（通信与信息系统专业论文）基于fpga的全数字扩频收发机的设计与实现.pdf

中文摘要 摘要：软件无线电( s d r ) 系统是利用软件方式，控制可编程硬件来更改系统参 数，以便适应不同的需要。它有两个核心思想，首先是将数字化区域由接收机推 广到发射机，并用数字方式实现了几乎全部的基带和中频系统。其次就是将信号 处理部分，诸如：调制解调、上下变频、滤波器设计等模块全部构建在硬件平台 上用软件控制。而且随着可编程器件( 如：f p g a 、d s p 等) 性能上的飞速提升，又 使以上这一切的实现变得更加便捷和简易，所以结合扩频设计技术，设计一款基 于f p g a 的全数字扩频收发机，便是本课题的主要研究目标。 本文将首先从扩频收发机的关键技术入手，着重介绍其理论依据。随后，基 于这些理论知识以及部分专用直接序列扩频芯片的设计结构，如：z 8 7 2 0 0 ， h f a 3 8 2 4 等，确定了本扩频收发机的实现方案，并结合本方案特点设计了一套完 整的硬件测试平台。它分为数字和模拟两部分，其中以a l t e mc y c l o n ei i 系列f p g a 芯片e p 2 c 3 5 f 6 7 2 c 6 作为数字部分的硬件载体。同时分别采用a d i 、t i 、i i i t e m i l 和m i n i s c i m u i t s 等公司的多种芯片构建模拟部分的测试平台。而后，通过使用 v e f i l o g h d l 硬件描述语言对系统作了具体的软硬件实现。 最后，针对系统的特点，利用实验室现有的测试仪器，制定出具体的测试方 案，对所设计的系统进行了调试和性能检验，得到了宝贵的硬件调试经验和有用 的测试结论，并在此基础上给出了一种基于s o p c 技术的系统实现方案，以供参考。 关键词：直接序列扩频；全数字收发机：软件无线电；f p g a , v e f i l o gh d l ； 分类号：t n 9 1 4 4 2 e 塞銮遵太堂亟芏缱迨奎垒18 ! a b s t r a c t a b s t r a c t ：as o f t w a r e d e f i n e dr a d i o ( s d r ) s y s t e mi sar a d i oc o m m u n i c a t i o ns y s t e m w h i c hc a nc h a n g et h em a i np a r a m e t e r so ft h es y s t e mb ym e a n so fp r o g r a m m a b l e h a r d w a r ew h i c hi sc o n t r o l l e db ys o f t w a r e i tc o n t a i n st w oc o r ei d e a s ，o n ei st o i m p l e m e n ta l m o s tt h ew h o l eb a s e b a n da n di es y s t e mb yd i g i t a lm e t h o d s ，a n dt h eo t h e r i st op e r f o r mt h es i g n i f i c a n ta m o u n t so fs i g n a lp r o c e s s i n gi nar e c o n f i g u r a b l eh a r d w a r e p l a t f o r mc o n t r o l l e db ys o f t w a r e m o r e o v e r , w i t ht h er a p i dp r o g r e s so ft h ep e r f o r m a n c e o ft h ep r o g r a m m a b l ed e v i c e 。w ec a nd e s i g nt h ea b o v es y s t e mm u c hm o r ee a s i l ya n d e f f i c i e n t l y t h u s ，t h ed e s i t i n a t i o no ft h i sp a p e ri st od e s i g na n di m p l e m e n t a na l ld i 百t a l s p r e a ds p e c t r u mt r a n s c e i v e r b a s e do nf p g a i nt h i sp a p e r , w ef i r s t l yf o c u so nt h ek e yt e c h n o l o g yo fs p r e a ds p e c t r u mt r a n s c e i v e r , a n dt h e ni n t r o d u c et h eb a s i ct h e o r i e sa n df u n d a m e n t a lo p e r a t i n gp r i n c i p l e s b a s e do n t h e s et h e o r i e sa n ds o m ea s i cc h i p s ，s u c ha sz 8 7 2 0 0a n dh f a 3 8 2 4 ，w ed i s c u s st h e s o l u t i o n o fo u r - t r a n s c e i v e r ：m o r e o v e r , w e ：a l s od e s i g n a w h o l eh a r d w a r e ：t e s t p l a t f o r m ， w h i c hi n c l u d e sb o t hd i g i t a la n da n a l o gp o r t i o n h e r e ，w ea d o p tt h ea l t e r ac y c l o n ei i s e r i e sf p g ae p 2 c 3 5 f 6 7 2 c 6a st h ep l a t f o r m o ft h e d i g i t a l p o r t i o na n du s es o m eo t h e r s p e c i a li c sd e s i g n e db ya d i ，t i ，i n t e r s i la n dm i n i c i r c u i t st oi m p l e n t m e n tt h ea n a l o g p o r t i o n a n df i n a l l y , a l lt h em o d u l e s o fo u r _ t m n s i v e r l a r ed e s c r i b e d 。b yu s i n gv e r i l o g h d l a tl a s t b a s e do nt h et e s ti n s t r u m e n t sf r o mo u rl a b ，w es e td o w nt h ed e t a i l e dt e s tp l a n a n dm a k et h et e s t a f t e rt h a t ，w ed r a ws o m eu s e f u lh a r d w a r et e s te x p e r i e n c ea n dp r e s e n t a ni m p r o v e ds p r e a ds p e c t r u mt r a n s c e i v e rs c h e m eb a s e do ns o p c k e y w o r d s ：d s s s ；a l ld i g i t a lt r a n s c e i v e r ；s d r ；f p g a ；v e r i l o gh d l ； c i a s s n 0 ：t n 9 1 4 4 2 图表目录 图i - i 软件无线电收发机框图 图2 - 1 发送端设计方案框图 图2 - 2 接收端设计方案框图 图2 - 3 外围电路设计框图 图2 4q p s k 星座图 图2 - 5q p s k 科斯塔斯载波恢复环 图2 - 6 图2 - 7 图2 - 8 图2 - 9 全数字采样定时环 采样定时环路模块框图 下计数过程关系图 匹配滤波器 图2 一l o 滑动相关法模块图 图2 - 1 1 ( n ，l ，k ) 卷积编码器 j1 4 9 1 1 1 3 1 4 1 5 图2 一1 2 ( 2 ，i ，3 ) 卷积编码网格图1 7 图2 一1 3 维特比译码_ 图3 一l 发送端主要模块框图。 图3 2 扩频模块仿真图。 图3 - 3n c o 结构图 图3 4n c o 仿真图 图3 - 5 升余弦滤波器的频域响应 1 8 2 0 图3 - 6 接收端主要模块图2 6 图3 7 载波同步模块图2 6 图3 - 8 专用硬件乘法器2 7 图3 - 9 低通滤波器的频域响应2 7 图3 - 1 0 二阶环路滤波器的拓扑结构2 9 图3 - 1 1 采样定时同步模块框图2 9 图3 一1 2 内插滤波器3 0 图3 - 1 3 内插模块 图3 - 1 4 内插滤波器后仿真结果3 1 图3 1 5 内插滤波器框图3 1 图3 - 1 6 时序控制器后仿真结果3 2 图3 一1 7 接收解扩模块框图。 图3 一1 8 捕获与跟踪单元 图3 一1 9 改进型匹配滤波器。 图3 2 0 状态机状态转移图。 图3 - 2 1 有限状态机仿真图。 图3 - 2 2 卷积编码器框图 图3 - 2 3 复位同步器。 图3 - 2 4v i t e r b i 译码器框图 3 3 3 3 3 4 3 5 3 5 3 7 图3 - 2 5 端口同步流程图加 图3 - 2 6v i t e r b i 译码器配置图。 图3 - 2 7 处理单元结构框图 图3 - 2 8 功能仿真图 图4 - i 图4 - 2 硬件测试平台。 d e 2 教学开发板 图4 - 3a d 9 7 6 4 功能模块图 图4 4 图4 - 5 图4 - 6 图4 7 数模转换电路原理图 模数转换电路原理图 p l p1 0 7 的频域响应 逻辑供电与模拟供电 图4 8 模拟示波器测试结果 图4 - 9 频谱仪测试结果( 基带) 4 2 4 3 4 4 4 6 4 6 4 7 4 8 4 9 图4 - 1 0 频谱仪测试结果( 中频信号) 图4 一l l 接收的i 。q 数据波形 图4 - 1 2 同步脉冲序列 图4 一1 3 测试结果( 中频信号) 图4 - 1 4 存在载波频差时的误差信号 图4 1 5a v a l o n 交换架构。 图4 - 1 6s o p c 系统 图4 - 1 7 基于s o p c 的系统方案 图4 1 8 突发帧结构 5 1 5 1 5 2 5 3 5 3 5 4 5 4 5 6 5 6 5 7 图a 1 扩频收发机l 6 2 图a 2 扩频收发机2 6 2 j e 丞窆逗盔堂亟堂焦硷塞图塞 目丞 图c 1 图c 2 图c 3 图c 4 图c 5 图c 6 表2 1 表3 - i 表3 - 2 表3 3 表3 - 4 表3 5 表4 - i 表4 - 2 表4 - 3 表4 - 4 表4 - 5 表b - l 表c - i 表卜2 表c 一3 时序分析路径类型 触发沿与锁存沿 建立时间检测。 保持时间检测 基带部分r t l 视图 6 7 6 8s y n p l i r yp r o 工程文件 与现有a s i c 方案之比较 q p s k 差分编码表 n c o 参数表2 4 升余弦滤波器参数表 低通滤波器参数表。 性能对比表。 供电电压表 3 4 4 9 基带输出模式测试条件5 0 中频输出模式测试条件1 5 1 中频输出模式测试条件2 5 3 n i o s i i 处理器系列5 5 系统资源占用情况表。6 3 p e r f o r m a n c es u m m a r y1 6 9 c l o c kr e l a t i o n s h i p s 6 9 p e r f o r m a n c es u m m a r y2 6 9 致谢 本论文的工作是在我的导师陶成副教授的悉心指导下完成的，陶成老师严谨 的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢三年来陶 老师对我的关心和指导。 陶成老师悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给予 了我很大的关心和帮助，在此向陶老师表示衷心的谢意。 此外，周晓波博士，杜凯老师也对我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵 意见，在此表示衷心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，李司同学对我论文中的f p g a 研究工作、电 路板p c b 布局布线工作给予了热情帮助，刘留博士、王强、黄伟、张风珍等同学 也为我的论文提供了许多建议和帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢我的家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 j e塞奎塑盔堂亟堂焦堡窒i !宣 1 1 课题研究的目的与意义 1 引言 在最近的十年里，由于射频( r f ) 集成电路和高速数字信号处理器的快速发 展，无线射频接收机的设计和制造得到了长足的进步。对射频工程师来说，高速 信号处理器与高性能数模、模数转换芯片的进步，使得更高的中频数字化成为 可能，从而进一步减少了系统的射频( r f ) 部分，并且提高了射频( r f ) 电路的 整体性能，使得全数字接收机“1 的设计得以实现。 在此基础上，产生了软件无线电“1 的理念，它将全数字接收机的思想进行了推 广，并提出两个方向：首先，将数字化区域由接收机推广到发射机。图1 - 1 是一 个典型的软件无线电收发机的功能模块框图。可以看到，射频的模拟部分被限制 在信号前端，而几乎全部的基带和中频( i f ) 处理都是可以通过数字方式实现。 其次，就是将信号处理部分，诸如：信道编解码、调制解调、上下变频、滤波器 设计等部件全部构建在硬件平台上用软件实现。而可编程器件( 如：f p g a 、d s p 等) 性能上的飞速提升，又给以上这一切提供了平台保证，所以借助f p g a 器件的巨大 优势，并结合扩频设计技术，设计一款功能全面、配置灵活的全数字扩频收发机， 具有较大的实践意义。 公- 全 l 数 数 字 字 调 上 变 制 频 羽 全 全i 薹卜 数 | | h 两 换k 一 解 变ll 器 - j 制 频f 图卜1 软件无线电收发机框图 f i g u r e1 - 1 s o f t w a r ed e f i n e dr a d i ot r a n s i v e rs y s t e md i a g r a m j e塞奎塑盔堂亟堂焦堡窒i !宣 1 2 国内外发展现状 软件无线电“。是由j m i t o l a 于1 9 9 2 年首先提出的一种新型无线通信系统设计 结构。众所周知，现行无线通信领域中存在的诸多问题，例如：调制方式、波形 结构、通信协议、编码方式或加密方式的不同。另外，无线频带越来越拥挤，对 通信系统的频带利用率和抗干扰能力的要求不断提高，使得传统的以硬件为主的 通信设计方法难于满足需要，鉴于此软件无线电概念便应运而生。目前，国内外 对于软件无线电的研究正处于高速发展阶段。其中，美国军方业已研制成功的 s p e a k e a s y 多模多段电台”1 ，能够同时处理4 种不同的信号波形，同时兼容1 5 种 以上的电台，而这大部分都是采用软件可编程方式配置的。另外，国际著名企业， 如爱立信、摩托罗拉等公司在软件无线电方面也有深入研究，并将其广泛应用于 无线通信系统的设计中。由此可见，s d r 拥有广阔的发展前景。 另一方面，扩频技术从诞生至今，都在以其诸多的优越性，在通信系统的设 计中占据着重要的位置。国外i c 设计公司，诸如：i n t e r s i l 、z i l o g 、s t a n f o r d t e l e c o m 、a m i 等，都相继推出过专用a s i c 直接序列扩频芯片。其中应用较为广泛 的有以下几种：i n t e r s i l 公司的h f a 3 8 2 4 a ”，z i l o g 电信公司的z i l o g8 7 2 0 0 ”1 等。而反观国内却尚未出现类似的a s i c 扩频解决方案。 然而近年来，随着可编程器件的长足发展。业界巨头：x i l i n x 、h l t e r a 、t i 等公司相继推出了其最先进的可编程器件，例如：x i l i n x 公司的v e r t e x5 和 s p a r t a n3 e 系列，h l t e r a 公司的s t r a t i xi ig x 和c y c l o n ei i i 系列以及t i 公 司的达芬奇系列等，使得可编程器件能够胜任更加复杂的信号处理任务。 由此可见，在高性能的硬件平台上，采用s d r 理念实现一套完整的直接序列 扩频( d s ) 通信系统是十分可行，而且必要的。 1 3 作者在论文中的主要工作 本文意在研制一套基于f p g a 平台的、符合现行通信标准的、完整灵活的全数 字扩频收发机，并通过硬件平台，验证本系统的可行性、正确性与通用性。所以 作为在校研究生研究该课题的主要目的为：以该课题作为研究载体，培养自学能 力，锻炼搜索资料能力，提高提出问题、分析问题、解决问题的能力以及实际动 手能力和硬件系统的调试经验。 在课题研究期问，作者通过网络查询、文献检索、同国内外相关公司技术人 员交流等多种方式，仔细研究了与本课题相关的理论知识，并制定了详细的设计 方案，实现了大部分功能。 j e塞奎塑盔堂亟堂焦堡窒i !宣 在课题研究期间，作者主要完成的工作以及所使用的芯片、工具清单如下： 1 研读h f a 3 8 2 4 以及z 8 7 2 0 0 等专用芯片手册，比较其异同点，并结合其特 点，提出本系统设计方案。 2 研读与全数字接收机、软件无线电等相关的技术书籍。 3 制定详细的系统设计方案和软、硬件测试方案。 4 学习v e r l o gh d l 硬件描述语言。 5 本系统共涉及以下几款芯片： a l t e r a 公司c y c l o n ei i f p g a ：e p 2 c 3 5 f 6 7 2 c 6 ： a d i 公司的d a c 转换芯片：a d 9 7 6 4 ； t i 公司的a d c 转换芯片：a d s 8 3 1 ： i n t e r s i l 公司的运算放大器：h f a l 2 0 5 i p ； a d i 公司的运算放大器：a d 8 3 1 8 ； m i n i c i r c u i t s 公司的低通滤波模块：p l p - i o 7 。 6 以a l t i u m 公司的p r o t e ld x p 软件，作为数模、模数转换接口以及低通 滤波、放大电路的p c b 绘制工具。 7 以a l t e r a 公司的p p g a 集成开发环境q u a r t u s i i6 0 软件，作为f p g a 开 发的下载、布局布线以及静态时序分析工具。 8 以s y n p l i c i t y 公司的逻辑综合工具：s y n p l i f yp r e m i e rw i t hd p ，作为 整个系统的综合工具。 9 以m e n t o rg r a p h i c s 公司的逻辑仿真工具：m o d e l s i ms e ，作为整个系统， 的功能仿真、布局布线后仿真工具。 1 0 以n o v a ss o f t w a r e 公司的d e b u s s y 软件，作为整个系统的查错工具。 j e 室奎亟盔堂亟堂鱼迨童全墼主芝塑蝗蕉扭丝丕统丝盐 2 全数字扩频收发机的系统设计 本收发机以f p g a 平台为载体，结合多种现行a s i c 扩频芯片的特点，借鉴软 件无线电的设计理念，完成整个系统的构建。在本章节中，将首先从系统总体框 架结构入手，然后分别介绍本收发机所采用的扩频码字集、调制解调方式、同步 策略、信道编解码方式等内容，最后再列出本方案与现行a s i c 芯片性能之比较， 以便在更深层次上探究本方案的可行性与通用性。 2 1 总体方案介绍 承载本扩频收发机的硬件测试平台可以分为模拟和数字两部分，其中数字部 分，即全数字扩频收发机全部由a l t e r ac y c l o n e i i 系列f p g a 芯片实现。而模拟 部分完成模数、数模转换以及放大、滤波等功能。在本小节中，将简要介绍其 设计结构和功能，具体的关键技术细节可见后续章节。 2 1 1 发送端设计方案 如图2 - 1 所示为本系统的发送端设计方案框图。 图2 - 1 发送端设计方案框图 f i g u r e2 - 1 t r a n s m i t t e rs e a i o n 首先，卷积编码后的基带数据，经由数据处理器分为同相和正交两条支路， 随后为了去除绝对调相电路中的信号相位模糊问题，对i 、f j 两路数据进行四相差 4 j 塞童塑盔堂亟主堂鱼迨塞全塑呈芏塑蝗蕉扭笪丕统丝过 分编码。 其次，在进行直接序列扩频处理时，本系统根据片内控制器瞄”的状态字配置， 选择不同的扩频码字完成扩叛功能，再经过片内数字升余弦滤波之后，馈送给q p s k 调制器。值得注意的是，本系统片内集成一个可调n c o ，可将调制后的信号上变频 至i o m h z 中频频点，从而提供数字中频信号输出。 此外，本发送机具有丰富的输出端口，用户可以根据实际需要得到以下三种 方式的输出信号“： l 、数字基带i 、q 支路输出端口：烈z 珑仍以刁现 2 、数字中频合路输出端口：磁力嘞 3 、数字中频i 、q 支路输出端口：t x i f i o u t , t x l f q o u t ： 2 1 2 接收端设计方案 如图2 - 2 所示为本系统的接收端设计方案框图。 图2 - 2 接收端设计方案框图 f i g u r e2 - 2 r e c e i v e rs e c t i o n 与发送端信号处理流程相对应。接收系统也提供三种数字信号输入方式滥”： l 、数字中频合路输入端口：r x i f i m 2 、数字中频i 、q 支路输入端口：砌矿f 五ur x i f o h g ； 3 、数字基带i 、q 支路输入端口：r x i 五v , r x q i n ： 5 j 塞奎塑太堂亟主堂鱼迨塞全墼主芏塑蝗蕉扭笪丕统丝过 用户可以根据不同的应用场合，灵活地选择数据接收方式。鉴于此本接收机 主要提供以下两种模式： a 、可以接收1 0 m h z 中频信号。在此模式下，经a d 变换后的数字中频信号， 从上文“1 ”或“2 ”号端口输入。首先，片内下变频至近基带，再在载波恢复模 块的处理下，去除残余载波误差，完成由近基带向基带的搬移。其次，再利用 g a r d n e r 符号定时误差恢复机制n 0 3m 1n 2 1 ，完成对基带扩频数据的符号定时以及判 决工作。最后，接收机根据约定的状态字配置眦“或突发数据帧中的标志位n 生”， 选择相应的扩频序列，完成序列的捕获、跟踪、解扩、四相差分解码、合路判决 以及维特比译码等处理，最终输出r x o u t o 此外，本系统也提供基带并行输出端口： r x i o u t , r x q o u t o b 、接收机也可以略去载波恢复模块，利用上文“3 ”号端口，直接处理接收 到的基带扩频数据。随后，便可以按照a 模式的后续流程，依次完成信号的接收 处理，最终得到嬲输出信号。 此外，本接收机同时提供同步标志位s y n _ f l z g 失步标志位l o s _ f j a g 以及a r o 信号，方便用户查看系统状态。 2 1 3 外围电路设计方案 如图2 - 3 所示为本收发机的外围电路设计框图： f i g u r e2 - 3 b l o c kd i a 伊a m o fp e r i p h e r a lc i r c u i t s 6 j 塞童塑盔堂亟主堂鱼迨塞全塑呈芏塑蝗蕉扭笪丕统丝过 ，配合全数字收发机的模拟电路主要分为以下两部分： 1 、发送系统：它包括两个1 4 位位宽的高速数模转换芯片、用于完成“差分 一单端”转换的发大器电路以及一对无源低通滤波模块。 2 、接收系统：它包括两个8 位位宽的高速模数转换芯片、用于完成“单端 差分”转换的发大器电路等。 2 2 扩频码字与调制方式 1 扩频码字： a 、b a r k e r 码扩频模式( 短码模式) ： 根据美国f c c l 5 2 4 7 规范之要求，即在工业、科学、医学等非专有领 域领域，所需要的最小处理增益应为l o d b 。所以扩频通信系统所选取的最短 码长应至少为1 0 位。由此本系统采用1 1 位b a r k e r 码作为主要的短码扩频码， 下面简要介绍一下b a r k e r 码的性质： 巴克( b a r k e r ) 码是一种二相编码信号，它具有良好的非周期自相关特性， 因此在脉冲压缩中得到了很广泛的应用。在数字通信系统当中，由于巴克码 具有尖锐的自相关函数，便于与随机的数字信息相区别，易于识别，因此常 用于帧同步，本系统所采用的是1 1 位b a r k e r 码，它的码字序列如下： 1 0 1 1 0 1 1 1 0 0 0 b 、p n 码扩频模式( 长码模式) ： 伪随机序列( p n 序列) ，它由两个元素( 符号) 0 ，l 组成，序列中不同 位置的元素取值相互独立，即取0 ，1 的概率相等，等于1 2 。伪随机序列具 有以下三种基本特性： ( 1 ) 在序列中“0 ”和“1 ”出现的相对频率各为1 2 。 ( 2 ) 序列中连0 或连l 称为游程，连0 或连1 的个数称为游程的长度。 序列中长度为l 的游程占总游程数的1 2 ；长度为2 的游程数占总长度的1 4 ； 长度为3 的游程数占总长度的1 8 ；依次类推长度为n 的游程数占总长度的 1 。此特性简称为随机序列的游程特性。 。 ( 3 )如果将给定的随机序列位移任何个元素，则所得序列和原序列对 应的元素有一半相同，一半不相同。 伪随机序列( p n 序列) 又称为最长线性反馈寄存器序列，即m 序列。它 是最常见和最常用的一种伪随机序列，是由具有线性反馈的移位寄存器产生 的最长周期序列。 由此，为了提高本扩频系统的安全性，特选择l o 阶m 序列作为长码扩频 7 j 塞童塑盔堂亟主堂鱼迨塞全塑呈芏塑蝗蕉扭笪丕统丝过 码，从而提供高达1 0 2 4 d b 的扩频增益。 此外，鉴于f p g a 强大的现场可编程能力，本系统可以嵌入多种p n 序列 发生器，用户可以根据需要更改扩频码字的参数。 2 调制方式： 本系统选择p 4 系统d q p s k 调制方式。下面将对其性质作简要介绍： q p s k ( q u a d r a t u r ep h a s es h i f tk e y i n g ) 正交相移键控，是多相相移键 控( m p s k ) 中常用的一种，目前数字微波或卫星数字通信最常用的一种载波 传输方式，甚至在目前较先进通信系统中，诸如：多频带正交频分复用系统 ( m b o f d m ) 的低码速调制中，也有它的身影。它具有4 种相位状态，对应于 两位二进制4 组数据，即o o ，0 1 ，1 0 ，1 1 ，星座图可由图2 - 4 所示，由此可 知本系统采用图2 - 4 ( b ) 中的星座图。输入的串行二进制序列经过串并变换分 成速率减半的i 路和q 路。经成型滤波后分别与载波相乘，最后把i ，q 两路 信号相加就得到q p s k 信号。 图2 4q p s k 星座图 f i g u r e2 - 4 q p s ks i g n a lc o n s t e l l a t i o n 此外，在q p s k 解调时，有可能发生四相模糊，引起相当大的误比特率。 为了避免相位模糊，可以在调制器中采用差分编码，进行d q p s k 调制。d q p s k 与q p s k 的区别在于d q p s k 是用载波相位的变化来传输信息，即用相对相位传 输信息，克服了q p s k 系统用绝对相位传输信息所带来的相位模糊问题。d q p s k 在实现时，通常是对二进制信息“串一并”变换时。进行逻辑运算，将其编 为四进制差分码，然后用绝对调相的调制器实现调制。 8 j 塞童塑盔堂亟主堂鱼迨塞全塑呈芏塑蝗蕉扭笪丕统丝过 2 3 同步机制 同步系统是任何一个通信接收机的设计核心，它的稳定与否直接关系到系统 最终的判决结果，因此值得特别关注。本扩频收发机的同步系统主要包括：载波 同步系统、采样定时同步系统和伪码同步系统。在本节中将主要介绍以上三种同 步系统的理论依据，具体的实现细节将在后续章节中介绍。 2 3 1 载波同步方案 图2 5q p s k 科斯塔斯载波恢复环 h g u r e2 - 5 q p s k c o s t a sc a i t i e tr e c o v e r yl o o p 本方案的载波同步系统采用图2 5 所示的科斯塔斯环路，它是一种线性锁相 环，不仅易于数字实现，而且可以避免不必要的s n r 损失。下面给出本环路的信 号处理流程： 首先，假设所接收到的数字d q p s k 信号符合下列表达式： ， ) = 压瓢c o s ( 2 x l k t + o 。) 4 r f q ks i n ( 2 x f , k t + 0 。) ( 2 1 ) 其中反表示接收信号的相位，正表示载波频率，r 表示符号周期，且符号数 据矗，级符合下列条件： ，。，q 。 + l ，一1 ) 9 j 塞奎塑太堂亟堂鱼迨塞全墼主芏塑蝗蕉扭笪丕统丝过 正确接收数字中频信号后，采用本n c o 所产生的正余弦载波，将信号下变 频至近基带。n c o 的输出可由下式确定： k n c oc os ( 2 z 厂，c 。k t + 菩) ( 2 - 3 ) k c 口s i n ( 2 z ，c 。k t + ；) ( 2 4 ) 其中k j c o本地c 0 增益，f “c o = 二，；为本地载波的随机相位。 经过下变频和低通滤波后的正交、同相支路的信号可表示如下： 扣 ac o s 纸毛卜居。q i s i n 眠毛) ( 2 _ 5 ) ”尽私i n ( ”幻+ 居。q i c o s ( ”讪 ( 2 _ 6 ) 随后，根据环路的线形关系，可作如下假设： a s i n ( 日k b ) 一b 一哦，c o s ( o , 一吼) 一l s i g n ( i t ) 一，i ，s i g n ( q ) 一q i ( 2 8 ) 所以，由公式( 2 5 ) 、( 2 6 ) 以及假设条件( 2 - 2 ) 、( 2 7 ) 、( 2 - 8 ) ，可以证明 科斯塔斯环路载波相位误差鉴别公式( 2 9 ) 的正确性： e k - q i s i g n ( i , ) 一咖 )( 2 9 ) 石 一、f ； i 。s i n - 0 0 x 研+ 瑾) l x - 西k a c o x 以一o k ) ( 2 1 0 ) 公式( 2 1 0 ) 中的晚= & 一吼就为本地载波与接收数据载波之间的相位误差。 最后，经过环路滤波器处理后的误差信号便会改变本地n c o 的载波相位，并 最终将信号从近基带搬移到基带，以便后续系统处理。值得注意的是，在硬件系 统的实际运行中，本地载波的误差往往表现为微小的频率变化，而频差的长时间 积累又可转化为相差，所以在实际处理时，将误差信号送入本地n c o 的调频端口， 也可得到正确的结果。 2 3 j 采样定时同步方案 本系统所采用定时同步方案由g a r d n e r n 2 1 首先提出，它的核心思想就是改进 1 0 j 塞童塑盔堂亟主堂鱼迨塞全塑呈芏塑蝗蕉扭笪丕统丝过 原有的模拟反馈定时回路，不再调整a d 的采用时钟，而是将全部系统改由全数 字的方式实现，如图2 - 6 所示。这非常符合本收发机的设计理念，下面就具体介绍 其理论依据。 图2 - 6 全数字采样定时环 f i g u r e2 - 6 a l ld i g i h a ls a m p l et u n i n gl o o p 如下图2 7 所示为本采样同步系统的模块图，它由内插滤波器、下抽取器、 g a r d n e r 误差鉴别模块、环路滤波模块以及定时控制模块组成。 图2 - 7 采样定时环路模块框图 f i g u r e2 - 7 b l o c kd h 伊a m o fs a m p l et i n t i n gl o o p 1 、g a r d n e r 定时误差鉴别： g a r d n e r 算法“非常适用于m p s k 调制信号的定时误差鉴别，一个符号 周期只需两个采样点便可完成，而且对载波相位误差不敏感“。对于本系统 所采用的d q p s k 调制方式，其误差鉴别公式可由下式得到： e k = i k i b 2 ) i k l + t q k q k 2 ) q b l 2 、内插滤波： 假设片外自由时钟的采样周期为瓦，1 2 符号周期为乃性“，根据奈氏准 则可得，瓦 乃，同时乃正可以为非整数。由此可知，对于接收到的连续信 号y ( o 来说，经过a d 采样，片内内插滤波后，所计算出的新采样值y ( k s ) 可 由下式表示： _ ) 互) = 罗j ( m t ) 罅五一m t s ) ( 2 1 2 ) j 塞銮重太堂亟堂丝迨塞全墼量芏塑蝗蕉扭笪丕统丝过 其中j 细黝为传送的符号数据，胁为内插滤波器的冲激响应，m 为原始信 号基点，f 为滤波基点，毗为环路的小数间隔，并有下列公式： t = 脯叠l | t d m( 2 1 3 ) m k = k t d t j ( 2 1 4 ) m = m k - i( 2 1 5 ) u k = k t d t , m k( 2 1 6 ) 其中在归一化条件下，0 = u t 1 ；【z 】表示不超过z 的最大整数。 将公式( 2 1 3 ) 、( 2 - 1 4 ) 、( 2 - 1 5 ) 以及( 2 1 6 ) 代入( 2 x 2 ) w 得： y ( | l ) = y l ( m t + t ) l 】；工【( ，l t i ) t , l h “o + “t ) t 1 ( 2 1 7 ) 由此便得到了本系统内插滤波器的设计公式( 2 1 7 ) ，其最基本的思想就是 根据小数间隔u k ，重新计算采样点值，从而使其逼近最佳采样点，以弥补片外 a i d 自由采样的偏差。 在实际设计中，最理想的内插滤波器“”的冲激响应为： 脚= s i n ( p t t s ) ( p t t , )( 2 1 8 ) 它是一个非因果的1 1 r 滤波器，但是却难于硬件实现。因此，根据阻带和 通带响应的特殊要求n 0 1 ，基于多项式的立方内插滤波器n 1 1 是一种较为现实的 选择，它的立方内插表达式如下： y 沁( t ) = h ( 3 ) x 似3 ) + h ( 2 ) x ( k - 2 ) + h t l ) x ( k 1 ) 七h ( o ) x ( k ) ( 2 1 9 ) 其中， 例、矗r 2 j ， 倒、 俐为滤波器抽头系数，它的值与小数间隔 有关，可得以下4 式： | i l 例= ( - 1 6 ) 似一o ( u 一2 j r h 习( 2 2 0 ) = ( - 1 2 ) m 似一矽似- 3 ) ( 2 2 1 ) | l l f 2 ) = f - j 2 ) 似似一 m 刁( 2 2 2 ) 例= 口6 ) m 阻一印似2 ) ( 2 2 3 ) 3 、定时控制与小数间隔的提取： 定时控制器的核心部件就是一个下溢出计数器，它的作用就是产生小数 间隔u t ，同时提供下溢出标志信号( 也称为e n 信号) 。在系统运行的过程中， 内插滤波器根据u i 计算出新的样值，然后再在e n 的协助下，下抽取出理想的 新值( 保证一个符号周期两个样点) ，参与定时误差运算。值得注意的是，由 于内插滤波器的运算需要一定的时间开销，因此e n 信号需要延时相应的时钟 周期，才能送入下抽取模块。 如图2 8 所示，假设下溢计数器的当前值为月砌，每瓦时刻下计数步长 为脚砌。为了能够在合适的时刻出现下溢出标志信号，准确得到一个符号周 期两个样点，应符合下述公式： 1 2 j 塞童塑盔堂亟主堂鱼迨塞全塑呈芏塑蝗蕉扭笪丕统丝过 t s = 瓦删( 2 2 4 ) 图2 - 8 下计数过程关系图 f i g u r e2 - 8 d i a g r a mo f d o w nc o u n t e rr e l a t i o n s 图2 8 中黑线所标出的区域为一对对角三角形，因此根据三角公式可得下 式： 缸d 0 | n 争r k ) = l i l u 沮a 1 一n ( m t + 1 ) | = ) u k = 月细置j 1 一，l 阳t + + 厅伸所= n ( m k ) w ( m k ) ( 2 2 6 ) 其中n ( m o 为下溢出前一时刻的寄存器当前值。注意：以上推导均在归一 化前提下进行。 在实际设计时，归一化的计数器下溢步长哪1 ) = e r r + t d z ，因此在存 在定时误差时，下溢步长是时刻变化的，这样才会改变e l l 信号出现时刻，以 便达到调整样点抽取的目的。下面通过一个例子来理解上述推导： 例如；做以下假定： 接收端4 倍采样，则t t 瓦= 2 ； 计数器上限( j k 。) ：8 ： 减计数器设定步长：w = ( ，。瓦j 瓦= 4 ； j e 塞銮重盔堂亟主堂丝迨塞全塑呈芏塑蝗蕉扭笪丕统丝过 这样便知道按照正常的下计数规则，减两次就能够过0 ，从而得到e n 信 号。但在实际中，收发两端的时钟是异步的，所以我们在设计中必须用e r r 信号( 经过环路滤波器滤波的误差输出信号) “干扰”下计数的过程。 所以在实际中，可以通过下面两个计算公式完成下计数： 溢出前：i i ( m o w e r r ( 2 2 7 ) 溢出后： 。+ i i 七j w e r r ( 2 2 8 ) 由( 2 2 7 ) 和( 2 2 8 ) 可知，当存在定时误差时，e r r 信号的方差变大，从而改 变下计数的快慢。显然，当e r r 为正值时，下计数器就会提前下溢，从而提前 出现e l l 信号。反之当e r r 为负值时，就会延缓下溢时刻的到来。然后，通过 适当的延时，将e n 信号送给下抽取模块。 从长期平均的角度来看，e n 信号的周期应当刚好是疋，即符号速率的两 倍，正好完成由4 个样点抽取2 样点的过程。但是从局部来看，它应当会不 断地提前或