FPGA位同步信号的提取开题报告.doc

本 科 毕 业 设 计 开 题 报 告题 目 基于fpga的基带信号的位同步电路的研究与实现 学生姓名 学号 所在院(系) 专业班级 指导教师 2012 年 3 月 18 日题 目基于fpga的基带信号的位同步电路的研究与实现一、选题的目的及研究意义 在数字通信系统中,由于消息是一串相继的信号码元的序列，解调时常需要知道每个码元的起止时刻。接收机在进行抽样判决时,抽样判决时刻应位于每个码元的终止时刻,因此,接收端必须产生一个用作抽样判决的定时脉冲序列,他和接收码元的终止时刻应对齐,这就需要同步。而同步系统的性能会直接影响到通信系统的性能,可以说,在同步系统中,“同步”是进行信息传输的前提,所以采用一个良好的位同步系统至关重要。通过本课题的研究，提高了我的动手实践能力，为以后的进一步学习和工作奠定了良好的基础。2、 综述与本课题相关领域的研究现状、发展趋势、研究方法及应用领域等1.信号与信息处理的应用领域 数字信号处理在语音处理、通信系统、声纳雷达、控制系统等有着广泛应用，主要体现在以下九个方面：（1） 信号处理，如数字滤波、自适应滤波、快速傅里叶变换、相关运算、谱分析、卷积、模式匹配、加窗、波形产生等。（2） 通信，如调制解调器、自适应均衡、数据加密、数据压缩、回波抵消、多路复用、传真、扩频通信、纠错编码、可视电话等。（3） 语音，如语音编码、语音合成、语音识别、语音增强、说话人辨认、语音邮件、语音存储等。（4） 图形图像，如二维或三维图形处理、图像压缩与传输、图像增强、动画、机器人视觉等。（5） 仪器仪表，如频谱分析、暂态分析、函数发生、锁相环、勘探、模拟试验等。（6） 医疗电子，如助听器ct扫描、超声波、心脑电图、核磁共振、医疗监护等。（7） 军事与尖端科技，如雷达和声纳信号处理、导弹制导、火控系统、导航、全球定位系统、尖端武器试验、航空航天试验、宇宙飞船、侦察卫星等。（8） 消费电子，如数字电视、高清晰度电视、数字电话、高保真音响、音乐合成等。（9） 工业控制与自动化，如油井压力测量与控制、温度控制、开关电源控制等。其中，在通信领域的应用是十分宽广，尤其是当下移动通信技术发展，3g乃至4g技术的出现，使得数据的无线传递更加频繁，语音、图像的传输以及信息加密、信号复用等的作用也愈加显得突出。只有通过更加先进的信号分析处理技术才能使得移动通信可以以更快更安全的方式实现通信。而物联网技术的出现使得传统互联网的应用领域极大的扩展，也是的各种通信方式更加紧密的联系在一起，在其中重要组成之一的无线传感网中，每一个节点既是信号的接收端，又是发送端，同时在一定空间内传递信号数量也大量增加，受到干扰的可能也会大大增加。需要通过信号与信息处理技术对对信号进行压缩、滤波、纠错等等，以高效而准确的传递信息。由于无线技术在其中使用更加频繁，也产生信息安全问题，通过数据加密，才能使得信息的为真正所需用户使用。除了传统通信领域的应用外数字信号处理在医学中的应用也日益广泛, 如对脑电图和心电图的分析、 胎儿心音的自适应检测等。生物医学信号检测是对生物体中包含的生命现象、状态、性质和成分等信息进行检测和量化的技术。绝大部分生物医学信号都是信噪比很低的微弱信号, 且一般都是伴随着噪声和干扰的信号。而对于此类信号必须采用抑制噪声的处理技术。生物医学信号是从被干扰和噪声淹没的信号中提取有用的生物医学信息特征,它涉及生物体各层次的生理,生化和生物信号,受到人体诸多因素的影响 , 因而有着一般信号所没有的特点，如信号弱、噪声强、频率范围低、随即性强。生物医学信号的检测与处理的方法,包括在强噪声背景下对微弱生理信号的动态提取,多道生理信号的同步观察与处理,生理信号的时间频率表示,自适应处理,医学专家系统等。另外,生物传感器输出的信号般十分微弱,需要放大。 生物信号的特征部分才包含着生物信息, 把这些信号的特征识别出来也是生物医学信号处理的主要任务。2. 信号与信息处理的发展趋势信号处理已为通信技术的发展提供了多种分析工具(如：压缩、转换编码、过滤、去澡、检测、评估和性能评价等工具)，也提供了多种实现工具(如：visi，收缩阵列， )，同时也促使通信技术领域划时代事件的产生(如：速度和视频编号器、调制解调器、均衡器和天线阵列等的出现)加上半导体技术的发展、计算和通信设备的集成、通过www的广泛的互联网的访问、线连接的迅速发展以及终端用户对蜂窝式移动服务需求的增加，所有这些促使ieee信号处理组织力争实现“任何人、任何时间、任何地方”都能实现通信的梦想。现代通信技术正经历一个戏剧性的变化通信和计算设备的融合，互联网的广泛使用给用户提供了无限的潜力：电话会议、视频点播、万维网和互联网电话与此同时，近年的迅速发展的无线访问是世界电信业发展最强的推动力在最近的将来“任何人、任何时间、任何地方”能非常方便通信的梦想将成为现实，但这也存在艰难的技术挑战：需要新的理论和复杂的信号处理技术既包括高速光纤连接，又包括无线、有线和数字预定环技术的未来多媒体通信网络的设计，今天通信发展的趋势中的一个最重要的特性是通信需求的多样性。信号处理的特点：以算法为中心, 更加注重实现与应用。信号处理向着非平稳信号处理、非高斯信号处理、非线性信号处理的方向发展，并与各种智能技术相结合主要指神经网络、模糊系统、进化计算，也包括自适应技术、混沌技术等。同时，信号处理也向着多维、多谱、多分辨率、多媒体方向发展。信号与信息处理在支持和实现下一代通信系统中起决定性作用。信道传输中各个部分的处理技术：信源编码：适用于不同环境并利用人的视觉、听觉生理和心理效应的低比特率、低时延、高质量的智能信源编码技术 信道编码：turbo码、低密度奇偶校验码(ldpcc)、基于量子计算的量子纠错等信道编码技术；密码：量子密码、dna密码和基于混沌理论的新密码体制；通信信号处理技术：高效多载波调制(平行传输)、信道动态比特分配、cdma中的多用户检测和信道盲均衡技术；智能技术：分形、混沌、小波和神经网络算法在通信信号处理中应用以神经网络为代表的计算智能技术与信号处理相结合可以在3g乃至4g移动通信系统的多用户检测、信道估计、信道的盲均衡和智能天线等功能的实现方面发挥核心的作用。三、对本课题将要解决的主要问题及解决问题的思路与方法、拟采用的研究方法（技术路线）或设计（实验）方案进行说明1 数字锁相位同步信号提取原理位同步的方法有插入导频法(外同步法) 和直接法(自同步法) 2 种,插入导频法是在发送有用信号的同时,在适当频率位置上插入一个或多个称为导频的正弦波;直接法则不需要专门的导频,而是设法在接收信号中直接提取同步信号。直接法又分为滤波法和锁相法2 种,本文选用数字通信中常使用的数字锁相法。位同步锁相法的基本原理是在接收端利用鉴相器比较接收码元和本地时钟产生的位同步信号的相位,若两者不一致(超前或滞后) ,鉴相器就产生误差信号,并通过控制器调整位同步信号的相位,直至获得准确的位同步信号为止。数字锁相器由本地晶振、分频器、相位比较器和控制器所组成。其中控制器包括扣除脉冲和附加脉冲电路。晶振经过整形后变为周期性脉冲,然后再送入分频器,输出位同步脉冲序列。若接收码元的速率为f(波特) ,则要求位同步脉冲的重复速率也为f( hz) 。这里,晶振的的频率设计为nf( hz) ,整形后输出的频率为nf( hz) 的窄脉冲,经n 次分频后就可以得到重复频率为f( hz) 的位同步信号。如果接收端晶振输出经过n 次分频后,不能准确地和码元同频同相就需要进行调整。调整的原理是根据相位比较器输出的误差信号,通过控制器进行调整。2 fpga 实现位同步的方案由于输入码元是不归零的随机二进制序列,不包含同步信息,所以需要将他进行微分、整流,使之成为归零脉冲,才能从中提取位同步信息。同步信号提取的过程为首先进行微分整流得到位同步基准,并将他送入相位比较器,相位比较器将他和分频计数器的输出进行比较,并判断是同步、滞后还是超前,然后输出相应的控制信号给控制器,控制器再对分频值进行相应的调整,直到输入和输出同步为止。2. 1 m 序列发生器由于非归零码所占带宽要比归零码小一半,所以通常所使用的数据信号是非归零码。但非归零码中没有码元速率的谱线,不能直接提取出同步信号,而归零码中含有码元速率的频谱谱线,所以必须先对码序列进行非线性变换,以恢复其位同步信号之后才能用锁相环路来提取。m 序列发生器就是完成非归零信号到归零信号的变换。m 序列就是最长线性反馈的移存器序列,他是由带线性反馈的移存器产生的周期最长的一种序列。n 级反馈移存器可能产生的最长周期为(2 n - 1) 。本文用5 级m 反馈产生周期为31 的m 序列。2. 2 位同步基准的提取接收码元的相位提取可以从基带信号的过零点提取(他代表码元的起始相位) ,传统的提取方式是用微分整流的方法,即微分整流型数字锁相法。考虑到过零点信号包括0 1 和1 0 以及fpga 的特点,本文采用的是用一个d 触发器和一个异或门连提取输入信息的边缘信息。2. 3 相位比较及分频计数器将每个码元的宽度分为两个区,前半码元称为滞后区,即若位同步脉冲落入该区,表示位同步脉冲的相位滞后于接收码元的相位,相位比较器送出一滞后脉冲,加于附加门,使输出的一个脉冲通过控制器使分频器的输入端添加一个脉冲,这样并使得分频器的输出相位提前1/ n 周期;同理,后半码元称为超前区,实现方法类似,只是前面的添加一个脉冲变为扣除一个脉冲。经过这样反复的调整相位,最终实现位同步。假设码元速率为fb ,本地振荡器的频率为f, 分频数器的初值为n, 并有f = nfb 。本文采用的快同步的方法,即先进行“粗调”,再进行“细调”,在不增大相位误差的情况下减小同步建立的时间。将码元速率选为256 hz ,本地振荡频率选择12 mhz。则由f = nfb 可知n 值为46 875 。可以先将本地振荡频率进行25 分频,然后再进行1 875分频,这样同样可以得到与输入码元速率一致的频率。具体实现的vhdl 语言如下:3 电路实现与波形仿真fpga 及其软件系统是开发数字电路的最新技术。他利用eda 技术,以电路原理图、硬件描述语言、状态机等形式输入设计逻辑;他提供功能模拟、时序仿真等模拟手段,在功能模拟和时序仿真度满足要求后,经过一系列的变换,将输入逻辑转换成fpga 器件的编程文件,以实现专用集成电路。本设计选用altera 公司推出的现场可编程门阵列cyclone 系列的ep1c3 t144c8 来设计位同步信号的提取电路,该电路具有体积小,占用资源少、可靠性高等特点。四、检索与本课题有关参考文献资料的简要说明1 赵俊超. 集成电路设计v hdl 教程m . 北京:北京希望电子出版社,2002.2 徐志军,徐光辉. cpld/ fpga 的开发与应用m . 北京:电子工业出版社,2002.3 樊昌信. 通信原理m . 北京:国防工业出版社,2001.4 狄京,张申,庄乾启,等. 基于cpld 的锁取相位同步信号提技术j . 工矿自动化,2004 (5) :12 14.5 张厥盛,郑继禹. 锁相技术m . 西安:西安电子科技大学出版社,1994.6 田智生. 基于锁相环的精确自动增益控制电路j . 现代电子技术,2005 ,28 (3) :16 17.五、毕业设计进程安排2012.3.1-2012.3.10 搜集相关资料,完成开题报告