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DS/FH混合擴(kuò)頻接收機(jī)解擴(kuò)及同步技術(shù)的FPGA實(shí)現(xiàn)
摘要：研究采用編碼擴(kuò)頻的DS/FH混合擴(kuò)頻接收機(jī)的核心模塊——同步及解擴(kuò)部分的FPGA實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)。將多種專(zhuān)用芯片的功能集成在一片大規(guī)模FPGA芯片上，實(shí)現(xiàn)了接收機(jī)的高度集成化、小型化。偽碼的串并混合捕獲算法及跳頻同步算法等均采用硬件完成，提高了捕獲速度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明該方案是正確可行的。DS/FH混合擴(kuò)頻通信系統(tǒng)中，需要數(shù)據(jù)不變頻器、相關(guān)累加器及碼發(fā)生器等完成下變頻、相關(guān)解擴(kuò)等運(yùn)算。通常采用專(zhuān)用芯片來(lái)完成這些功能，導(dǎo)致系統(tǒng)體積增大，不便于小型化。現(xiàn)代的EDA（電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化）工具已突破了早期僅期進(jìn)行PCB版圖設(shè)計(jì)或電路功能模擬、純軟件范圍的局限，以最終實(shí)現(xiàn)可靠的硬件系統(tǒng)為目標(biāo)，配置了系統(tǒng)自動(dòng)設(shè)計(jì)的全部工具，如各種常用的硬件描述語(yǔ)言平臺(tái)VHDL、Verilog HDL、AHDL等；配置了多種能兼容和混合使用的邏輯描述輸入工具，如硬件描述語(yǔ)言文本輸入法（其中包括布爾方程描述方式、原理圖描述方式、狀態(tài)圖描述方式等）以及原理圖輸入法、波形輸入法等；同時(shí)還配置了高性能的邏輯綜合、優(yōu)化和仿真模擬工具。FPGA是在PAL、GAL等邏輯器件的基本上發(fā)展起來(lái)的。與PAL、GAL等相比較，F(xiàn)PGA的規(guī)模大，更適合于時(shí)序、組合等邏輯電路應(yīng)用場(chǎng)合，它可以替代幾十甚至上百塊通用IC芯片。FPGA具有可編程性和設(shè)計(jì)方案容易改動(dòng)等特點(diǎn)，芯片內(nèi)部硬件連接關(guān)系的描述可以存放在下載芯片中，因而在可編程門(mén)陣列芯片及外圍電路保持不動(dòng)的情況下，更換下載芯片，就能實(shí)現(xiàn)新的功能。FPGA芯片及其開(kāi)發(fā)系統(tǒng)問(wèn)世不久，就受到世界范圍內(nèi)電子工程設(shè)計(jì)人員的廣泛關(guān)注和普遍歡迎。本文主要討論一種基于編碼擴(kuò)頻的DS/FH混合擴(kuò)頻接收機(jī)解擴(kuò)及同步過(guò)程的實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)，采用ALTERA公司的APEX20K200RC240-1器件及其開(kāi)發(fā)平臺(tái)Quartus II實(shí)現(xiàn)混合擴(kuò)頻接收機(jī)的核心——解擴(kuò)及同步模塊。
1 混合擴(kuò)頻接收機(jī)解擴(kuò)模塊的FPGA設(shè)計(jì)
解擴(kuò)模塊是混合擴(kuò)頻接收機(jī)的核心。該模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)接收信號(hào)的解擴(kuò)處理，主要包括數(shù)字下變頻器、數(shù)控制蕩器（NCO）、碼發(fā)生器、相關(guān)累加器和偽碼移相電路等，通常各模塊采用專(zhuān)用芯片。利用FPGA將這些功能集成在一塊芯片中，大大縮小了接收機(jī)的體積，便于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的小型化和集成化。下面分別介紹該模塊各部分的FPGA實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)。
1.1 數(shù)控振蕩器（NCO）
數(shù)控振蕩器是解擴(kuò)模塊中的重要組成部分，主要用于為碼發(fā)生器提供精確的時(shí)鐘信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)接收信號(hào)的捕獲和跟蹤。碼發(fā)生器由相位累加器和查找表構(gòu)成。若使用字長(zhǎng)為40位寬的累加器，對(duì)于某一頻率控制字A，輸出頻率fout與輸入頻率控制字A的關(guān)系為：
fout=fclkA/2 40
其中，fclk為系統(tǒng)時(shí)鐘。只要改變控制字A的大小，就可以控制輸出頻率fout。Fout變化的最小步長(zhǎng)Δf由累加器的數(shù)據(jù)寬度決定。若數(shù)據(jù)寬度取40位，則：
Δf=fclk/2 40
利用上述原理，可以通過(guò)精確分頻得到所需頻率。原理圖如圖1所示。
圖1中頻率控制字A由DSP寫(xiě)入�？紤]到FPGA內(nèi)部存儲(chǔ)資源限制，取40位相位累加值result[39..0]的高八位作為查找表LUT（look～up table）的輸入，查找表由ROM構(gòu)成，存儲(chǔ)各相位所對(duì)應(yīng)采樣值。當(dāng)查找表輸入端為某一相位phase時(shí)，則輸出對(duì)應(yīng)采樣值。若輸出數(shù)據(jù)寬度為6位，輸出信號(hào)格式為余弦信號(hào)，則LUT輸出為：
out[5..0]=31×cos(360×(phase 0.5)/256)° 32
若取ROM的并行6位out[5..0]作為輸出，則輸出信號(hào)為每周期采樣256點(diǎn)的數(shù)字化余弦信號(hào)；如果取最高位out[5]作為輸出，則輸出為系統(tǒng)時(shí)鐘的分頻信號(hào)。
1.2 數(shù)字下變頻器
數(shù)字下變頻器將A/D采樣得到的中頻信號(hào)進(jìn)行下變頻處理，去除中斷，得到基帶信號(hào)。利用本地NCO產(chǎn)生與輸入中頻信號(hào)的頻率相同的正弦和余弦信號(hào)，并與輸入信號(hào)進(jìn)行復(fù)乘法運(yùn)算，然后對(duì)運(yùn)算結(jié)果做低通濾波，即可完成對(duì)中頻信號(hào)的下變頻操作。正交采樣模式下，兩路A/D轉(zhuǎn)換器提供正交輸入IIN及QIN，數(shù)字下變頻器的復(fù)乘法器輸出IOUT、QOUT為：
Iout=IINcos(ωt)-Qinsin(ωt)
Qout=IINsin(ωt) Qincos(ωt)
本振信號(hào)、復(fù)乘法器、低通濾波器均采用數(shù)字化設(shè)計(jì)。數(shù)字下變頻器采用ALTERA公司的APEX20K200RC240-1器件。該器件典型門(mén)數(shù)為20萬(wàn)，有豐富的邏輯單元和RAM單元，開(kāi)發(fā)平臺(tái)Quartus II自帶的宏模塊，lpm_mult（乘法器宏模塊）、lpm_rom（ROM宏模塊）、lpm_add_sub（加法器宏模塊）等，給設(shè)計(jì)帶來(lái)了極大的方便。數(shù)字下變頻器原理圖如圖2所示。
圖2中的數(shù)字表示相應(yīng)模塊的數(shù)據(jù)寬度。濾波模塊是1個(gè)二階的低通濾波器，濾除混頻后的高頻分量。在一些專(zhuān)用的數(shù)字下變頻器件中STEL-2130中，濾波器的階數(shù)是可編程的，可以根據(jù)需要設(shè)置不同的階數(shù)，從而得到不同的濾波效果�？紤]到FPGA的資源問(wèn)題，設(shè)置濾波器的階數(shù)為固定的二階。濾波器輸入x[n]與輸出y[n]關(guān)系為：
y[n]=
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