基于FPGA設(shè)計自動頻率相位跟蹤電路

1、基于FPGA設(shè)計自動頻率、相位跟蹤電路摘要擴(kuò)頻通信最早應(yīng)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(yīng)用前景。許多國外公司研制了功能強大的擴(kuò)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(kuò)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(yīng)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(kuò)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)、自動頻率跟蹤處理等模塊組成。論文介紹了擴(kuò)頻通信的技術(shù)概況、發(fā)展

2、和背景，以及無線信道環(huán)境。了解了基于擴(kuò)頻技術(shù)的無線通信系統(tǒng)的相關(guān)原理，包括擴(kuò)頻解擴(kuò)、調(diào)制解調(diào)、信道編碼、同步等原理，重點研究直接序列擴(kuò)頻的載波同步理論，對鎖相環(huán)與鎖頻環(huán)進(jìn)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?；贔PGA設(shè)計實現(xiàn)了載波頻率跟蹤和載波相位跟蹤模塊，并在Quartus II軟件開發(fā)環(huán)境進(jìn)行功能仿真及波形仿真。關(guān)鍵詞：擴(kuò)頻通信，F(xiàn)PGA，直接序列擴(kuò)頻，AFC，載波跟蹤Design of Automatic Frequency、Phase Tracking Circuit Based on FPGAABSTRACTSpread spectrum tech

3、niques which is used by the army, have the excellent characteristics of being secret, concealed and to reject interference and multi-path decline. Therefore it has a spread application foreground. Many foreign companies have developed many powerful spread spectrum application ICs, which have the dis

4、advantage that the secondary-development is very limit. The traditional analogy systems exist the disadvantages of big cubage, high power consume, and low dependability. With the fast development of microelectronics and Electronics Design Automation (EDA) techniques, the programmable logic devices s

5、uch as FPGA and CPLD have been widely used 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 mainly consisted of the digital down converter, matched filter, differential demodulat

6、or, output processor and AFC module. And this paper introduces the general situation of spread spectrum system, development and background, along with wireless channel environment. We realize the correlation theory of wireless communication systems based on the principle of spread spectrum technolog

7、y, which the relative despread spectrum of the signal, baseband modulation and demodulation, channel coding, the synchronization and so on. The key study of this paper is direct sequence spread spectrum theory. It also analyzes theoretically the phase locked loop and frequency locked loop. It has de

8、signed the project of the receiver unit, which include differential demodulator and AFC module. It designs and implements the module of the carrier frequency tracking and carrier phase tracking based on FPGA. It carries through functional simulation and waveform simulation in the software developmen

9、t environment of Quartus II. Keywords: Spread Spectrum communication, FPGA, direct-sequence spread spectrum, AFC, Carrier tracking目 錄摘要IABSTRACTII1 緒論11.1 無線通信原理11.2 無線信道環(huán)境21.3 擴(kuò)頻通信背景及意義21.4 FPGA發(fā)展及其應(yīng)用前景41.5 開發(fā)平臺Quartus 簡介51.6 VHDL簡介51.7 本章小結(jié)62 課題相關(guān)理論基礎(chǔ)72.1 擴(kuò)頻技術(shù)72.1.1 擴(kuò)頻通信的理論基礎(chǔ)72.1.2 直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)92.1.

10、3 擴(kuò)頻偽隨機碼102.1.4 擴(kuò)頻信號的相關(guān)解擴(kuò)102.1.5 直序擴(kuò)頻的同步112.1.6 擴(kuò)頻通信的主要性能指標(biāo)122.2 鎖相環(huán)技術(shù)132.3 鎖頻環(huán)技術(shù)132.4 本章小結(jié)143 接收系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)153.1 接收系統(tǒng)總體框圖153.2 接收系統(tǒng)的實現(xiàn)163.2.1 差分解調(diào)器模塊的設(shè)計和實現(xiàn)163.2.2 自動頻率控制(AFC)模塊的設(shè)計和實現(xiàn)183.3 載波頻率跟蹤193.3.1 頻率跟蹤方案203.3.2 頻率跟蹤方案的理論分析203.4 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

11、統(tǒng)頂層輸入圖243.7 接收系統(tǒng)仿真圖253.8 本章小結(jié)254 全文總結(jié)與今后展望264.1 全文總結(jié)264.2 今后工作展望26參考文獻(xiàn)28致 謝29 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 式中：c為光速，f和分別為無線電波的頻率和波長，因此，無線電波也可以認(rèn)為是一種頻率相對較低的電磁波。對頻率或波長進(jìn)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

12、而它們的分析方法和應(yīng)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(jìn)行的。信源調(diào)制器信道解調(diào)器信宿噪聲圖1-1 模擬無線通信系統(tǒng)框圖信源信源編碼信道編碼信道解調(diào)噪聲信道解碼信源解碼信宿調(diào)制圖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(kuò)頻通信則被譽為進(jìn)入信息時代的三大高技術(shù)通信傳輸方式。無線擴(kuò)頻通信與一般的無線電通信系統(tǒng)相比，主要是在發(fā)射端增加了擴(kuò)頻調(diào)制，而在接收端增加了擴(kuò)頻解調(diào)的過

13、程。在發(fā)射端利用一組速率遠(yuǎn)高于信號速率的偽隨機噪聲碼對原信號碼進(jìn)行擴(kuò)頻調(diào)制，一般是將信號擴(kuò)展至幾兆寬的頻帶上，然后將擴(kuò)頻后的信息調(diào)制到空間傳輸?shù)妮d頻上進(jìn)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(jìn)行解擴(kuò)，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信道的制約。無線信道不像有線信道那樣固定并可預(yù)見，而是具有極度的隨機性

14、，從簡單的視距傳播，到遭遇各種復(fù)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(jìn)行控制和預(yù)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(jìn)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；基站與終端的距離改變時信道的容量會變化；當(dāng)終端進(jìn)入不同的網(wǎng)絡(luò)（如從無線局域網(wǎng)進(jìn)入無線廣域網(wǎng)時

15、，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(dǎo)致在系統(tǒng)設(shè)計過程中，算法變得復(fù)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(jìn)入深衰落；多普勒頻率擴(kuò)展加大，衰落加快，使得信

16、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(kuò)頻通信背景及意義 擴(kuò)頻通信，即擴(kuò)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(jìn)入信息時代的三大高技術(shù)通信傳輸方式。擴(kuò)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(kuò)展后再傳輸：接收端則采用相同的編碼進(jìn)行解調(diào)及相關(guān)處理，恢復(fù)原始信息數(shù)據(jù)。2擴(kuò)頻是建立在香農(nóng)的信息論基礎(chǔ)之上的，并率先應(yīng)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(kuò)頻技術(shù)、數(shù)模混合擴(kuò)頻技術(shù)以及完全數(shù)字

17、化擴(kuò)頻技術(shù)等發(fā)展階段。 自20世紀(jì)50年代美國軍方開始對擴(kuò)頻通信技術(shù)進(jìn)行研究后，其成果廣泛用于軍事通信、電子對抗、導(dǎo)航以及高精度測量等方而。但是，直到20世紀(jì)80年代，美國軍方將擴(kuò)頻技術(shù)解密，擴(kuò)頻技術(shù)在商業(yè)系統(tǒng)中的應(yīng)用研究才正式開始。1985年，Marvin K.Simon等人編著的Spread Spectrum Communications Handbook是當(dāng)時有一關(guān)擴(kuò)頻通信技術(shù)的一部全而的著作，內(nèi)容涉及了擴(kuò)頻技術(shù)的歷史發(fā)展，擴(kuò)頻通信的概念、理論與系統(tǒng)模型，系統(tǒng)抗干擾分析，各種擴(kuò)頻調(diào)制和解擴(kuò)、解調(diào)技術(shù)，以及擴(kuò)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(kuò)頻通

18、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?fàn)幜蛷V闊的應(yīng)用前景。 隨著CDMA擴(kuò)頻技術(shù)在民用移動通信里的深入應(yīng)用和小斷滲透，以及深空衛(wèi)星通信、武器制導(dǎo)、GPS定位系統(tǒng)等國防軍事通信的需求下，擴(kuò)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(biāo)準(zhǔn)包括歐洲的WCDMA、美國的CDMA2000以及中國的TD-SCDMA等都采用了以擴(kuò)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(biāo)準(zhǔn)中也采用了擴(kuò)頻體制。3 但是目前，實現(xiàn)擴(kuò)頻通信系統(tǒng)大都采用專用的擴(kuò)頻芯片，

19、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(kuò)頻芯片中，常用的有一STEL-2000A, 287200, SX043等。4在使用這些擴(kuò)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(yīng)

20、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(yīng)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 Radio)應(yīng)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項目進(jìn)行了成功演示為止，人們才真正認(rèn)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)

21、字接收機的思想向兩個方而進(jìn)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、標(biāo)準(zhǔn)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

22、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(wù)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)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(jìn)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。

23、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(fù)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)，但是軟件無線電思想對無線系統(tǒng)的設(shè)計卻有很強的指導(dǎo)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(yīng)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?fàn)幜?，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。1.4 FPGA

24、發(fā)展及其應(yīng)用前景 當(dāng)今社會是數(shù)字化的社會，是數(shù)字集成電路廣泛應(yīng)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(yīng)用最廣泛的當(dāng)屬現(xiàn)場可編程門陣列(Field Programmable Gate Array, FPGA)和復(fù)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)

25、構(gòu)，具有走線靈活，便于復(fù)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(fù)擔(dān)。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(yīng)用，高性能高密度的FPGA在生產(chǎn)工藝、器件的編程和測試技術(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(wù)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(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)。開發(fā)者使用FPGA技術(shù)，結(jié)合相應(yīng)的EDA設(shè)計工具，可以很方便

26、的對產(chǎn)品進(jìn)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(yīng)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(fù)雜數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計的主流。1.5 開發(fā)平臺Quartus 簡介 作為Altera的新一代開發(fā)軟件，Quartus II具有簡單易學(xué)、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(jìn)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

27、入是最為直接的一種輸入方法，應(yīng)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(jìn)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

28、一定的困難。FPGA的編譯和仿真可以分兩步進(jìn)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(jìn)行后仿真。首先，需進(jìn)行編譯。將編譯產(chǎn)生的延時信息加到設(shè)計中，進(jìn)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(jìn)行試驗驗證。FPGA具有多種配置方法，可根據(jù)具體情況選擇使用。可以用計算機及Altera專用編程電纜進(jìn)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(yīng)用軟件提

29、供的編程軟件Programmer即可對期間進(jìn)行配置。這種方法的優(yōu)點是配置方法迅速，便于修改，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(jìn)行編程，具有不同容量可供選擇，也可用一片EPROM對多片F(xiàn)PGA進(jìn)行配置。1.6 VHDL簡介 作為符合IEEE-1076標(biāo)準(zhǔn)的硬件描述語言HDL (hardware description language) ，VHDL的應(yīng)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(fēng)格與句法和一般的計算機高級語言

30、十分相似。應(yīng)用VHDL進(jìn)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(jìn)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(biāo)器件是什么，而進(jìn)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數(shù)，就能輕易的改變設(shè)計的規(guī)模和結(jié)

31、構(gòu)?？梢灶A(yù)計，隨著VHDL-93標(biāo)準(zhǔn)的廣泛應(yīng)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(jìn)行了介紹。2 課題相關(guān)理論基礎(chǔ)2.1 擴(kuò)頻技術(shù) 擴(kuò)頻通信的理論基礎(chǔ) 擴(kuò)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(kuò)頻函數(shù)擴(kuò)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(kuò)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(yuǎn)比我們已熟知的其他各種調(diào)制方式要求的帶寬要寬得多。調(diào)制信號帶寬遠(yuǎn)小于擴(kuò)頻后的擴(kuò)頻碼序列(chip)的帶寬。信息已不

32、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(kuò)頻函數(shù)決定，一般常用的擴(kuò)頻函數(shù)是偽隨機碼。擴(kuò)頻技術(shù)的基本理論根據(jù)是信息論中的香農(nóng)(CE.Shannon)公式，它可以表示為： C=Wxlog2(1+SN)式中，C是信息的傳輸速率(bits)，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⒙省榱颂岣咝畔⒌膫鬏斔俾蔆可以從兩種途徑實現(xiàn)，即加大帶寬 W或提高信噪比SN。換句話說，當(dāng)信號的傳輸速率C一定時，信號帶寬W和信噪比SN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

33、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(yīng)地增加信號帶寬，仍然保持可靠的通信。擴(kuò)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(kuò)頻通信的基本思想和理論依據(jù)。5無線擴(kuò)頻通信原理框圖如圖2-1。數(shù)據(jù)調(diào)制PN碼本振數(shù)據(jù)本振PN碼同步解調(diào)圖2-1 無線擴(kuò)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(dǎo)致信號功率大幅度

34、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(kuò)頻技術(shù)正是利用這一原理，用高速率的擴(kuò)頻碼來達(dá)到擴(kuò)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(kuò)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(kuò)頻系統(tǒng)的信號頻譜帶寬遠(yuǎn)大于所傳輸?shù)男畔?，擴(kuò)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(kuò)頻信號的功率譜密度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于常規(guī)系統(tǒng)發(fā)射信號的功率譜密度。而擴(kuò)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

35、當(dāng)接收到的擴(kuò)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(kuò)頻信號有關(guān)參數(shù)的情況下，偵察接收機難以對擴(kuò)頻信號進(jìn)行監(jiān)視和截獲，更難以對其進(jìn)行測向。因此擴(kuò)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(kuò)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(kuò)展原理，從而大大提高了接收機信息恢復(fù)時的信干比，相當(dāng)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(zhǔn)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 由于擴(kuò)頻信號帶寬較寬，因此在接收端對接收信號進(jìn)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(kuò)頻技術(shù)非常適合在雷達(dá)、

36、導(dǎo)航定位、制導(dǎo)和高精度授時等領(lǐng)域應(yīng)用，用以提高雷達(dá)的距離分辨率、導(dǎo)航定位和制導(dǎo)的精度。 4）具有信息保密性 由于擴(kuò)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(dāng)然，擴(kuò)頻技術(shù)的這種保密性有一定的局限性，一般單純的擴(kuò)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(jìn)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(jìn)行多址通信當(dāng)不同的擴(kuò)頻系統(tǒng)用戶采用互相關(guān)特性很好的偽隨機碼作為擴(kuò)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

37、是CDMA。雖然目前對CDMA系統(tǒng)的容量有小同的看法，有的認(rèn)為CDMA系統(tǒng)容量較TDMA高，有的認(rèn)為CDMA容量和TDMA相當(dāng)，甚至更低，但如今的事實是CDMA通信已經(jīng)廣泛應(yīng)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(yīng)用中，擴(kuò)頻通信有以下三種基本工作方式： 1）直接序列擴(kuò)頻(Direct Sequence Spread Spectrum)，簡稱直擴(kuò)（DS）：這種方式直接用偽噪聲序列對載波進(jìn)行調(diào)制。將待傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息編碼后，跟偽噪聲序列進(jìn)行模二加生成復(fù)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

38、完全一致的偽隨機序列，作為本地的解擴(kuò)信號，以便能夠即時恢復(fù)出數(shù)據(jù)信息來，完成整個直擴(kuò)通信系統(tǒng)的信號接收。 2）跳頻擴(kuò)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(kuò)頻需要有個關(guān)鍵部件就是快速響應(yīng)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(kuò)展頻帶由整個頻率合成器生成的最小頻率間隔和頻率間隔數(shù)目來共同決定。 3）跳時擴(kuò)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

39、種工作方式，允許在隨機時分多址通信應(yīng)用中，發(fā)射機和接收機使用同一個天線。在實際應(yīng)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(kuò)混合系統(tǒng)、跳頻一跳時混合系統(tǒng)、跳時一直擴(kuò)混合系統(tǒng)等。在實際的擴(kuò)頻通信系統(tǒng)工程中，用得比較普遍得是直擴(kuò)方式和跳頻方式，而直擴(kuò)是目前使用最多、也是最典型的一種。2.1.2 直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)是目前廣泛使用的一種擴(kuò)頻系統(tǒng)。圖2-2給出了一種典型的直擴(kuò)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(jìn)行擴(kuò)頻調(diào)制，然后進(jìn)行BPSK調(diào)制，經(jīng)放大后由天線發(fā)

40、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(kuò)，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(fù)出原始數(shù)據(jù)信息。8圖2-2 直擴(kuò)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(kuò)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(2f/2Rc)/(2f /2 Rc)2，主瓣寬度為2Rc，旁瓣寬度為Rc。圖2-3 直擴(kuò)信號功率譜示意圖 擴(kuò)頻偽隨機碼 在擴(kuò)頻通信中，信號頻譜的擴(kuò)展是通過擴(kuò)頻碼實現(xiàn)的。擴(kuò)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

41、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(fù)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(kuò)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)特性。在擴(kuò)頻系統(tǒng)中，應(yīng)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

42、性理想。因此應(yīng)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(kuò)頻系統(tǒng)的捕獲和跟蹤。 擴(kuò)頻信號的相關(guān)解擴(kuò) 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(kuò)頻信號，首先要完成解擴(kuò)才能進(jìn)行基帶解調(diào)。因而接收端還要復(fù)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)兩端偽碼同步信號相乘并積分為相關(guān)解擴(kuò)。擴(kuò)頻信號的相關(guān)解擴(kuò)是接收機的重要環(huán)節(jié)之一。擴(kuò)頻接收機接收到信號后，第一步就是要解除擴(kuò)頻調(diào)制，把原來占有很寬頻譜的擴(kuò)頻信號，變換為窄帶信號，從而取得處理增益。然而在擴(kuò)頻通信系統(tǒng)中，接收端擴(kuò)頻接收機一般要在輸入信噪比為030dB條件下進(jìn)行信號處理，而一個設(shè)計良好的相

43、關(guān)器可以允許在輸入信噪比低達(dá)-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(kuò)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(biāo)記（通常指相位）在時間坐標(biāo)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：濾波低通濾波器圖2-4 相干檢測原理圖 圖中的信號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(dāng)進(jìn)行相干檢測時，r(t)在與有用信號s

44、(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(kuò)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。 直序擴(kuò)頻的同步同步技術(shù)是直擴(kuò)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，同步性能的好壞直接關(guān)系到系統(tǒng)性能的優(yōu)劣。在擴(kuò)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

45、位置的收發(fā)站也會由于電波傳播中的多徑效應(yīng)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(fù)頻率和相位一致的定時脈沖，也就是同步時鐘。同時，為了還原每組信息，還需要準(zhǔn)確的碼字同步，也即字同步。否則，如果字同步不準(zhǔn)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

46、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(kuò)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(yīng)用的不同而異。載波跟蹤有載波頻率跟蹤和載波

47、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(kuò)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(jìn)行通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(jìn)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(jìn)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(kuò)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(kuò)頻信

48、號進(jìn)行相關(guān)解擴(kuò)，把擴(kuò)頻的寬帶信號恢復(fù)成非擴(kuò)頻的窄帶信號，以便從中將傳送的信息解調(diào)出來。 直擴(kuò)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(jìn)行，即捕獲和跟蹤。捕獲又稱為初同步或初始同步，是對輸入信號的同步信息進(jìn)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(jìn)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(yīng)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

49、長，通常會與其他方法相結(jié)合以達(dá)到快速捕獲的目的。滑動相關(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(dāng)于收發(fā)信機的偽碼彼此在滑動。在滑動過程中，當(dāng)收發(fā)雙方的偽碼不重疊時，相關(guān)器輸出噪聲或者碼相關(guān)的旁峰。當(dāng)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。進(jìn)入搜索調(diào)整時鐘捕獲轉(zhuǎn)入跟蹤停止搜索跟蹤圖2-5 滑動相關(guān)法原理圖 擴(kuò)頻通信的主要性能指標(biāo)處理增益和抗干擾容限是擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的兩個重要性能指

50、標(biāo)。 處理增益G也稱擴(kuò)頻增益，它定義為頻譜擴(kuò)展前的信息帶寬Bd與頻帶擴(kuò)展后的信號帶寬Bs之比：G=Bs/Bd 。在擴(kuò)頻通信系統(tǒng)中，接收機解擴(kuò)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、噪聲和其地用戶的通信影響。因此，處理增益G反映了擴(kuò)頻通信系統(tǒng)對信噪比的改善程度?？垢蓴_容限是指擴(kuò)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)out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

51、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)=Visinot+(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(dá)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(dāng)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

52、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(jìn)行的無線擴(kuò)頻通信，由于速度很快，可達(dá)到幾百公里每小時，這樣就會造成比較嚴(yán)重的多普勒頻移，在接收端接收到的頻率就會有很大的偏移，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(jìn)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（）、混頻式鑒相器（PD）、移相器（）和環(huán)路濾波器（LPF）組成，其核心部分是延時鑒頻器，應(yīng)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：延遲線將VCO的頻率信息轉(zhuǎn)化為相位信息，再由混頻鑒相器對其時差產(chǎn)生的相差進(jìn)行鑒相，并對VCO進(jìn)行頻率控制，

53、達(dá)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(xué)模型如圖2-8所示。圖中，f1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)，是移相器的相移。圖2-7 FLL的原理框圖圖2-8 FLL數(shù)學(xué)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(jìn)行跟蹤，當(dāng)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(kuò)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

54、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。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(kuò)頻技術(shù)以及其中的直擴(kuò)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(kuò)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(kuò)、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

55、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AFC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(fù)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(kuò)、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(jìn)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(jìn)行數(shù)字式下變頻，從而產(chǎn)生基帶信號，也就是待解擴(kuò)信號。

56、全部過程均采用數(shù)字化處理，它由4個乘法器、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(dāng)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(jìn)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(rèn)為捕獲成功，否則就調(diào)整本地的P

57、N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(yīng)的點積和互積運算恢復(fù)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(jìn)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(jìn)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(kuò)以后的輸出誤差相位來閉環(huán)調(diào)整NCO的振蕩頗率，使兩者達(dá)到同步。3.2 接收系統(tǒng)的實現(xiàn)接收系統(tǒng)是一個復(fù)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)。 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