FPGA扩频数字电路模块设计

数字电路模块设计,2011.11,基于FPGA的直接扩频,内容提要,综述,1,Matlab仿真,2,系统模块设计,3,FPGA功能实现,4,总结,5,综述,数字无线电系统（图1）,综述,扩频调制及解调扩频调制技术是传输信号所占频带宽度远大于所传信息必需的最小带宽的一种信息传输方式，其具有抗干扰能力强、信噪比高等诸多优点。结合FPGA在速度上的优异性能，本课题采用基于FPGA的扩频调制及解调解扩的通信模式。,综述,软件无线电软件无线电（SoftwareRadio）技术是诞生于20世纪末，其特点是将宽带A/D转换器尽可能靠近射频天线，把模拟信号转化为数字信号，在通用的硬件平台上最大程度地通过软件来实现通信过程的一种数字通信方式。根据上面提到的甲方需求，基于FPGA的扩频调制及解调解扩的通信在实现上将采用软件无线电方案。,综述,最经典的软件无线电系统（图2）,综述,某SDR设计方案总体实现框图SDR技术的扩频码速率很高，单独由DSP很难同时完成信源编码和信道编码，所以引进了FPGA的应用。如图,图3系统总体实现框图,射频模块(RF),核心计算机,A/D,信道模块（FPGA）,中央处理模块（DSP）,SMA,通信模块,A,B,D/A,C,SMA,基带部分,图4FPGA信道编/解码模块框图,功能实现欠采样,基本采样理论Nyquist采样定理,图5采样后频谱的延拓,功能实现欠采样,功能实现欠采样,带通采样理论因载波频率很大(140MHz)，基带信号的频率是32KHz，用Nyquist采样，所需采样频率要大于280M，所以我们用欠采样对接收到的信号进行采样。根据带通采样定理，对带限信号，采样频率fs只需大于2B就可以满足对信号无失真的采样。并且fs满足：其中B=fH-fL，n一般取能满足的最大正整数。根据上式，我们确定了本项目的采样频率是112MHz，这样得到的差频是28MHz。,图6欠采样频谱示意图,功能实现欠采样,欠采样频域的matlab仿真（图7）,功能实现解调,BPSK解调理论BPSK解调过程是将本地的正余弦信号同AD欠采样的信号相乘，当二者相位相同时基带信号将被还原。,功能实现解调,BPSK解调原理框图（图8）,功能实现欠采样,功能实现解调,NCO模块该模块相当于“本振”，输出本地载波sin和cos，与接收到的信号混频实现载波剥离。其结构框图（图9）为：,混频,图10欠采样混频后的波形图,滤波,图11滤掉高频成分后的波形图,功能实现解调,锁相环模块该模块是解调部分的核心其性能直接影响系统的数据接收。其结构框图（图12）为：,功能实现解调,鉴相器实现反正切鉴相的方法如下，通过比较我们使用Cordic算法来实现反正切鉴相。,功能实现解调,鉴相器的matlab仿真（图13）,功能实现解调,环路滤波器通过分析比较，本项目采用的是二阶环路滤波器。,功能实现解调,环路滤波器的matlab仿真图（图14）,从仿真结果可以看出，我们设计的COSTAS环可以很好的实现载波的同步，并且锁定后稳定性很好。并且加噪声和加多普勒频偏时也能很好的跟踪。,图15载波跟踪环仿真结果图,功能实现解扩,BPSK解扩理论BPSK解扩过程是将本地的PN码同解调的信号相乘，当扩频PN码相位与本地PN码相位相同时基带信号将被还原。,图16扩频及解扩时序图,功能实现解扩,BPSK解扩原理框图（图17）,功能实现解扩,PN码NCO模块PN码NCO的工作原理与载波NCO原理基本相同，不同的是该模块输出的数据不是正弦信号而是m伪随机序列。其结构框图（图18）为：,功能实现解扩,锁相环（伪码同步）模块伪码同步锁相环分为捕获环和跟踪环信号捕获的目的是判断接收信号粗略的码相位信号跟踪的目的是获得精确码相位。如图,图19伪码环路总体框图,功能实现解扩,捕获环路模块扩频序列同步的第一步便是为本地扩频序列寻找一个相位，使本地扩频序列与发送扩频序列相位差小于二分之一个码元，这一步称为捕获(又称粗同步)结构框图如下（图20）,功能实现解扩,跟踪环路模块同步的第二步是跟踪(又称精同步)，进一步减小收端码元与发端码元的相位误差（一般要使收发两码元的误差小于十分之一码元时间，并且在各种外来因素的干扰下能自动地保持这种高精度的相位对齐状态。如图,图21伪码环路跟踪框图,几种常见的鉴相算法,图2