基于FPGA设计自动频率、相位跟踪电路

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1、基于FPGA设计自动频率、相位跟踪电路摘要扩频通信最早应用于军队，可在低功率谱密度下工作，具有保密性强和抗干扰、抗多径衰落等优点，因而具有广阔的应用前景。许多国外公司研制了功能强大的扩频专用芯片，但存在二次开发不灵活的缺点。用模拟方法实现的扩频系统体积大、功耗高、可靠性差。近年来，随着微电子技术和电子设计自动化(EDA)技术的迅速发展，以FPGA和CPLD为代表的可编程逻辑器件凭借其设计方便灵活等特点广泛应用于数字信号处理领域。本论文主要研究并设计实现了扩频通信接收系统的跟踪模块，接收系统主要由数字下变频、数字匹配滤波器、差分解调、自动频率跟踪处理等模块组成。论文介绍了扩频通信的技术概况、发展

2、和背景，以及无线信道环境。了解了基于扩频技术的无线通信系统的相关原理，包括扩频解扩、调制解调、信道编码、同步等原理，重点研究直接序列扩频的载波同步理论，对锁相环与锁频环进行了理论分析；设计了包括差分解调模块、自动频率控制模块的接收系统方案。基于FPGA设计实现了载波频率跟踪和载波相位跟踪模块，并在Quartus II软件开发环境进行功能仿真及波形仿真。关键词：扩频通信，FPGA，直接序列扩频，AFC，载波跟踪Design of Automatic Frequency、Phase Tracking Circuit Based on FPGAABSTRACTSpread spectrum tech

3、niques which is used by the army, have the excellent characteristics of being secret, concealed and to reject interference and multi-path decline. Therefore it has a spread application foreground. Many foreign companies have developed many powerful spread spectrum application ICs, which have the dis

4、advantage that the secondary-development is very limit. The traditional analogy systems exist the disadvantages of big cubage, high power consume, and low dependability. With the fast development of microelectronics and Electronics Design Automation (EDA) techniques, the programmable logic devices s

5、uch as FPGA and CPLD have been widely used in the field of digital signal processing for its flexible design and fast verifying. This paper mostly introduces and implementes the receiving system, the receiver unit mainly consisted of the digital down converter, matched filter, differential demodulat

6、or, output processor and AFC module. And this paper introduces the general situation of spread spectrum system, development and background, along with wireless channel environment. We realize the correlation theory of wireless communication systems based on the principle of spread spectrum technolog

7、y, which the relative despread spectrum of the signal, baseband modulation and demodulation, channel coding, the synchronization and so on. The key study of this paper is direct sequence spread spectrum theory. It also analyzes theoretically the phase locked loop and frequency locked loop. It has de

8、signed the project of the receiver unit, which include differential demodulator and AFC module. It designs and implements the module of the carrier frequency tracking and carrier phase tracking based on FPGA. It carries through functional simulation and waveform simulation in the software developmen

9、t environment of Quartus II. Keywords: Spread Spectrum communication, FPGA, direct-sequence spread spectrum, AFC, Carrier tracking目 录摘要IABSTRACTII1 绪论11.1 无线通信原理11.2 无线信道环境21.3 扩频通信背景及意义21.4 FPGA发展及其应用前景41.5 开发平台Quartus 简介51.6 VHDL简介51.7 本章小结62 课题相关理论基础72.1 扩频技术72.1.1 扩频通信的理论基础72.1.2 直接序列扩频通信系统92.1.

10、3 扩频伪随机码102.1.4 扩频信号的相关解扩102.1.5 直序扩频的同步112.1.6 扩频通信的主要性能指标122.2 锁相环技术132.3 锁频环技术132.4 本章小结143 接收系统的设计与实现153.1 接收系统总体框图153.2 接收系统的实现163.2.1 差分解调器模块的设计和实现163.2.2 自动频率控制(AFC)模块的设计和实现183.3 载波频率跟踪193.3.1 频率跟踪方案203.3.2 频率跟踪方案的理论分析203.4 载波相位跟踪213.4.1 全数字载波跟踪环路结构213.4.2 数字载波相位跟踪环路参数设计233.5 载波同步输入图243.6 接收系

11、统顶层输入图243.7 接收系统仿真图253.8 本章小结254 全文总结与今后展望264.1 全文总结264.2 今后工作展望26参考文献28致 谢29 1 绪论1.1 无线通信原理无线通信主要借助电磁波在自由空间的传播来实现。它主要由发送设备、接收设备和传输媒体组成。无线通信之所以有别于其它的通信系统，主要是因为它的传输媒体是电磁波。在自由空间中，波长与频率存在以下关系：c = f 式中：c为光速，f和分别为无线电波的频率和波长，因此，无线电波也可以认为是一种频率相对较低的电磁波。对频率或波长进行分段，分别称为频段或波段。不同频段信号的产生、放大和接收的方法不同，传播的能力和方式也不同，因

12、而它们的分析方法和应用范围也不同。无线电波只是一种波长比较长的电磁波，占据的频率范围很广。决定传播方式的关键因素是无线电信号的频率。无线通信系统分为模拟和数字两种。模拟无线通信系统框图见图1-1，数字无线通信系统框图见图1-2。而本次设计是在数字通信系统的基础上进行的。信源调制器信道解调器信宿噪声图1-1 模拟无线通信系统框图信源信源编码信道编码信道解调噪声信道解码信源解码信宿调制图1-2 数字无线通信系统框图在无线通信系统基础上发展起来的无线扩频通信则被誉为进入信息时代的三大高技术通信传输方式。无线扩频通信与一般的无线电通信系统相比，主要是在发射端增加了扩频调制，而在接收端增加了扩频解调的过

13、程。在发射端利用一组速率远高于信号速率的伪随机噪声码对原信号码进行扩频调制，一般是将信号扩展至几兆宽的频带上，然后将扩频后的信息调制到空间传输的载频上进行发送，通常发射的载频是千兆的数量级，在接收端经解调后，利用相同的PN码进行解扩，把铺开的信号能量从宽带上收拢回来，凡与PN码相关的宽带信号经解调还原为原来的窄带信号，而其它与PN码不相关的宽带噪声仍维持宽带，解调后的窄带信号再经窄带滤波后，分离出有用信号，而大部分噪声信号则被滤掉，这样使信噪比得以极大的提高，误码率大大降低。1.2 无线信道环境移动通信系统的性能主要受到无线信道的制约。无线信道不像有线信道那样固定并可预见，而是具有极度的随机性

14、，从简单的视距传播，到遭遇各种复杂的地形、地物，甚至移动台的速度也会对信号电平的衰落产生影响。因此，要对无线信道进行控制和预测是非常困难的。随着无线移动通信技术的发展，在无线移动环境下进行通信成为发展趋势。但是无线信道不同于有线信道，无线环境下，信道的多径干扰、衰落、带宽受限很容易造成数据的出错和丢失。因此，在无线通信中，无线信道环境的好坏将直接影响到通信质量的好坏，同时，无线信道特性也使通信系统的设计面临一些难题。主要表现为：带宽波动：因为多径衰落、同频干扰、噪声等影响会引起网络的输入/输出能力下降；基站与终端的距离改变时信道的容量会变化；当终端进入不同的网络（如从无线局域网进入无线广域网时

15、，速率可能从几M变到几 K比特每秒）；小区切换时，另外一个小区可能不能提供频带资源。高误码率：和有线通信相比，因为多径和未覆盖的区域的影响，信道的误码率较高，这对信号的质量影响很大，因此需要一种鲁棒性的传输方法。接收的异种性：在组播时，各个收端要求的时延、信息流的质量、处理能力、带宽限制等都不一样，这就给组播设计带来困难。所有这些问题都导致在系统设计过程中，算法变得复杂，系统软硬件规模增加，从而引起硬件成本的增加和功耗的增大。但是，在另一方面，无线信道的快速变化也会给系统性能带来一些好处，这主要表现为：系统带宽增加，使频域分集的效果提高，可以避免进入深衰落；多普勒频率扩展加大，衰落加快，使得信

16、道编码中使用相对较短的交织长度就能获得更好的时域分集效果等。因此研究无线信道的特性，建立合理的信道模型，对提高通信质量具有举足轻重的作用。11.3 扩频通信背景及意义 扩频通信，即扩展频谱通信(Spread Spectrum Communication)，它与光纤通信、卫星通信，一同被誉为进入信息时代的三大高技术通信传输方式。扩频通信是将待传送的信息数据用伪随机编码调制，实现频谱扩展后再传输：接收端则采用相同的编码进行解调及相关处理，恢复原始信息数据。2扩频是建立在香农的信息论基础之上的，并率先应用于国防军事通信中，而从其技术的实现手段来看，它已经历了模拟扩频技术、数模混合扩频技术以及完全数字

17、化扩频技术等发展阶段。 自20世纪50年代美国军方开始对扩频通信技术进行研究后，其成果广泛用于军事通信、电子对抗、导航以及高精度测量等方而。但是，直到20世纪80年代，美国军方将扩频技术解密，扩频技术在商业系统中的应用研究才正式开始。1985年，Marvin K.Simon等人编著的Spread Spectrum Communications Handbook是当时有一关扩频通信技术的一部全而的著作，内容涉及了扩频技术的历史发展，扩频通信的概念、理论与系统模型，系统抗干扰分析，各种扩频调制和解扩、解调技术，以及扩频通信的同步等等。同年，美国FCC才规划出ISM频段即通用频段，并分配给采用扩频通

18、信机制的商用通信系统使用。1993年，美国Qualcomm公司第一套实用的CDMA移动蜂窝通信系统，一经推出就显示了其突出的优点和较强的生命力，在市场上具有一强大的竟争力和广阔的应用前景。 随着CDMA扩频技术在民用移动通信里的深入应用和小断渗透，以及深空卫星通信、武器制导、GPS定位系统等国防军事通信的需求下，扩频通信技术显得愈来愈重要了。民用移动通信领域3G标准包括欧洲的WCDMA、美国的CDMA2000以及中国的TD-SCDMA等都采用了以扩频理论为基础的CDMA技术；另外，无线局域网的IEEE802.l 1b标准中也采用了扩频体制。3 但是目前，实现扩频通信系统大都采用专用的扩频芯片，

19、主要都是来自国外的芯片供货商，如Harris, AMI, ZLOG, Standford Telecom等。在这些厂商所生产的通用扩频芯片中，常用的有一STEL-2000A, 287200, SX043等。4在使用这些扩频芯片时只需将控制信息写入控制寄存器就可以对其功能实现控制，其外围电路也比较简单。但诸如STEL-2000A之类的ASIC产品存在许多固有的缺陷，比如它们的大部分功能都已固化，不利于系统的后续升级，因而缺少产品开发的灵活性。另外随着通信技术和可编程器件的发展，越来越多的公司投入到IP Core的开发来，使得这类产品的市场在逐步减小，因此购买起来不仅有一定的困难，而目也得不到相应

20、足够的技术支持。另外在国防产品中使用国外的这些芯片对国家安全也会有一些潜在的威胁。因此使用ASIC有一定的局限性。在很多应用场合，逐渐被通用的可编程逻辑器件(如FPGA, PLD)替代，从而设计出比ASIC更灵活、更安全的产品。 随着高速DSP和大规模逻辑器件FPGA, PLD的不断出现，软件无线电技术（Software Defined Radio)应运而生，它是继模拟和数字电子技术之后的又一新技术。然而，直到1994年，由美国国防部支持的SPEAKEASY项目进行了成功演示为止，人们才真正认识另一个电子时代一一软件无线电时代正在到来。 软件无线电是在全数字接收机概念的基础上提出来的，它将全数

21、字接收机的思想向两个方而进行了推广。第一，将数字化区域由接收机推广到发射机。在理想情况下，软件无线电系统只有从发射到天线，再经过电磁波传播到接收天线这些部分是模拟区域，其他传输部分则全部数字化。第二，信号处理部分，包括调制解调、上下变频、滤波等等全部在构建的硬件平台上用软件来实现。 软件无线电概念的中心思想就是构造一个具有开放性、标准化、模块化的通用硬件平台，将各种功能（如工作频段，调制解调类型，数据格式，加密模式，通信协议等）用可编程方式来实现，并使宽带A/D和D/A转换器尽可能靠近天线，以研制出具有高度灵活性和开放性的新一代无线通信系统。可以说，这种电台是可用软件控制和重新配置的电台。对通

22、用硬件平台加载不同的软件模块就可以实现不同的功能，而且软件可以升级更新，各硬件处理板卡也可以不断地升级换代。由于软件无线电的各种功能是用软件实现的，如果要实现新的业务和调制方式，只要增加一个新的软件模块即可。这里所说的软件包括了在MCU，DSP，PLD/FPGA实现中编写的程序。 软件无线电技术是全数字接收机技术的推广和发展，但两者也有不同之处。软件无线电侧重于射频信号的直接处理，包括数字频率合成、采样变换、数字滤波等。它面对的往往是一个包含多个射频频道的信号，或者是不同模式和体制的传输信号，通过一个统一的硬件平台和不同的软件程序来进行接收和处理，它强调可编程性和通信系统功能软件的可重定义性。

23、而全数字接收机则主要侧重于中频之后的信号处理，它而对的通常是一路独立的已调信号，主要在于恢复出最终的调制信息，它更多的关注通信最佳接收机理论的全数字化问题。全数字接收机的发展为软件无线电提供了必要的理论基础和实施技术。 由于器件的限制，现阶段还不能实现理想的软件无线电系统，但是软件无线电思想对无线系统的设计却有很强的指导意义，因此目前软件无线电系统都做了某些折衷。这些折衷应尽量保证实际方案能够保留软件无线电的特点、优势和竟争力，同时具有较好的可行性。射频直接数字化小仅对射频滤波和A/D采样器件要求很高，而且对处理器的处理速度提出了更高的要求，目前的芯片制作条件难以满足这些要求。1.4 FPGA

24、发展及其应用前景 当今社会是数字化的社会，是数字集成电路广泛应用的社会。随着微电子技术的发展，出现了现场可编程逻辑器件(Field Programmable Logic Device, FPLD)，其中应用最广泛的当属现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array, FPGA)和复杂可编程逻辑器件(Complex Programmable Logic Device, CPLD)。 FPGA（现场可编程门阵列)器件是Xilinx公司1985年首家推出的，是一种新型的高密度PLD。近年来，FPGA发展的十分迅速，就其互连结构而言，典型的FPGA芯片通常采用分段互连式结

25、构，具有走线灵活，便于复杂功能的多级实现等特点，从而在很大程度上减轻了印刷电路板上器件的布局和走线负担。目前，FPGA芯片已成为九十年代以来最受欢迎的器件之一。 随着FPGA芯片的广泛应用，高性能高密度的FPGA在生产工艺、器件的编程和测试技术等方面都有了飞速发展。由于FPGA器件实现的各功能块可以同时工作，从而实现指令级、比特级、流水线级甚至是任务级的并行执行，从而大大地加快了计算速度。并且，由于FPGA可动态地配置，系统的硅片面积不再是所支持无线接口数的线性函数，因此有可能在很少的几片甚至一片FPGA中集成一个支持所有标准的系统。开发者使用FPGA技术，结合相应的EDA设计工具，可以很方便

26、的对产品进行改善或升级。由于FPGA内部资源丰富及功能强大，以及相应的EDA软件功能完善和强大，仿真能力便捷实时，并且硬件因素涉及甚少，使得基于EDA的FPGA开发技术将很快成为复杂数字系统设计的主流。1.5 开发平台Quartus 简介 作为Altera的新一代开发软件，Quartus II具有简单易学、易用、可视化、集成化设计环境等优点，它提供了一种与结构无关的设计环境，使得设计人员无须精通器件的内部结构，只需运用自己熟悉的输入工具（如原理图输入或高级行为描述语言）进行设计，开发系统把这些设计转换为最终结构所需要的格式。 Quartus II的设计输入方法有多种，可以灵活选择使用。原理图输

27、入是最为直接的一种输入方法，应采用自顶向下逻辑分块，即把大规模的电路划分成若干小块的方法。原理图输入的缺点是效率低，但仿真容易，便于信号观察以及电路的调整，看起来非常直观。Quartus II支持VHDL, Verilog HDL及AHDL等各种硬件描述语言HDL输入。描述语言的优点是效率很高，结果也较容易仿真，信号观察也较方便。对于在其它软件系统上设计的电路，可以采用网表输入，而不必重新进行输入。Quartus II可以接收的网表有EDIF格式，VHDL格式及Verilog格式等。采用这种方法的优点是充分地利用了现有成熟的设计资源，但对于这种方法得到的电路，不宜于仿真时信号的观测，给仿真带来

28、一定的困难。FPGA的编译和仿真可以分两步进行，第一步是功能的验证，第二步是加入电路延时的后仿真。电路设计完成后，首先需检验输入是否正确，这是一项简单的逻辑检查，Quartus II提供了功能编译的选项。功能检测完成后，需进行后仿真。首先，需进行编译。将编译产生的延时信息加到设计中，进行布局布线后的仿真，是与实际器件工作时情况基本相同的仿真。经过仿真正确的设计需配置到具体器件中，进行试验验证。FPGA具有多种配置方法，可根据具体情况选择使用。可以用计算机及Altera专用编程电缆进行配置。经编译生成的配置文件经计算机并行通行口接到Altera专用编程电缆上，再连到器件的编程接口，利用应用软件提

29、供的编程软件Programmer即可对期间进行配置。这种方法的优点是配置方法迅速，便于修改，适用于实验研究。也可以用Altera专用串行EPROM配置，这种EPROM可用通用的EPROM编程器进行编程，具有不同容量可供选择，也可用一片EPROM对多片FPGA进行配置。1.6 VHDL简介 作为符合IEEE-1076标准的硬件描述语言HDL (hardware description language) ，VHDL的应用成为新一代EDA解决方案中的首选。VHDL主要用于描述数字系统的结构、行为、功能和接口。除了含有许多具有硬件特征的语句外，VHDL的语言形式和描述风格与句法和一般的计算机高级语言

30、十分相似。应用VHDL进行工程设计的优点是多方面的。与其他的硬件描述语言相比，VHDL具有强大的行为描述能力。VHDL语句的行为描述能力和程序结构决定了它具有支持大规模设计的分解和己有设计的再利用功能。对于用VHDL完成的一个确定的设计，可以利用EDA工具进行逻辑综合和优化，并自动地把VHDL描述设计转变为门级网表（根据不同的实现芯片）。VHDL对设计的描述具有相对独立性，设计者可以不懂硬件的结构，也不必管最终设计实现的目标器件是什么，而进行独立的设计。由于VHDL具有类属描述语句和子程序调用等功能，对于己完成的设计，在不改变源程序的条件下，只需改变类属参量或函数，就能轻易的改变设计的规模和结

31、构。可以预计，随着VHDL-93标准的广泛应用以及可编程逻辑器件的不断推出，VHDL必将在未来的EDA解决方案中发挥不可替代的作用。1.7 本章小结 本章对无线通信原理及无线通信环境做了概述，对FPGA技术、Quartus II和VHDL进行了介绍。2 课题相关理论基础2.1 扩频技术2.1.1 扩频通信的理论基础 扩展频谱通信系统是指将待传输信息的频谱用某个特定的扩频函数扩展后成为宽频带信号，送入信道中传输，接收端通过相关解扩以获取传输信息的通信系统。这样在传输同样信息时所需的射频带宽，远比我们已熟知的其他各种调制方式要求的带宽要宽得多。调制信号带宽远小于扩频后的扩频码序列(chip)的带宽

32、。信息已不再是决定调制信号带宽的一个重要因素，其调制信号的带宽主要由扩频函数决定，一般常用的扩频函数是伪随机码。扩频技术的基本理论根据是信息论中的香农(CE.Shannon)公式，它可以表示为： C=Wxlog2(1+SN)式中，C是信息的传输速率(bits)，W是信道带宽，S是信号功率，N是噪声功率。由此可知，对任意给定的噪声信号比，只要增加用于传输信息的带宽，理论上就可以增加在信道中无误差地传输的信息率。为了提高信息的传输速率C可以从两种途径实现，即加大带宽 W或提高信噪比SN。换句话说，当信号的传输速率C一定时，信号带宽W和信噪比SN是可以互换的，就是说增加带宽就可以在较低的信噪比的情况

33、下以相同的信息率来可靠的传输信息，甚至在信号被噪声淹没的情况下，只要相应地增加信号带宽，仍然保持可靠的通信。扩频通信就是用宽带传输技术来换取信噪比上的好处，这就是扩频通信的基本思想和理论依据。5无线扩频通信原理框图如图2-1。数据调制PN码本振数据本振PN码同步解调图2-1 无线扩频通信原理框图 香农公式说明了系统的信道容量可以通过带宽和信噪比的互换而保持小变。而实际工程中，信道的噪声功率谱密度是不能随意选定的，所以为保持信道容量C一定，只能是系统带宽B与信号功率值S的互换，也就是说，为了保证一定的C值，可以通过改变系统带宽B或改变信号功率的办法来实现。 但是如果传输信号的带宽变窄，将导致信号

34、功率大幅度地提高，这需要消耗很多的功率能源，在很多功率受限的场合是不适用的。如果采用增加信号带宽B去换取信号的功率减小，就能节省很多的信号功率能源。所以，欲提高信道容量，采用增加信号带宽比提高信号功率的方法更加有效。扩频技术正是利用这一原理，用高速率的扩频码来达到扩展待传输的数字信息带宽的目的。 相对于普通的窄带调制通信，扩频通信系统具有如下特点： 1）具有低截获概率 相对常规通信系统而言，扩频系统的信号频谱带宽远大于所传输的信息带宽，扩频信号占据了更宽的带宽，因此在发射功率相同的情况下，扩频信号的功率谱密度要远远小于常规系统发射信号的功率谱密度。而扩频系统的接收端甚至可以在信号完全淹没的情况

35、下工作，即当接收到的扩频信号的功率谱密度低于信道噪声功率谱时，接收机仍然能够正常工作。而在不知道扩频信号有关参数的情况下，侦察接收机难以对扩频信号进行监视和截获，更难以对其进行测向。因此扩频信号具有天然的低截获概率特性。 2）抗干扰性能好 最初发展扩频技术就是为了增强系统的抗干扰能力。由于采用了频谱扩展原理，从而大大提高了接收机信息恢复时的信干比，相当于提高了系统的抗干扰能力。具有极强的抗人为宽带干扰、窄带瞄准式干扰、中继转发式干扰的能力，有利于电子反对抗。 3）具有高的时间分辨率 由于扩频信号带宽较宽，因此在接收端对接收信号进行相关处理时，其时间分辨率较窄带系统要高的多。这样，扩频技术非常适

36、合在雷达、导航定位、制导和高精度授时等领域应用，用以提高雷达的距离分辨率、导航定位和制导的精度。 4）具有信息保密性 由于扩频系统使用码周期很长的伪随机码，在一个伪码周期中具有随机特性，经它调制后的数字信息类似于随机噪声，传送信号的功率谱密度较低，不易被敌方发现和破译。当然，扩频技术的这种保密性有一定的局限性，一般单纯的扩频保密适用于保密要求小高的场合，如商业通信中。而在军用通信中，为进一步提高系统的保密性，仍然要采用其他一些信息加密技术。 5）可以进行多址通信当不同的扩频系统用户采用互相关特性很好的伪随机码作为扩频码时，这些系统可以在同一时刻、同一地域内工作在同一频段上，而相互造成的干扰可以

37、很小，这就是CDMA。虽然目前对CDMA系统的容量有小同的看法，有的认为CDMA系统容量较TDMA高，有的认为CDMA容量和TDMA相当，甚至更低，但如今的事实是CDMA通信已经广泛应用在民用通信系统中。而且3G和4G都采用了CDMA技术。 在实际应用中，扩频通信有以下三种基本工作方式： 1）直接序列扩频(Direct Sequence Spread Spectrum)，简称直扩（DS）：这种方式直接用伪噪声序列对载波进行调制。将待传输的数据信息编码后，跟伪噪声序列进行模二加生成复合码后，去调制载波；接收端在收到发射信号后，首先通过伪码同步捕获电路来捕获发送来的伪码的精确相位，并由此产生跟发送

38、端伪码相位完全一致的伪随机序列，作为本地的解扩信号，以便能够即时恢复出数据信息来，完成整个直扩通信系统的信号接收。 2）跳频扩频(Frequency Hopping Spread Spectrum)：这种工作方式中，发射载波频率受伪随机码序列发生器控制，并在一定频带内，随机地跳变。跳频扩频需要有个关键部件就是快速响应的频率合成器。因此，载波调制大多数采用跟相位无关的调频方式。扩展频带由整个频率合成器生成的最小频率间隔和频率间隔数目来共同决定。 3）跳时扩频(Time Hopping Spread Spectrum)：信息数据送入受伪噪声序列控制的脉冲调制发射机，发射出携带信息数据的伪噪声间隔射

39、频信号，这种工作方式，允许在随机时分多址通信应用中，发射机和接收机使用同一个天线。在实际应用中，一般需要和其他工作方式混合使用才能构成一个实际工程系统。 上述三种基本工作方式，可以混合使用，从而构成常见的跳频一直扩混合系统、跳频一跳时混合系统、跳时一直扩混合系统等。在实际的扩频通信系统工程中，用得比较普遍得是直扩方式和跳频方式，而直扩是目前使用最多、也是最典型的一种。2.1.2 直接序列扩频通信系统直接序列扩频通信系统是目前广泛使用的一种扩频系统。图2-2给出了一种典型的直扩通信系统的原理方框图。图中发射的数据经过编码后，首先和伪随机码相乘（或作异或）进行扩频调制，然后进行BPSK调制，经放大

40、后由天线发射出去。接收端收到信号经过前端射频放大后，变频到基带，然后和本地伪随机码相乘解扩，再经过窄带低通滤波器后，送基带匹配抽样电路、并判决恢复出原始数据信息。8图2-2 直扩通信系统原理示意图假设伪码为m序列，其速率为Rc，典型的DS-BPSK系统中扩频信号的功率谱R(f)示意图如图2-3所示。该功率谱类似于sin(2f/2Rc)/(2f /2 Rc)2，主瓣宽度为2Rc，旁瓣宽度为Rc。图2-3 直扩信号功率谱示意图2.1.3 扩频伪随机码 在扩频通信中，信号频谱的扩展是通过扩频码实现的。扩频系统的性能同采用的伪随机码的性能有很大的关系。香农指出，在高斯噪声的干扰下，在功率受限的信道上，

41、实现有效和可靠通信的最佳信号是具有白噪声统计特性的信号，这是因为高斯白噪声信号具有理想的自相关特性。但是对于白噪声信号的产生、加工和复制至今仍存在许多技术困难。 因此人们就找了一些伪随机或伪噪声序列，它们的统计特性逼近于高斯白噪声的统计特性，这些扩频码都有这些特点： 1)易于产生，易于控制； 2)具有随机性； 3)具有尽可能长的周期； 4)具有双值自相关函数和良好的互相关特性。在扩频系统中，应用最多的伪随机序列是m序列和Gold序列：m序列具有良好的自相关和互相关特性，但m序列的数量是有限的，Gold序列是用m序列优选对生成的序列，其互相关特性与m序列一致，而目数量多，保密性强，但其自相关特性

42、没有m序列的自相关特性理想。因此应根据实际情况选择小同的伪码，以充分利用其自相关特性来实现扩频系统的捕获和跟踪。2.1.4 扩频信号的相关解扩 对于常规数字通信，接收端有了相干载波，即可解调出基带数字信号。然而，对于扩频信号，首先要完成解扩才能进行基带解调。因而接收端还要复制一个与发射端码型相同、码元同步的本地伪码信号。称收、发两端伪码同步信号相乘并积分为相关解扩。扩频信号的相关解扩是接收机的重要环节之一。扩频接收机接收到信号后，第一步就是要解除扩频调制，把原来占有很宽频谱的扩频信号，变换为窄带信号，从而取得处理增益。然而在扩频通信系统中，接收端扩频接收机一般要在输入信噪比为030dB条件下进

43、行信号处理，而一个设计良好的相关器可以允许在输入信噪比低达-20-50dB的恶劣环境下，从强干扰噪声中检测出微弱信号。因此在扩频通信中，常利用信号的相干性来检测淹没在噪声中的有用信号。所谓相干性，就是指信号的某个特定标记（通常指相位）在时间坐标上有规定的时间关系。相干检测的原理图如图2-4所示：滤波低通滤波器图2-4 相干检测原理图 图中的信号Sr(t)是与信号s(t)有密切相干关系的本地参考信号，n(t)为噪声。Sr(t)与信号s(t)的频率相同，而且相位相干。在实际的接收解调设备中，噪声往往是窄带的或者是带限的，这种噪声可以分解为相互独立的一些变量，它们与本地参考信号是不相干的。当进行相干

44、检测时，r(t)在与有用信号s(t)相位相关的本地参考信号Sr(t)相乘和低通滤波器的作用下，可以消除一部分噪声分量的影响，从而改善了接收系统的质量。 能够完成解扩功能的载波同步及码位同步的是一些特殊的锁相环，比如平方环、科斯塔斯环、延迟锁相环以及匹配滤波器等。2.1.5 直序扩频的同步同步技术是直扩系统的关键技术，同步性能的好坏直接关系到系统性能的优劣。在扩频系统中，接收端一般有两类不确定的因素，就是码相位和载波频率的不确定性。如果在收发信机中均使用精确的频率源，虽然可以消除大部分码时钟相位和载波频率的不确定性，但是并不能完全克服由多普勒频移引起的载波和码速率的偏移。收发信机相对移动时，也会

45、引起码相位、载波中心频率相位的变化。固定位置的收发站也会由于电波传播中的多径效应而引起码相位、载波中心频率相位的延迟从而造成同步的不确定性。在数字通信系统中同步主要指的是：码时钟速率同步即码位同步（码元同步）和码字同步及载波同步。所谓码元同步是指需要在接收端产生一个与接收到的码元重复频率和相位一致的定时脉冲，也就是同步时钟。同时，为了还原每组信息，还需要准确的码字同步，也即字同步。否则，如果字同步不准确，就可能把组分错。这样就不能正确地译码。实现码字同步的方法很多，大致可以分为以下几种：独立信道同步法、插入特殊码字同步法和自同步法等。对于同步的锁定，一般有延时锁定方法和相位锁定方法。延时锁定方

46、法是利用相关特性来形成误差信号，使本地的同步序列发生器跟踪或锁定于外来的序列。两个码序列在时延上的差别则需要通过相关运算来监视，即如果两个码序列的相位相同，则有最大的相关输出;反之，如果相位不同，则输出很小。相位锁定方法则是使用相位锁定技术使本地正弦振荡器或周期方波发生器跟踪或锁定于外来的正弦或方波信号，两个正弦波的相位差别可以通过鉴相器或乘法器的输出来显示。而本次设计对于同步问题解决主要采用载波同步。扩频系统中载波的同步也包括捕获和跟踪两个过程。载波捕获即载频频差的粗略估计，通常包含在伪码同步过程中，而精确的载波相位及多普勒频移变化跟踪则通过载波参数估计器或反馈跟踪控制环实现，其方式根据应用

47、的不同而异。载波跟踪有载波频率跟踪和载波相位跟踪两种方法，取决于载波鉴别器提取环路误差控制量的方法。常规接收机中载波跟踪是在数字延迟锁相环(DDLL)对伪随机码相关解扩的基础上，通过科斯塔斯环（Costas，实际上也是一种锁相环）重构载波相位相干解调实现的。一般环境下，在无线信道中进行通信很容易造成频率偏移，固为了解决频率偏移而造成的相位不同步的问题，传统解决的方法是锁相环，用锁相环来进行自动频率，相位跟踪。而在高速环境下，由于多普勒频偏过大，一般采用锁频环来进行自动频率，相位跟踪，因为在高速环境下锁频环比锁相环的性能要更好。 同步单元在一个扩频系统中起到了举足轻重的作用。只有在完成伪码的同步

48、以后，才能够用同步的伪码对接收到的扩频信号进行相关解扩，把扩频的宽带信号恢复成非扩频的窄带信号，以便从中将传送的信息解调出来。 直扩系统的同步包括伪码同步、位同步、帧同步和载波同步，后三种与一般的通信系统基本相同，而伪码的同步一般分为两步进行，即捕获和跟踪。捕获又称为初同步或初始同步，是对输入信号的同步信息进行搜索，使收发双方用的伪码相位差小于一个伪码码片；而跟踪又称为精同步，它是在捕获的基础上，使收发双方的伪码相位差进一步减小，保证收端的伪码相位一直跟随接收到的伪码相位，仅在一个允许的范围内变化。初始同步的方法很多，最常用的是应用滑动相关法和匹配滤波器法来实现。一般的系统设计，滑动相关法都作

49、为首选的方案，但由于滑动相关法捕获时间较长，通常会与其他方法相结合以达到快速捕获的目的。滑动相关法的工作原理如图2-5所示。接收机在搜索同步的过程中，本地伪码产生器以不同于发端的伪码速率工作，这就相当于收发信机的伪码彼此在滑动。在滑动过程中，当收发双方的伪码不重叠时，相关器输出噪声或者码相关的旁峰。当收发双方的伪码接近重合时，有相关峰输出，经包络检波，积分后输出脉冲信号，若脉冲电平超过门限电平，表示此时收发双方的伪码相位己经小于一个码片宽度，此时同步单元转入跟踪状态。跟踪环路由另外的环路来完成。进入搜索调整时钟捕获转入跟踪停止搜索跟踪图2-5 滑动相关法原理图2.1.6 扩频通信的主要性能指标

50、处理增益和抗干扰容限是扩频通信系统的两个重要性能指标。 处理增益G也称扩频增益，它定义为频谱扩展前的信息带宽Bd与频带扩展后的信号带宽Bs之比：G=Bs/Bd 。在扩频通信系统中，接收机解扩解调后，只提取伪随机码相关处理后的带宽为Bd的信息，而排除宽频带Bs中的外部干扰、噪声和其地用户的通信影响。因此，处理增益G反映了扩频通信系统对信噪比的改善程度。抗干扰容限是指扩频通信系统能在多大干扰环境下正常工作的能力，定义为：其中：Mj为抗干扰容，Gp为处理增益，(S/N)out是信息数据被正确解调所要求的最小输出信噪比，Lsys是接收系统的工作损耗。2.2 锁相环技术锁相环路是一个频率与相位的同步控制

51、系统，其性能与同步系统的功能紧密相连。它的工作过程可用图2-6来说明：图2-6 锁相环原理图在上图中，环路输入是信号Vi(t)=Visinot+(t)与加性噪声n(t)之和。它与压控振荡器(vco)的输出一起加到相乘器（此处为鉴相器PD）上，相乘器的鉴相作用产生一个误差电压vd(t)，该电压的大小与波形变化取决于vi(t)与vo(t)之间的频率与相位的差值以及加性噪声n(t)。误差信号vd(t)经环路滤波器(LF)处理后，可改变VCO输出信号的频率及相位，使之跟踪上输入信号的频率与相位。在VCO输出信号vo(t)的表达式中，表示输入信号的频率与相位的跟踪估值。因此在无噪声时，当与取得一致，即可

52、获得完全的同步。9但是本次设计主要针对于高速环境下的自动频率跟踪，由于在高动态环境下，例如在飞机上进行的无线扩频通信，由于速度很快，可达到几百公里每小时，这样就会造成比较严重的多普勒频移，在接收端接收到的频率就会有很大的偏移，而传统的解决方法即锁相环很难在这种情况下实现同步，所以需要用到锁频环来进行自动频率跟踪。2.3 锁频环技术FLL主要由压控振荡器（VCO）、延迟线（）、混频式鉴相器（PD）、移相器（）和环路滤波器（LPF）组成，其核心部分是延时鉴频器，应具有宽带、低噪声、高灵敏度等特性。图2-7示出了FLL的原理框图。其工作原理是：延迟线将VCO的频率信息转化为相位信息，再由混频鉴相器对

53、其时差产生的相差进行鉴相，并对VCO进行频率控制，达到稳频的目的。FLL中的延时线可将VCO的频率漂移转化为相位特性，同时产生一个延时，其频率数学模型如图2-8所示。图中，f1是鉴频器的设定频率，fo为输出频率，fe为FLL的误差频率信号，Kd是鉴相器的鉴相增益，Ko是VCO的压控增益，F(s)是环路滤波器的传输函数，是移相器的相移。图2-7 FLL的原理框图图2-8 FLL数学模型锁频环(FLL)可以通过载波鉴频器输出载频频移估计量直接跟踪载波频率。通常，锁相环直接对载波相位进行跟踪，当环路稳定闭环时具有较高的跟踪精度。然而在高动态环境下，采用锁相环跟踪的高动态扩频接收机必须承受环路带宽与动

54、态性能之间的折衷，即噪声引入跟踪误差随环路带宽降低而增加，较难同时满足跟踪精度与动态性能的要求。相比之下，非相干解调FLL跟踪则具有较好的动态性能。2.4 本章小结本章介绍了与课题相关的基本原理，首先在香农信道容量公式的基础上阐述了扩频技术以及其中的直扩技术的基本原理，接着在传统模拟锁相环的基础上分析了数字锁相环，锁频环的基本原理。这些基本原理为课题的深入研究提供了理论依据。3 接收系统的设计与实现整个基带系统可以分为发射子系统和接收子系统两个部分。发射子系统主要包括了卷积编码、块交织、伪随机码扩频以及QPSK调制等模块；而接收子系统主要包括了数字中频信号到基带的变换、解调、信号的捕获与解扩、

55、差分解调以及自动频率控制等模块。由于本次设计主要为AFC部分，即自动频率、相位跟踪电路，固在此只设计接收系统，因为AFC模块的最终实现与成功，必须要在整个接收系统中才得以体现。3.1 接收系统总体框图接收系统是一个复杂的数字信号处理过程，主要完成数字信号到基带的变换、解调、信号的捕获与解扩、差分解调以及自动频率控制等。接收系统的输入是数字化的中频信号。所以，在射频模块到本系统之前，需要进行数字化处理。接收系统的框图如图3-1所示，可见接收子系统主要有以下几个功能模块：图3-1 接收系统的框图（1）下变频模块。下变频器模块的功能主要是结合数控振荡器NCO，将接收到的经过采样量化的数字中频信号进行

56、数字式下变频，从而产生基带信号，也就是待解扩信号。全部过程均采用数字化处理，它由4个乘法器、2个加法器和2个积分清除滤波器组成。乘法器、加法器主要用来实现下变频，积分清洗滤波器用来去掉高频分量。（2）匹配滤波器。由数字通信的理论基础我们知道，当接收滤波器与信号相匹配的滤波器的时候，系统的性能最好。所以我们的接收滤波器选择为匹配滤波器。在匹配滤波器中，用存储在其中的伪随机码进行相关运算，并分别计算出I/Q通道的相关运算的和。在实现伪随机序列的同步的时候，由于我们采用的m序列的码周期为64，所以采用基于数字匹配滤波器(DMF)的码片捕获技术。实现的原理是：计算接收PN码与本地PN码的相关值，然后与

57、门限比较，大于门限认为捕获成功，否则就调整本地的PN码的相位并继续搜索，直到捕获为止。（3）差分解调器。这个模块把接收到的I路和Q路通道的信息经过相应的点积和互积运算恢复出经过差分编码的数据。不仅可以实现差分解码，也可以用于在频率控制器(AFC)模块中调控NCO的输出。（4）频率控制器(AFC)。这个模块利用I路和Q路通道产生的信息进行运算，产生需要的频率信息来对下变频中的NCO的输出进行控制和调节。前面已经提到，数字下变频中乘法器结合NCO完成数字中频到数字基带的变换，实质就是数字化的相干解调方法。如果NCO输出信号频率和中频频率载波有频差和相差，那么就利用解扩以后的输出误差相位来闭环调整N

58、CO的振荡颇率，使两者达到同步。3.2 接收系统的实现接收系统是一个复杂的数字信号处理过程，在这里主要研究差分解调、自动频率控制模块的设计与实现。3.2.1 差分解调器模块的设计和实现（1）分析与设计对于差分QPSK调制和解调方式，相邻符号之间由于调制引起的相位移动可能是45, 135, 225和315四种，具体讲是由于采用差分编码，第k位符号和第k-1位符号之间的相位差值与第k位符号的I值和Q值的关系如下：当I、Q值为0、0时，=225；当I、Q值为0、1时，=135；当I、Q值为1、1时，=45；当I、Q值为1、0时，=315；在复平面上的表示如图3-2所示：图3-2 在复平面上的表示由以

59、上及前面的分析可知，成功地检测出是进行差分解调的关键。在实际实现时，可以引入点积和叉积的概念来判断。分析如下：信号在经过下变频处理后，其基带信号可表示为：其中表示数据符号码元的相对相位，分别取45, 135, 225和315。令 则 令 我们定义：这里称Dot(k)为点积，Cross(k)为互积，符号Re和Im分别表示取实部和虚部。可以看到，由于点积和互积包含了前后两个码元的相位信息，所以它们不仅可以实现差分解调，也可以用于在频率控制器(AFC)模块中调控NCO的输出。考虑到A(k)=A(k-1)=A，有：令，也就是第k位符号和第k-1位符号之间的相位差。则在DQPSK调试方式下，取值为45,

60、 135, 225和315四个相位。但这种情况下，点积和互积中表现为两种逻辑电平，即+1和-1（假设=1）。如果取值为0、90、180、和270，则这里要引入一个45的固定相移，使得相位差+45位于复平面上的45, 135, 225和315（如图3-2所示）。其实现方法是：将=0、90、180、和270代入上两式得： 这两个式子作为差分解调并行数据输出，再经过并串变换就可以完成数据解调。图3-3是它的实现原理图：图3-3 差分解调器原理图在具体应用时，点积和叉积分别这样实现：而且由上面的分析可以知道，可以通过对点积和叉积的正负极性判别来对DQPSK信息解调。如果Sout(k)在复数平面的表示就

61、如前面的信号矢量图3-2所示，则由图可以看出，各象限内实部（即Dot(k)）和虚部（即Cross(k)）的符号正好与所调制数据(0或1)相对应。（2）差分解调输入图图3-4 差分解调输入图3.2.2 自动频率控制(AFC)模块的设计和实现AFC模块是本次设计中最主要最重要的设计模块，因为本次设计主要要求完成的就是在扩频接收系统中的AFC模块，以达到频率跟踪，抑制多普勒频偏的作用。（1）分析与设计在前面的数字下变频模块中，乘法器结合NCO完成由数字中频到基带的变换。然而，由于接收进来的信号在经过信道后，可能会使NCO的输出和中频载波有一个频差。这就需要调节下变频中NCO的输出频率，使两者达到同步

62、。这个模块利用I路和Q路通道产生的信息（点积和互积）进行运算，产生AFC（自动频率控制）。信号对下变频中的NCO的输出频率进行控制和调节。假设NCO的输出和中频信号的频差为，初相差为，则总的相位差为此时有， 在QPSK调制方式下，鉴相器产生误差控制信号的算法如下：将代入上式得：此信号经过环路滤波后送给NCO模块，来闭环调整NCO的频率，使趋向于0，使中频载波频率与NCO的输出频率达到同步。环路滤波的传递函数为：反馈控制实现框图如图3-5所示。图3-5 反馈控制模块框图式中的出现是因为在K2支路中的加法器的输出有一个时延。K1和K2由外部输入，其中K1支路（直接通道）影响环路跟踪载波频率变化的快

63、慢，而K2支路（积分通道）则不仅影响对输入载波频率跟踪的快慢，而且还对输入的噪声有一定的抑制作用。（2）AFC输入图图3-6 AFC模块输入图3.3 载波频率跟踪由于本次设计为设计自动频率，相位跟踪电路，固在AFC模块中，其载波同步为最重要的部分，而载波同步又分为载波频率跟踪与相位跟踪。针对机载环境的高多普勒频移问题，为了正确解调数据，提出在接收端采用自动频率跟踪技术跟踪信号的频率变化，采用锁相环与锁频环相结合的方法保证数据解调的可靠。在载波环设计中用锁频环跟踪载波频率的变化，通过载波鉴相器输出估计多普勒频移误差，用同相-正交环跟踪载波相位。12设计鉴频、鉴相相结合的自动频率、相位跟踪电路，目的是使载波跟踪环能同时满足动态性与跟踪精度要求。