴頻后的擴頻碼序列（chip）的帶寬。信息已不再是決定調(diào)制信號帶寬的一個重要因素，其調(diào)制信號的帶寬主要 由擴頻函數(shù)決定，一般常用的擴頻函數(shù)是偽隨機碼。擴頻技術(shù)的基本理論根據(jù)是信息論中的香農(nóng)（CE.Sha nnon 公式，它可以表示為：C=Wxlog2（1+S/ N）式中，C 是信息的傳輸速率（bit/s），W 是信道帶 寬，S 是信號功率，N 是噪聲功率。由此可知，對任意給定的噪聲信號比，只 要增加用于傳輸信息的帶寬，理論上就可以增加在信道中無誤差地傳輸?shù)男畔?率。為了提高信息的傳輸速率 C 可以從兩種途徑實現(xiàn)，即加大帶寬 W 或提高信 噪比 S/N。換句話說，當信號的傳

34、輸速率 C 一定時，信號帶寬 W 和信噪比 S /N 是可以互換的， 就是說增加帶寬就可以在較低的信噪比的情況下以相同的 信息率來可靠的傳輸信息，甚至在信號被噪聲淹沒的情況下，只要相應地增加 信號帶寬，仍然保持可靠的通信。擴頻通信就是用寬帶傳輸技術(shù)來換取信噪比 上的好處，這就是擴頻通信的基本思想和理論依據(jù)。無線擴頻通信原理框圖如圖 2-1。圖 2-1 無線擴頻通信原理框圖香農(nóng)公式說明了系統(tǒng)的信道容量可以通過帶寬和信噪比的互換而保持小變。而 實際工程中，信道的噪聲功率譜密度是不能隨意選定的，所以為保持信道容量 C 一定，只能是系統(tǒng)帶寬 B 與信號功率值 S 的互換，也就是說，為了保證一定 的 C

35、 值，可以通過改變系統(tǒng)帶寬 B 或改變信號功率的辦法來實現(xiàn)。但是如果傳輸信號的帶寬變窄，將導致信號功率大幅度地提高，這需要消耗很 多的功率能源，在很多功率受限的場合是不適用的。如果采用增加信號帶寬B去換取信號的功率減小，就能節(jié)省很多的信號功率能源。所以，欲提高信道容 量，采用增加信號帶寬比提高信號功率的方法更加有效。擴頻技術(shù)正是利用這一原理，用高速率的擴頻碼來達到擴展待傳輸?shù)臄?shù)字信息帶寬的目的相對于普通的窄帶調(diào)制通信，擴頻通信系統(tǒng)具有如下特點：1）具有低截獲概率 相對常規(guī)通信系統(tǒng)而言，擴頻系統(tǒng)的信號頻譜帶寬遠大于所傳輸?shù)男畔挘?擴頻信號占據(jù)了更寬的帶寬，因此在發(fā)射功率相同的情況下，擴頻信號

36、的功率 譜密度要遠遠小于常規(guī)系統(tǒng)發(fā)射信號的功率譜密度。而擴頻系統(tǒng)的接收端甚至 可以在信號完全淹沒的情況下工作，即當接收到的擴頻信號的功率譜密度低于 信道噪聲功率譜時，接收機仍然能夠正常工作。而在不知道擴頻信號有關(guān)參數(shù) 的情況下，偵察接收機難以對擴頻信號進行監(jiān)視和截獲，更難以對其進行測 向。因此擴頻信號具有天然的低截獲概率特性。2）抗干擾性能好 最初發(fā)展擴頻技術(shù)就是為了增強系統(tǒng)的抗干擾能力。由于采用了頻譜擴展原理，從而大大提高了接收機信息恢復時的信干比，相當于提高了系統(tǒng)的抗干擾 能力。具有極強的抗人為寬帶干擾、窄帶瞄準式干擾、中繼轉(zhuǎn)發(fā)式干擾的能 力，有利于電子反對抗。3）具有高的時間分辨率 由于

37、擴頻信號帶寬較寬，因此在接收端對接收信號進行相關(guān)處理時，其時間分 辨率較窄帶系統(tǒng)要高的多。這樣，擴頻技術(shù)非常適合在雷達、導航定位、制導 和高精度授時等領(lǐng)域應用，用以提高雷達的距離分辨率、導航定位和制導的精 度。4）具有信息保密性 由于擴頻系統(tǒng)使用碼周期很長的偽隨機碼，在一個偽碼周期中具有隨機特性， 經(jīng)它調(diào)制后的數(shù)字信息類似于隨機噪聲，傳送信號的功率譜密度較低，不易被 敵方發(fā)現(xiàn)和破譯。當然，擴頻技術(shù)的這種保密性有一定的局限性，一般單純的 擴頻保密適用于保密要求小高的場合，如商業(yè)通信中。而在軍用通信中，為進 一步提高系統(tǒng)的保密性，仍然要采用其他一些信息加密技術(shù)。5）可以進行多址通信 當不同的擴頻系

38、統(tǒng)用戶采用互相關(guān)特性很好的偽隨機碼作為擴頻碼時，這 些系統(tǒng)可以在同一時刻、同一地域內(nèi)工作在同一頻段上，而相互造成的干擾可 以很小，這就是 CDMA 。雖然目前對 CDMA 系統(tǒng)的容量有小同的看法，有的 認為 CDMA 系統(tǒng)容量較 TDMA高，有的認為 CDMA 容量和 TDMA 相當，甚 至更低，但如今的事實是 CDMA 通信已經(jīng)廣泛應用在民用通信系統(tǒng)中。而且 3G 和 4G 都采用了 CDMA 技術(shù)。在實際應用中，擴頻通信有以下三種基本工作方式：1）直接序列擴頻（Direct SequenceSpread Spectrum）,簡稱直擴（DS）:這種 方式直接用偽噪聲序列對載波進行調(diào)制。將待傳

39、輸?shù)臄?shù)據(jù)信息編碼后，跟偽噪 聲序列進行模二加生成復合碼后，去調(diào)制載波；接收端在收到發(fā)射信號后，首 先通過偽碼同步捕獲電路來捕獲發(fā)送來的偽碼的精確相位，并由此產(chǎn)生跟發(fā)送 端偽碼相位完全一致的偽隨機序列，作為本地的解擴信號，以便能夠即時恢復 出數(shù)據(jù)信息來，完成整個直擴通信系統(tǒng)的信號接收。2) 跳頻擴頻(Frequency Hopping Spread Spectrum)：這種工作方式中，發(fā)射載 波頻率受偽隨機碼序列發(fā)生器控制，并在一定頻帶內(nèi)，隨機地跳變。跳頻擴頻 需要有個關(guān)鍵部件就是快速響應的頻率合成器。因此，載波調(diào)制大多數(shù)采用跟 相位無關(guān)的調(diào)頻方式。擴展頻帶由整個頻率合成器生成的最小頻率間隔和頻

40、率 間隔數(shù)目來共同決定。3) 跳時擴頻(Time Hopping Spread Spectrum)：信息數(shù)據(jù)送入受偽噪聲序列控 制的脈沖調(diào)制發(fā)射機，發(fā)射出攜帶信息數(shù)據(jù)的偽噪聲間隔射頻信號，這種工作 方式，允許在隨機時分多址通信應用中，發(fā)射機和接收機使用同一個天線。在 實際應用中，一般需要和其他工作方式混合使用才能構(gòu)成一個實際工程系統(tǒng)。 上述三種基本工作方式，可以混合使用，從而構(gòu)成常見的跳頻一直擴混合系 統(tǒng)、跳頻一跳時混合系統(tǒng)、跳時一直擴混合系統(tǒng)等。在實際的擴頻通信系統(tǒng)工 程中，用得比較普遍得是直擴方式和跳頻方式，而直擴是目前使用最多、也是 最典型的一種。2.1.2直接序列擴頻通信系統(tǒng)直接序列擴

41、頻通信系統(tǒng)是目前廣泛使用的一種擴頻系統(tǒng)。圖2-2 給出了一種典型的直擴通信系統(tǒng)的原理方框圖。圖中發(fā)射的數(shù)據(jù)經(jīng)過編碼后，首先和偽隨 機碼相乘(或作異或)進行擴頻調(diào)制，然后進行 BPSK 調(diào)制，經(jīng)放大后由天線 發(fā)射出去。接收端收到信號經(jīng)過前端射頻放大后，變頻到基帶，然后和本地偽 隨機碼相乘解擴，再經(jīng)過窄帶低通濾波器后，送基帶匹配抽樣電路、并判決恢 復出原始數(shù)據(jù)信息。8圖 2-2 直擴通信系統(tǒng)原理示意圖假設(shè)偽碼為 m 序列，其速率為 Rc,典型的 DS-BPSK 系統(tǒng)中擴頻信號的功 率譜 R(f)示意圖如圖 2-3 所示。該功率譜類似于sin(2nf/2Rc)/(2nf/2Rc)2,主 瓣寬度為 2

42、Rc,旁瓣寬度為 Rco圖 2-3 直擴信號功率譜示意圖2.1.3擴頻偽隨機碼在擴頻通信中，信號頻譜的擴展是通過擴頻碼實現(xiàn)的。擴頻系統(tǒng)的性能同采用 的偽隨機碼的性能有很大的關(guān)系。香農(nóng)指出，在高斯噪聲的干擾下，在功率受 限的信道上，實現(xiàn)有效和可靠通信的最佳信號是具有白噪聲統(tǒng)計特性的信號， 這是因為高斯白噪聲信號具有理想的自相關(guān)特性。但是對于白噪聲信號的產(chǎn) 生、加工和復制至今仍存在許多技術(shù)困難。因此人們就找了一些偽隨機或偽噪聲序列，它們的統(tǒng)計特性逼近于高斯白噪 聲的統(tǒng)計特性，這些擴頻碼都有這些特點：1）易于產(chǎn)生，易于控制；2）具有隨機性；3）具有盡可能長的周期；4）具有雙值自相關(guān)函數(shù)和良好的互相關(guān)

43、特性。在擴頻系統(tǒng)中，應用最多的偽隨機序列是m 序列和 Gold 序列：m 序列具有良好的自相關(guān)和互相關(guān)特性，但 m 序列的數(shù)量是有限的，Gold 序列是用 m 序 列優(yōu)選對生成的序列，其互相關(guān)特性與m 序列一致，而目數(shù)量多，保密性強，但其自相關(guān)特性沒有 m 序列的自相關(guān)特性理想。因此應根據(jù)實際情況選擇小同 的偽碼，以充分利用其自相關(guān)特性來實現(xiàn)擴頻系統(tǒng)的捕獲和跟蹤。2.1.4擴頻信號的相關(guān)解擴對于常規(guī)數(shù)字通信，接收端有了相干載波，即可解調(diào)出基帶數(shù)字信號。然而， 對于擴頻信號，首先要完成解擴才能進行基帶解調(diào)。因而接收端還要復制一個 與發(fā)射端碼型相同、碼元同步的本地偽碼信號。稱收、發(fā)兩端偽碼同步信號

44、相 乘并積分為相關(guān)解擴。擴頻信號的相關(guān)解擴是接收機的重要環(huán)節(jié)之一。擴頻接收機接收到信號后，第一步就是要解除擴頻調(diào)制，把原來占有很寬 頻譜的擴頻信號，變換為窄帶信號，從而取得處理增益。然而在擴頻通信系統(tǒng) 中，接收端擴頻接收機一般要在輸入信噪比為030dB 條件下進行信號處理，而一個設(shè)計良好的相關(guān)器可以允許在輸入信噪比低達-20 -50dB 的惡劣環(huán)境下，從強干擾噪聲中檢測出微弱信號。因此在擴頻通信中，常利用信號的相干 性來檢測淹沒在噪聲中的有用信號。所謂相干性，就是指信號的某個特定標記（通常指相位）在時間坐標上有規(guī)定的時間關(guān)系。相干檢測的原理圖如圖2-4所示：圖 2-4 相干檢測原理圖圖中的信號

45、 Sr(t)是與信號 s(t)有密切相干關(guān)系的本地參考信號，n(t)為噪聲。 Sr(t)與信號 s(t)的頻率相同，而且相位相干。在實際的接收解調(diào)設(shè)備中，噪聲往 往是窄帶的或者是帶限的，這種噪聲可以分解為相互獨立的一些變量，它們與 本地參考信號是不相干的。當進行相干檢測時，r(t)在與有用信號 s(t )相位相關(guān)的本地參考信號 Sr(t)相乘和低通濾波器的作用下，可以消除一部分噪聲分量的 影響，從而改善了接收系統(tǒng)的質(zhì)量。能夠完成解擴功能的載波同步及碼位同步的是一些特殊的鎖相環(huán)，比如平方 環(huán)、科斯塔斯環(huán)、延遲鎖相環(huán)以及匹配濾波器等。2.1.5直序擴頻的同步同步技術(shù)是直擴系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，同步性能的

46、好壞直接關(guān)系到系統(tǒng)性能的優(yōu)劣。在擴頻系統(tǒng)中，接收端一般有兩類不確定的因素，就是碼相位和載波頻 率的不確定性。如果在收發(fā)信機中均使用精確的頻率源，雖然可以消除大部分 碼時鐘相位和載波頻率的不確定性，但是并不能完全克服由多普勒頻移引起的 載波和碼速率的偏移。收發(fā)信機相對移動時，也會引起碼相位、載波中心頻率 相位的變化。固定位置的收發(fā)站也會由于電波傳播中的多徑效應而引起碼相 位、載波中心頻率相位的延遲從而造成同步的不確定性。在數(shù)字通信系統(tǒng)中同步主要指的是：碼時鐘速率同步即碼位同步(碼元同 步)和碼字同步及載波同步。所謂碼元同步是指需要在接收端產(chǎn)生一個與接收到的碼元重復頻率和相位 一致的定時脈沖，也就

47、是同步時鐘。同時，為了還原每組信息，還需要準確的 碼字同步，也即字同步。否則，如果字同步不準確，就可能把組分錯。這樣就 不能正確地譯碼。實現(xiàn)碼字同步的方法很多，大致可以分為以下幾種：獨立信 道同步法、插入特殊碼字同步法和自同步法等。對于同步的鎖定，一般有延時鎖定方法和相位鎖定方法。延時鎖定方法是 利用相關(guān)特性來形成誤差信號，使本地的同步序列發(fā)生器跟蹤或鎖定于外來的 序列。兩個碼序列在時延上的差別則需要通過相關(guān)運算來監(jiān)視，即如果兩個碼 序列的相位相同，則有最大的相關(guān)輸出。反之，如果相位不同，則輸出很小。 相位鎖定方法則是使用相位鎖定技術(shù)使本地正弦振蕩器或周期方波發(fā)生器跟蹤 或鎖定于外來的正弦或方

48、波信號，兩個正弦波的相位差別可以通過鑒相器或乘 法器的輸出來顯示。而本次設(shè)計對于同步問題解決主要采用載波同步。擴頻系統(tǒng)中載波的同步也包括捕獲和跟蹤兩個過程。載波捕獲即載頻頻差 的粗略估計，通常包含在偽碼同步過程中，而精確的載波相位及多普勒頻移變 化跟蹤則通過載波參數(shù)估計器或反饋跟蹤控制環(huán)實現(xiàn)，其方式根據(jù)應用的不同 而異。載波跟蹤有載波頻率跟蹤和載波相位跟蹤兩種方法，取決于載波鑒別器提取環(huán)路誤差控制量的方法。常規(guī)接收機中載波跟蹤是在數(shù)字延遲鎖相環(huán) (DDLL)對偽隨機碼相關(guān)解擴的基礎(chǔ)上，通過科斯塔斯環(huán)(Costas,實際上也是一種鎖相環(huán))重構(gòu)載波相位相干解調(diào)實現(xiàn)的。一般環(huán)境下，在無線信道中進行通

49、信很容易造成頻率偏移，固為了解決頻 率偏移而造成的相位不同步的問題，傳統(tǒng)解決的方法是鎖相環(huán)，用鎖相環(huán)來進 行自動頻率，相位跟蹤。而在高速環(huán)境下，由于多普勒頻偏過大，一般采用鎖頻環(huán)來進行自動頻率，相 位跟蹤，因為在高速環(huán)境下鎖頻環(huán)比鎖相環(huán)的性能要更好。同步單元在一個擴頻系統(tǒng)中起到了舉足輕重的作用。只有在完成偽碼的同步 以后，才能夠用同步的偽碼對接收到的擴頻信號進行相關(guān)解擴，把擴頻的寬帶 信號恢復成非擴頻的窄帶信號，以便從中將傳送的信息解調(diào)出來。直擴系統(tǒng)的同步包括偽碼同步、位同步、幀同步和載波同步，后三種與一般 的通信系統(tǒng)基本相同，而偽碼的同步一般分為兩步進行，即捕獲和跟蹤。捕獲 又稱為初同步或初

50、始同步，是對輸入信號的同步信息進行搜索，使收發(fā)雙方用 的偽碼相位差小于一個偽碼碼片；而跟蹤又稱為精同步，它是在捕獲的基礎(chǔ) 上，使收發(fā)雙方的偽碼相位差進一步減小，保證收端的偽碼相位一直跟隨接收 到的偽碼相位，僅在一個允許的范圍內(nèi)變化。初始同步的方法很多，最常用的 是應用滑動相關(guān)法和匹配濾波器法來實現(xiàn)。一般的系統(tǒng)設(shè)計，滑動相關(guān)法都作 為首選的方案，但由于滑動相關(guān)法捕獲時間較長，通常會與其他方法相結(jié)合以 達到快速捕獲的目的?；瑒酉嚓P(guān)法的工作原理如圖 2-5 所示。接收機在搜索同步的過程中，本地偽 碼產(chǎn)生器以不同于發(fā)端的偽碼速率工作，這就相當于收發(fā)信機的偽碼彼此在滑 動。在滑動過程中，當收發(fā)雙方的偽碼

51、不重疊時，相關(guān)器輸出噪聲或者碼相關(guān) 的旁峰。當收發(fā)雙方的偽碼接近重合時，有相關(guān)峰輸出，經(jīng)包絡(luò)檢波，積分后 輸出脈沖信號，若脈沖電平超過門限電平，表示此時收發(fā)雙方的偽碼相位己經(jīng) 小于一個碼片寬度，此時同步單元轉(zhuǎn)入跟蹤狀態(tài)。跟蹤環(huán)路由另外的環(huán)路來完成。圖 2-5 滑動相關(guān)法原理圖2.1.6擴頻通信的主要性能指標處理增益和抗干擾容限是擴頻通信系統(tǒng)的兩個重要性能指標。處理增益 G 也稱擴頻增益，它定義為頻譜擴展前的信息帶寬Bd與頻帶擴展后的信號帶寬 Bs之比：G=Bs/Bd。在擴頻通信系統(tǒng)中，接收機解擴解調(diào)后，只提取 偽隨機碼相關(guān)處理后的帶寬為 Bd的信息，而排除寬頻帶 Bs中的外部干擾、噪 聲和其地

52、用戶的通信影響。因此，處理增益 G 反映了擴頻通信系統(tǒng)對信噪比的 改善程度?？垢蓴_容限是指擴頻通信系統(tǒng)能在多大干擾環(huán)境下正常工作的能力，定義為：其中：Mj為抗干擾容，Gp為處理增益，(S/N)。是信息數(shù)據(jù)被正確解調(diào)所要 求的最小輸出信噪比，Lsys是接收系統(tǒng)的工作損耗。2.2 鎖相環(huán)技術(shù)鎖相環(huán)路是一個頻率與相位的同步控制系統(tǒng)，其性能與同步系統(tǒng)的功能緊 密相連。它的工作過程可用圖 2-6 來說明：圖 2-6 鎖相環(huán)原理圖在上圖中， 環(huán)路輸入是信號 Vi(t)=ViSin3ot+9(t)與加性噪聲 n(t)之和。 它 與壓控振蕩器(vco)的輸出一起加到相乘器(此處為鑒相器PD)上，相乘器的鑒相作

53、用產(chǎn)生一個誤差電壓 vd(t)，該電壓的大小與波形變化取決于 vi(t)與 vo(t) 之間的頻率與相位的差值以及加性噪聲 n(t)。誤差信號 vd(t)經(jīng)環(huán)路濾波器(LF)處 理后，可改變 VCO 輸出信號的頻率及相位，使之跟蹤上輸入信號的頻率與相 位。在 VCO 輸出信號 Vo(t)的表達式中，表示輸入信號的頻率與相位的跟蹤估 值。因此在無噪聲時，當與取得一致，即可獲得完全的同步。9但是本次設(shè)計主要針對于高速環(huán)境下的自動頻率跟蹤，由于在高動態(tài)環(huán)境 下，例如在飛機上進行的無線擴頻通信，由于速度很快，可達到幾百公里每小 時，這樣就會造成比較嚴重的多普勒頻移，在接收端接收到的頻率就會有很大 的偏

54、移，而傳統(tǒng)的解決方法即鎖相環(huán)很難在這種情況下實現(xiàn)同步，所以需要用 到鎖頻環(huán)來進行自動頻率跟蹤。2.3 鎖頻環(huán)技術(shù)FLL 主要由壓控振蕩器(VCO)、延遲線(T)、混頻式鑒相器(PD)、 移相器(書)和環(huán)路濾波器(LPF)組成，其核心部分是延時鑒頻器，應具有 寬帶、低噪聲、高靈敏度等特性。圖 2-7 示出了 FLL 的原理框圖。其工作原理 是：延遲線T將 VCO 的頻率信息轉(zhuǎn)化為相位信息，再由混頻鑒相器對其T時差 產(chǎn)生的相差進行鑒相，并對 VCO 進行頻率控制，達到穩(wěn)頻的目的。 FLL中的延時線可將 VCO 的頻率漂移轉(zhuǎn)化為相位特性，同時產(chǎn)生一個延時，其頻率數(shù)學模型如圖 2-8 所示。圖中，fi

55、是鑒頻器的設(shè)定頻率，fo為輸出頻率，fe為 FLL 的誤 差頻率信號，Kd是鑒相器的鑒相增益，Ko是 VCO 的壓控增益，F(xiàn)(s)是環(huán)路濾波 器的傳輸函數(shù)，書是移相器的相移。圖 2-7FLL 的原理框圖圖 2-8FLL 數(shù)學模型鎖頻環(huán)(FLL)可以通過載波鑒頻器輸出載頻頻移估計量直接跟蹤載波頻率。通常，鎖相環(huán)直接對載波相位進行跟蹤，當環(huán)路穩(wěn)定閉環(huán)時具有較高的跟蹤精 度。然而在高動態(tài)環(huán)境下，采用鎖相環(huán)跟蹤的高動態(tài)擴頻接收機必須承受環(huán)路 帶寬與動態(tài)性能之間的折衷，即噪聲引入跟蹤誤差隨環(huán)路帶寬降低而增加，較 難同時滿足跟蹤精度與動態(tài)性能的要求。相比之下，非相干解調(diào) FLL 跟蹤則具 有較好的動態(tài)性能

56、。2.4 本章小結(jié)本章介紹了與課題相關(guān)的基本原理，首先在香農(nóng)信道容量公式的基礎(chǔ)上闡 述了擴頻技術(shù)以及其中的直擴技術(shù)的基本原理，接著在傳統(tǒng)模擬鎖相環(huán)的基礎(chǔ) 上分析了數(shù)字鎖相環(huán)，鎖頻環(huán)的基本原理。這些基本原理為課題的深入研究提 供了理論依據(jù)。3 接收系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)整個基帶系統(tǒng)可以分為發(fā)射子系統(tǒng)和接收子系統(tǒng)兩個部分。 發(fā)射子系統(tǒng)主 要包括了卷積編碼、塊交織、 偽隨機碼擴頻以及 QPSK 調(diào)制等模塊；而接收子 系統(tǒng)主要包括了數(shù)字中頻信號到基帶的變換、解調(diào)、信號的捕獲與解擴、差分 解調(diào)以及自動頻率控制等模塊。由于本次設(shè)計主要為 AFC 部分，即自動頻率、 相位跟蹤電路，固在此只設(shè)計接收系統(tǒng)，因為 AF

57、C 模塊的最終實現(xiàn)與成功，必 須要在整個接收系統(tǒng)中才得以體現(xiàn)。3.1 接收系統(tǒng)總體框圖接收系統(tǒng)是一個復雜的數(shù)字信號處理過程，主要完成數(shù)字信號到基帶的變 換、解調(diào)、信號的捕獲與解擴、差分解調(diào)以及自動頻率控制等。接收系統(tǒng)的輸 入是數(shù)字化的中頻信號。所以，在射頻模塊到本系統(tǒng)之前，需要進行數(shù)字化處 理。接收系統(tǒng)的框圖如圖 3-1 所示，可見接收子系統(tǒng)主要有以下幾個功能模 塊：圖 3-1 接收系統(tǒng)的框圖(1)下變頻模塊。下變頻器模塊的功能主要是結(jié)合數(shù)控振蕩器NCO，將 接收到的經(jīng)過采樣量化的數(shù)字中頻信號進行數(shù)字式下變頻，從而產(chǎn)生基帶信 號，也就是待解擴信號。全部過程均采用數(shù)字化處理，它由 4 個乘法器、

58、 2 個 加法器和 2 個積分清除濾波器組成。乘法器、加法器主要用來實現(xiàn)下變頻，積 分清洗濾波器用來去掉高頻分量。(2) 匹配濾波器。由數(shù)字通信的理論基礎(chǔ)我們知道，當接收濾波器與信號 相匹配的濾波器的時候，系統(tǒng)的性能最好。所以我們的接收濾波器選擇為匹配 濾波器。在匹配濾波器中，用存儲在其中的偽隨機碼進行相關(guān)運算，并分別計 算出 I/Q 通道的相關(guān)運算的和。在實現(xiàn)偽隨機序列的同步的時候，由于我們采 用的 m 序列的碼周期為 64，所以采用基于數(shù)字匹配濾波器 (DMF)的碼片捕獲技 術(shù)。實現(xiàn)的原理是：計算接收 PN 碼與本地 PN 碼的相關(guān)值，然后與門限比較，大于門限認為捕獲成功，否則就調(diào)整本地的

59、 PN 碼的相位并繼續(xù)搜索，直到捕 獲為止。(3) 差分解調(diào)器。這個模塊把接收到的 I 路和 Q 路通道的信息經(jīng)過相應的 點積和互積運算恢復出經(jīng)過差分編碼的數(shù)據(jù)。不僅可以實現(xiàn)差分解碼，也可以 用于在頻率控制器(AFC)模塊中調(diào)控 NCO 的輸出。(4) 頻率控制器(AFC)。這個模塊利用 I 路和 Q 路通道產(chǎn)生的信息進行運 算，產(chǎn)生需要的頻率信息來對下變頻中的 NCO 的輸出進行控制和調(diào)節(jié)。前面已 經(jīng)提到，數(shù)字下變頻中乘法器結(jié)合 NCO 完成數(shù)字中頻到數(shù)字基帶的變換，實質(zhì) 就是數(shù)字化的相干解調(diào)方法。如果 NCO 輸出信號頻率和中頻頻率載波有頻差和 相差，那么就利用解擴以后的輸出誤差相位來閉環(huán)

60、調(diào)整NCO 的振蕩頗率，使兩 者達到同步。3.2 接收系統(tǒng)的實現(xiàn)接收系統(tǒng)是一個復雜的數(shù)字信號處理過程，在這里主要研究差分解調(diào)、自 動頻率控制模塊的設(shè)計與實現(xiàn)。3.2.1差分解調(diào)器模塊的設(shè)計和實現(xiàn)(1)分析與設(shè)計對于差分 QPSK 調(diào)制和解調(diào)方式，相鄰符號之間由于調(diào)制引起的相位移動 可能是 45 ,135 , 225和 315四種，具體講是由于采用差分編碼，第 k 位 符號和第 k-1 位符號之間的相位差值與第 k 位符號的 I 值和 Q 值的關(guān)系如下：當 I、Q 值為 0、0 時，=225 ；當 I、Q 值為 0、1 時，=135；圖 3-2 在復平面上的表示由以上及前面的分析可知，成功地檢測