DSFH混合扩频接收机解扩及同步技术的FPGA实现

1、DS/FH混合扩频接收机解扩及同步技术的FPGA实现    摘要：实现了一种全集成可变带宽中频宽带低通滤波器，讨论分析了跨导放大器-电容(OTAC)连续时间型滤波器的结构、设计和具体实现，使用外部可编程电路对所设计滤波器带宽进行控制，并利用ADS软件进行电路设计和仿真验证。仿真结果表明，该滤波器带宽的可调范围为126 MHz，阻带抑制率大于35 dB，带内波纹小于05 dB，采用18 V电源，TSMC 018m CMOS工艺库仿真，功耗小于21 mW，频响曲线接近理想状态。关键词：ButteDS/FH混合扩频通信系统中，需要数字下变频器、相关累加器及码发

2、生器等完成下变频、相关解扩等运算。通常采用专用芯片来完成这些功能，导致系统体积增大，不便于小型化。现代的EDA(电子设计自动化)工具已突破了早期仅能进行PCB版图设计或电路功能模拟、纯软件范围的局限，以最终实现可靠的硬件系统为目标，配备了系统自动设计的全部工具，如各种常用的硬件描述语言平台VHDL、Verilog HDL、AHDL等;配置了多种能兼容和混合使用的逻辑描述输入工具，如硬件描述语言文本输入法(其中包括布尔方程描述方式、原理图描述方式、状态图描述方式等)以及原理图输入法、波形输入法等;同时还配置了高性能的逻辑综合、优化和仿真模拟工具。FPGA是在PAL、GAL等逻辑器件的基础上发展起

3、来的。与PAL、GAL等相比较，FPGA的规模大，更适合于时序、组合等逻辑电路应用场合，它可以替代几十甚至上百块通用IC芯片。FPGA具有可编程性和设计方案容易改动等特点，芯片内部硬件连接关系的描述可以存放在下载芯片中，因而在可编程门阵列芯片及外围电路保持不动的情况下，更换下载芯片，就能实现新的功能。FPGA芯片及其开发系统问世不久，就受到世界范围内电子工程设计人员的广泛关注和普遍欢迎15。本文主要讨论一种基于编码扩频的DS/FH混合扩频接收机解扩及同步过程的实现结构，采用ALTERA公司的APEX20K200RC240-1器件及其开发平台Quartus II实现混合扩频接收机的核心解扩及同步

4、模块。1 混合扩频接收机解扩模块的FPAG设计解扩模块是混合扩频接收机的核心。该模块实现对接收信号的解扩处理，主要包括数字下变频器、数控振荡器(NCO)、码发生器、相关累加器和伪码移相电路等，通常各模块采用专用芯片。利用FPGA将这些功能集成在一块芯片中，大大缩小了接收机的体积，便于实现系统的小型化和集成化。下面分别介绍该模块各部分的FPGA实现结构。1.1 数控振荡器(NCO)数控振荡器是解扩模块中的重要组成部分，主要用于为码发生器提供精确的时钟信号，从而实现对接收信号的捕获和跟踪。码发生器由相位累加器和查找表构成。若使用字长为40位宽的累加器，对于某一频率控制字A，输出频率fout与输入频

5、率控制字A的关系为:其中，fclk为系统时钟。只要改变控制字A的大小，就可以控制输出频率fout。fout变化的最小步长f由累加器的数据宽度决定。若数据宽度取40位，则:                           利用上述原理，可以通过精确分频得到所需频率。原理图如图1所示。  图1中频率控制字A由

6、DSP写入。考虑到FPGA内部存储资源限制，取40位相位累加值result39.0的高八位作为查找表LUT(look-up table)的输入，查找表由ROM构成，存储各相位所对应采样值。当查找表输入端为某一相位phase时，则输出对应采样值。若输出数据宽度为6位，输出信号格式为余弦信号，则LUT输出为6:若取ROM的并行6位out5.0作为输出，则输出信号为每周期采样256点的数字化余弦信号;如果取最高位out5作为输出，则输出为系统时钟的分频信号。1.2 数字下变频器数字下变频器将A/D采样得到的中频信号进行下变频处理，去除中频，得到基带信号。利用本地NCO产生与输入中频信号频率相同的正弦

7、和余弦信号，并与输入信号进行复乘法运算，然后对运算结果做低通滤波，即可完成对中频信号的下变频操作。正交采样模式下，两路A/D转换器提供正交输入IIN及QIN，数字下变频器的复乘法器输出IOUT、QOUT为:本振信号、复乘法器、低通滤波器均采用数字化设计。数字下变频器采用ALTERA公司的APEX20K200RC240-1器件。该器件典型门数为20万，有丰富的逻辑单元和RAM单元，开发平台Quartus II 自带的宏模块，如lpm_mult(乘法器宏模块)、lpm_rom(ROM宏模块)、lpm_add_sub(加法器宏模块)等，给设计带来了极大的方便。数字下变频器原理图如图2所示。 

8、; 图2中的数字表示相应模块的数据宽度。滤波模块是1个二阶的低通滤波器，滤除混频后的高频分量。在一些专用的数字下变频器件如STEL-2130中，滤波器的阶数是可编程的，可以根据需要设置不同的阶数，从而得到不同的滤波效果。考虑到FPGA的资源问题，设置滤波器的阶数为固定的二阶。滤波器输入xn与输出yn关系为:该低通滤波器将相邻的两个输入数据相加后作为输出，即每两个输入数据对应一个输出数据，输入数据时钟节拍为输出数据时钟节拍的2倍。经过低通滤波后的数据经过滑动窗处理，滑动窗对输入数据进行选择输出，用来动态调整相关峰的大小。在捕获过程中观察相关峰值时，通过调整滑动窗口，可以获得不同幅度的相关峰值。选择控制端由DSP写控制字来决定，结构如图3所示。滑动窗控制逻辑关系为:  符号扩展是为了与