FPGA擴頻數(shù)字電路模塊設(shè)計課件

數(shù)字電路模塊設(shè)計2011.11基于FPGA的直接擴頻1內(nèi)容提要綜述1Matlab仿真2系統(tǒng)模塊設(shè)計3FPGA功能實現(xiàn)4總結(jié)52綜述數(shù)字無線電系統(tǒng)

（圖1）壓縮加密數(shù)字信源抗擾擴頻基帶編碼DA數(shù)字中頻調(diào)制模擬射頻調(diào)制混合調(diào)制解壓解密數(shù)字信宿校驗解擴基帶解碼AD數(shù)字中頻解調(diào)模擬射頻解調(diào)混合解調(diào)發(fā)送端接收端系統(tǒng)時鐘時鐘單元語音數(shù)據(jù)圖像語音數(shù)據(jù)圖像3綜述擴頻調(diào)制及解調(diào)

擴頻調(diào)制技術(shù)是傳輸信號所占頻帶寬度遠大于所傳信息必需的最小帶寬的一種信息傳輸方式，其具有抗干擾能力強、信噪比高等諸多優(yōu)點。結(jié)合FPGA在速度上的優(yōu)異性能，本課題采用基于FPGA的擴頻調(diào)制及解調(diào)解擴的通信模式。4綜述軟件無線電

軟件無線電（SoftwareRadio）技術(shù)是誕生于20世紀(jì)末，其特點是將寬帶A/D轉(zhuǎn)換器盡可能靠近射頻天線，把模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，在通用的硬件平臺上最大程度地通過軟件來實現(xiàn)通信過程的一種數(shù)字通信方式。根據(jù)上面提到的甲方需求，基于FPGA的擴頻調(diào)制及解調(diào)解擴的通信在實現(xiàn)上將采用軟件無線電方案。5綜述最經(jīng)典的軟件無線電系統(tǒng)（圖2）

收發(fā)開關(guān)功率放大射頻放大A/DD/A高速DSP本振帶通濾波帶通濾波中放AGC6綜述某SDR設(shè)計方案總體實現(xiàn)框圖

SDR技術(shù)的擴頻碼速率很高，單獨由DSP很難同時完成信源編碼和信道編碼，所以引進了FPGA的應(yīng)用。如圖…7圖3系統(tǒng)總體實現(xiàn)框圖射頻模塊(RF)核心計算機A/D信道模塊（FPGA）中央處理模塊（DSP）SMA通信模塊ABD/ACSMA基帶部分8圖4

FPGA信道編/解碼模塊框圖數(shù)字解調(diào)數(shù)字調(diào)制數(shù)字解擴數(shù)字?jǐn)U頻數(shù)字濾波數(shù)字濾波解密模塊加密模塊ACB接收部分發(fā)送部分9功能實現(xiàn)—欠采樣基本采樣理論—Nyquist采樣定理圖5 采樣后頻譜的延拓功能實現(xiàn)—欠采樣10功能實現(xiàn)—欠采樣帶通采樣理論因載波頻率很大(140MHz)，基帶信號的頻率是32KHz，用Nyquist采樣，所需采樣頻率要大于280M，所以我們用欠采樣對接收到的信號進行采樣。根據(jù)帶通采樣定理，對帶限信號，采樣頻率fs只需大于2B就可以滿足對信號無失真的采樣。并且fs滿足：其中B=fH-fL，n一般取能滿足的最大正整數(shù)。根據(jù)上式，我們確定了本項目的采樣頻率是112MHz，這樣得到的差頻是28MHz。11圖6欠采樣頻譜示意圖12功能實現(xiàn)—欠采樣欠采樣頻域的matlab仿真（圖7）13功能實現(xiàn)—解調(diào)BPSK解調(diào)理論

BPSK解調(diào)過程是將本地的正余弦信號同AD欠采樣的信號相乘，當(dāng)二者相位相同時基帶信號將被還原。14功能實現(xiàn)—解調(diào)BPSK解調(diào)原理框圖（圖8）功能實現(xiàn)—欠采樣帶通濾波NCO從AD至解擴鎖相環(huán)抽取低通濾波15功能實現(xiàn)—解調(diào)NCO模塊該模塊相當(dāng)于“本振”，輸出本地載波sin和cos，與接收到的信號混頻實現(xiàn)載波剝離。其結(jié)構(gòu)框圖（圖9）為：相位累加器波形存儲器D/A轉(zhuǎn)換器低通濾波器頻率控制字Kfoutfclk16混頻圖10欠采樣混頻后的波形圖17濾波圖11濾掉高頻成分后的波形圖18功能實現(xiàn)—解調(diào)鎖相環(huán)模塊該模塊是解調(diào)部分的核心其性能直接影響系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接收。其結(jié)構(gòu)框圖（圖12）為：低通壓控振蕩器環(huán)路濾波器90度移相低通輸入

已調(diào)信號S1S3S2S419功能實現(xiàn)—解調(diào)鑒相器實現(xiàn)反正切鑒相的方法如下，通過比較我們使用Cordic算法來實現(xiàn)反正切鑒相。1查表法：這種方法簡單，但是耗費的硬件資源多。2多項式近似法：將反正切函數(shù)用泰勒級數(shù)展開，然后轉(zhuǎn)化成多項式的加減法來處理，這種方法的精度不高。3Cordic算法：它是一種循環(huán)迭代算法，把矢量的旋轉(zhuǎn)運算轉(zhuǎn)化成加減法和移位操作。易于硬件實現(xiàn)，具有運算速度快、精度高的特點。20功能實現(xiàn)—解調(diào)鑒相器的matlab仿真（圖13）21功能實現(xiàn)—解調(diào)環(huán)路濾波器通過分析比較，本項目采用的是二階環(huán)路濾波器。1一階環(huán)路濾波器會產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)相差，從而降低系統(tǒng)誤碼性能。2二階環(huán)路濾波器在直流增益為無窮大而頻偏為常數(shù)的情況下，仍然能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)態(tài)，實現(xiàn)難度適宜。3三階環(huán)路濾波器實際實現(xiàn)難度較大22功能實現(xiàn)—解調(diào)環(huán)路濾波器的matlab仿真圖（圖14）23從仿真結(jié)果可以看出，我們設(shè)計的COSTAS環(huán)可以很好的實現(xiàn)載波的同步，并且鎖定后穩(wěn)定性很好。并且加噪聲和加多普勒頻偏時也能很好的跟蹤。圖15載波跟蹤環(huán)仿真結(jié)果圖24功能實現(xiàn)—解擴BPSK解擴理論

BPSK解擴過程是將本地的PN碼同解調(diào)的信號相乘，當(dāng)擴頻PN碼相位與本地PN碼相位相同時基帶信號將被還原。25圖16擴頻及解擴時序圖26功能實現(xiàn)—解擴BPSK解擴原理框圖（圖17）PN碼從解調(diào)至解密NCO信道解碼鎖相環(huán)27功能實現(xiàn)—解擴PN碼NCO模塊PN碼NCO的工作原理與載波NCO原理基本相同，不同的是該模塊輸出的數(shù)據(jù)不是正弦信號而是m偽隨機序列。其結(jié)構(gòu)框圖（圖18）為：相位累加器相位寄存器m序列存儲器頻率控制字KPNoutfclk28功能實現(xiàn)—解擴鎖相環(huán)（偽碼同步）模塊偽碼同步鎖相環(huán)分為捕獲環(huán)和跟蹤環(huán)信號捕獲的目的是判斷接收信號粗略的碼相位信號跟蹤的目的是獲得精確碼相位。如圖…29圖19偽碼環(huán)路總體框圖30功能實現(xiàn)—解擴捕獲環(huán)路模塊擴頻序列同步的第一步便是為本地擴頻序列尋找一個相位，使本地擴頻序列與發(fā)送擴頻序列相位差小于二分之一個碼元，這一步稱為捕獲(又稱粗同步)結(jié)構(gòu)框圖如下（圖20）31功能實現(xiàn)—解擴跟蹤環(huán)路模塊同步的第二步是跟蹤(又稱精同步)，進一步減小收端碼元與發(fā)端碼元的相位誤差（一般要使收﹑發(fā)兩碼元的誤差小于十分之一碼元時間，并且在各種外來因素的干擾下能自動地保持這種高精度的相位對齊狀態(tài)。如圖…32圖21偽碼環(huán)路跟蹤框圖33幾種常見的鑒相算法34圖22跟蹤仿真效果圖35總結(jié)目前項目正處于順利的進行中，在仿真結(jié)束后問題主要集中在算法的FPGA實現(xiàn)上，相信在近期都能得到實現(xiàn)。36基帶模塊整體設(shè)計功能框圖37經(jīng)常不斷地學(xué)習(xí),你就什么都知道。你知道得越多,你就越有力量StudyConstantly,AndYouWillKnowEver