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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。關(guān)鍵詞：DS/FH接收機(jī) 解擴(kuò) 同步 FPGA實(shí)現(xiàn)
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。通常采用專用芯片來完成這些功能，導(dǎo)致系統(tǒng)體積增大，不便于小型化�，F(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芯片及其開發(fā)系統(tǒng)問世不久，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)及同步過程的實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)，采用ALTERA公司的APEX20K200RC240-1器件及其開發(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。
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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。該器件典型門數(shù)為20萬，有豐富的邏輯單元和RAM單元，開發(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]=x[n]+x[n-1]
y[n-1]=x[n-2]+x[n-3]
該低通濾波器將相鄰的兩個(gè)輸入數(shù)據(jù)相加后作為輸出，即每兩個(gè)輸入數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)一個(gè)輸出數(shù)據(jù)，輸入數(shù)據(jù)時(shí)鐘節(jié)拍為輸出數(shù)據(jù)時(shí)鐘節(jié)拍的2倍。
經(jīng)過低能濾波后的數(shù)據(jù)經(jīng)過滑動(dòng)窗處理，滑動(dòng)窗對(duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行選擇輸出，用來動(dòng)態(tài)調(diào)整相關(guān)峰的大小。在捕獲過程中觀察相關(guān)峰值時(shí)，通過調(diào)整滑動(dòng)窗口，可以獲得不同幅度的相關(guān)峰值。選擇控制端口DSP寫控制字來決定，結(jié)構(gòu)如圖3所示�；瑒�(dòng)窗控制邏輯關(guān)系為：
CASE sel[] IS
WHEN 0=> dataout[]=datain[7..0];
WHEN 1=> dataout[]=datain[8..1];
WHEN..2=> dataout[]=datain[9..2];
WHEN 3=> dataout[]=datain[10..3];
WHEN 4=> dataout[]=datain[11..4];
WHEN 5=> dataout[]=datain[12..5];
WHEN OTHERS => dataout[]=datain[12..5];
符號(hào)擴(kuò)展是為了與后面的相關(guān)累加器數(shù)據(jù)寬度保持一致，符號(hào)位擴(kuò)展時(shí)需與輸入數(shù)據(jù)最高位的符號(hào)保持一致。
1.3 相關(guān)累加器
相關(guān)累加器完成本地偽碼與接收信號(hào)的相關(guān)累加運(yùn)算，運(yùn)算得到的結(jié)果送入DSP完成偽碼的捕獲和跟蹤。取偽碼長度為256位，采用半碼片滑動(dòng)，則一個(gè)碼周期完成512次累加運(yùn)算。如采用串行滑動(dòng)相關(guān)捕獲方式，則遍歷所有的碼相位所需要的時(shí)間為512個(gè)碼周期，即捕獲所需要的最長時(shí)間512個(gè)PN碼周期。由于可編程邏輯器件的發(fā)展，使得有足夠的硬件資源來完成并行運(yùn)算。此處采用串/并混合的捕獲方式，采用8路相關(guān)累加器，每一路分為超前、當(dāng)前、滯后3組，每組相差半個(gè)碼片的相位，每一路相差64個(gè)半碼片的相位。這樣，只需滑動(dòng)64個(gè)半碼片相位就可以遍歷所有的偽碼相位，完成捕獲所需時(shí)間縮短為原來的八分之一。數(shù)據(jù)解調(diào)由另外4組相關(guān)累加器完成。由于發(fā)射端同步偽碼與數(shù)據(jù)偽碼相位嚴(yán)格對(duì)齊，所以在接收模塊中，完成同步偽碼捕獲跟蹤后，直接將所獲得的相位信息用于數(shù)據(jù)解調(diào)相關(guān)器，即可正確解調(diào)數(shù)據(jù)。
同步偽碼的跟蹤采用超前一滯后延遲鎖相環(huán)路（DPLL），每一路相關(guān)器包括3組累加器。捕獲跟蹤及數(shù)據(jù)解調(diào)共使用28組相關(guān)累加器，每一組相關(guān)累加器結(jié)構(gòu)都是完全一樣的，均分為I、Q兩路，分別進(jìn)行累加運(yùn)算，完成512次累加運(yùn)算后由DSP讀取數(shù)據(jù)。I、Q兩路結(jié)構(gòu)完全相同，其中一路的原理圖如圖4所示。
相關(guān)累加器由18位加減法器、鎖存器1和鎖存器2組成，data[7..0]為下變頻后的輸入數(shù)據(jù)，PN CODE來自碼發(fā)生器。作為控制端，低電平完成加運(yùn)算，高電平完成減運(yùn)算，DP上升沿進(jìn)行數(shù)據(jù)鎖存，下降沿完成一次累加運(yùn)算。當(dāng)累加運(yùn)算完成后，由CLR信號(hào)清零并將結(jié)果存入鎖存器2，CLKR下降沿有效。鎖存器1輸出OV信號(hào)作為溢出標(biāo)志位，鎖存器2輸出累加結(jié)果out[16..0]。輸入與輸出端的最高位為符號(hào)位。
1.4 本地碼發(fā)生器及碼移相電路
本地碼發(fā)生器用于產(chǎn)生本地PN碼，從而與接收信號(hào)進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算。由于發(fā)送端采用編碼擴(kuò)頻調(diào)制方式，
接收信號(hào)中既有同步PN碼，還有數(shù)據(jù)PN碼，與接收信號(hào)相對(duì)應(yīng)，本地也應(yīng)該產(chǎn)生相應(yīng)的PN碼，用于同步及解調(diào)數(shù)據(jù)。
本地PN碼發(fā)生器全部采用FPGA實(shí)現(xiàn)，并且設(shè)置了可編程寄存器和外部接口，DSP通過接口可預(yù)置PN碼長度。1024進(jìn)制計(jì)數(shù)器電路用于產(chǎn)生ROM的輸入地址，ROM由FPGA內(nèi)部RAM資源來實(shí)現(xiàn)，采用ALTERA公司APEX20K200器件。該器件內(nèi)部可編程RAM容量為106496位，完成可以滿足設(shè)計(jì)需求。本地PN碼采用半碼片滑動(dòng)方式，ROM內(nèi)部PN碼也以半碼片方式存儲(chǔ)。如碼長為256，采用半碼片存儲(chǔ)方式后，每一組PN碼需存儲(chǔ)512位數(shù)據(jù)，相應(yīng)的ROM有9位地址線驅(qū)動(dòng)輸出。驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘為PN碼時(shí)鐘的2倍。在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，PN碼發(fā)生器內(nèi)存放了8組PN碼，但只用了五組，一組用于同步，另外四組用于解調(diào)數(shù)據(jù)。ROM輸入地址由1024進(jìn)制計(jì)數(shù)器產(chǎn)生，實(shí)際上只需用512進(jìn)制計(jì)數(shù)器即可得到ROM輸入地址�？紤]到可擴(kuò)展性，這里采用了計(jì)數(shù)容量最大為1024的可變計(jì)數(shù)器。由DSP通過DSP-FPGA接口改寫寄存器值，可以很方便地調(diào)整PN碼的輸出相位。
偽碼移位電路的主要作用是將碼發(fā)生器產(chǎn)生的PN碼進(jìn)行移位操作，從而得到偽碼的不同相位。捕獲和跟蹤過程共使用了8路24組相關(guān)累加器，每一路分為超前、當(dāng)前、滯后3組，這3組累加器輸入端PN碼相差半個(gè)碼片的相位，8路相關(guān)累加器中每相鄰兩路相差64個(gè)半碼片。碼發(fā)生器輸出5組PN碼序列（第0組～第4組），分別對(duì)應(yīng)同步偽碼及4組數(shù)據(jù)偽碼。5組偽碼均經(jīng)過512級(jí)移位寄存器，經(jīng)0組PN碼作同步碼，取其0、1、2相位作為第一路的超前、當(dāng)前、滯后3組相關(guān)累加器的輸入；64、65、66相位作為第二路的超前、當(dāng)前、滯后3組相關(guān)累加器的輸入，其余各路依此類推。當(dāng)完成捕獲后，需要將捕獲所得的同步PN相關(guān)切換到數(shù)據(jù)解調(diào)相關(guān)累加器中。例如，假設(shè)在第二組相關(guān)累加器的當(dāng)前相位就應(yīng)該與第二組相關(guān)累加器當(dāng)前通道的PN碼相位保持一致。數(shù)據(jù)偽碼相位切換的實(shí)現(xiàn)是由DSP記憶捕獲通道的相位，然后控制多路選擇開關(guān)選擇該相位。
2 同步模塊的FPGA實(shí)現(xiàn)
同步模塊由位同步及幀同步電路構(gòu)成，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)信息數(shù)據(jù)的檢測和提取，并識(shí)別一幀信息數(shù)據(jù)的幀頭位置，實(shí)現(xiàn)跳頻圖案的同步。跳頻圖案的同步采用等待搜索同步法，開始時(shí)接收端頻率合成器停留在某一單頻點(diǎn)ft'，等待發(fā)射機(jī)的頻率fi，當(dāng)發(fā)射機(jī)的頻率跳變?yōu)閒i時(shí)，接收端本地的頻率fi'與發(fā)送的頻率fi混頻后，輸出中頻fIF。DSP完成解擴(kuò)解調(diào)運(yùn)算后，得到的串行數(shù)據(jù)流送入位同步和幀同步電路，從數(shù)據(jù)流中提取出特征字，就可以獲得一幀完整的數(shù)據(jù)，從而確定幀頭位置，即頻率轉(zhuǎn)換時(shí)刻，由于控制接收端頻率合成器與發(fā)送端頻率合成器同步跳變，實(shí)現(xiàn)跳頻圖案的同步。由于采用編碼擴(kuò)頻調(diào)制方式，發(fā)送端每兩位信息比特有一個(gè)PN碼周期被編碼為4種PN碼中的一種。所以接收端在每一個(gè)PN碼周期，對(duì)4組數(shù)據(jù)相關(guān)累加器的累加結(jié)果進(jìn)行最大值比較，然后譯碼成相應(yīng)的信息數(shù)據(jù)。信息數(shù)據(jù)送到同步電路，進(jìn)行馬克碼匹配相關(guān)，提取有效的信息位，并控制跳頻時(shí)序完成跳頻同步。同步模塊原理如圖5所示。
在每一個(gè)PN碼周期，4組數(shù)據(jù)解調(diào)相關(guān)累加器解調(diào)出2bit信息數(shù)據(jù)。2bit信息數(shù)據(jù)以9.6kHz的速率送到同步電路。同步電路首先將信息數(shù)據(jù)進(jìn)行并串轉(zhuǎn)換，由9.6kHz、2bit的數(shù)據(jù)流變換為19.2kHz、1bit的數(shù)據(jù)幀，變換后的數(shù)據(jù)流再經(jīng)過串并變換，得到19.2kHz、32bit的并行數(shù)據(jù)流。根據(jù)信號(hào)格式，每一幀數(shù)據(jù)為32bit，相應(yīng)的13位巴克碼在一幀數(shù)據(jù)中的位置固定不變，所以提取每幀數(shù)據(jù)中相應(yīng)位置上的13位數(shù)據(jù)比特與本地巴克碼進(jìn)行相關(guān)匹配運(yùn)算，結(jié)果與門限值比較，如果符合門限設(shè)置，即有中斷輸出，通知外部設(shè)備讀取相應(yīng)數(shù)據(jù)。
3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)為：信息數(shù)據(jù)速率4.8kbps，比特率19.2kbps。跳頻速率600hop/s,20個(gè)跳頻點(diǎn)，跳頻帶寬68MHz，每跳32bit擴(kuò)頻碼周期為256，碼速率為4.9152MHz。用TEKTRONIX 2221A數(shù)字存儲(chǔ)示波器觀測實(shí)驗(yàn)結(jié)果。圖6～9為FPGA各測試點(diǎn)的測試結(jié)果。
圖6中第一組波形是256碼長本地接收同步偽碼流，第二組為跳頻幀同步信號(hào)，該信號(hào)對(duì)應(yīng)的偽碼相位即為解擴(kuò)、跳頻同步同時(shí)的相位。圖7第一組波形為接收數(shù)據(jù)流，第二組波形為發(fā)射數(shù)據(jù)流，發(fā)射數(shù)據(jù)幀格式為00000000011111001101010000000000，幀同步碼為13位巴克碼1111100110101，8位信息數(shù)據(jù)為00000000。由圖7可以看出接收端數(shù)據(jù)與發(fā)射端相同，但滯后于發(fā)射端，這是由于傳輸時(shí)延造成的。圖8第一組波形為接收串行數(shù)據(jù)，第二組為跳頻幀同步信號(hào)，該信號(hào)下降沿對(duì)應(yīng)于一幀數(shù)據(jù)的起始，控制頻率合成器進(jìn)行頻率轉(zhuǎn)換。圖9第一組波形為發(fā)射跳頻幀信號(hào)，第二組為接收幀同步信號(hào)，接受幀信號(hào)上升沿與發(fā)射跳頻幀信號(hào)的下降沿對(duì)齊，信號(hào)寬度大于發(fā)射端信號(hào)。這是因?yàn)榭刂祁l率合成器進(jìn)行頻率轉(zhuǎn)換的updata信號(hào)需要 定寬度。
解擴(kuò)及同步是DS/FH混合擴(kuò)頻接收機(jī)正確數(shù)據(jù)解調(diào)的關(guān)鍵，采用FPGA設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了多片專用芯片的功能，大大縮小了接收機(jī)體積，便于系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)小型化、集成化。捕獲及跳頻同步等算法采用硬件實(shí)現(xiàn)，加快了捕獲跟蹤速度。FPGA的可編程性使電路的設(shè)計(jì)更具靈活性，并使系統(tǒng)具有“軟”接收機(jī)的特點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明FPGA系統(tǒng)設(shè)計(jì)是正確可行的。
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