直擴(kuò)系統(tǒng)PN碼捕獲和跟蹤的FPGA實(shí)現(xiàn)

摘要：在數(shù)字匹配濾波器和超前滯后鑒相環(huán)路的理論基礎(chǔ)上，采用VHDL編程，在FPGA芯片上實(shí)現(xiàn)PN碼捕獲和跟蹤的電路。詳細(xì)討論了各電路模塊的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方法。完成電路的仿真驗(yàn)證，給出了仿真波形。結(jié)果表明電路工作正常可靠，系統(tǒng)擴(kuò)展方便靈活，滿足設(shè)計(jì)要求。
關(guān)鍵詞：FPGA；PN碼捕獲；PN碼跟蹤；數(shù)字匹配濾波器；超前滯后環(huán)路

在接收機(jī)端，為了接收到正確的信號(hào)，必須使得本地PN碼與接收信號(hào)PN碼嚴(yán)格同步。PN碼同步的過程分為兩個(gè)階段：捕獲和跟蹤。典型的捕獲方法是匹配濾波器法，而跟蹤則常用超前滯后鑒相跟蹤環(huán)路。隨著可編程邏輯器件FPGA的大規(guī)模使用，數(shù)字電路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)變得更加靈活和方便，并且易于系統(tǒng)維護(hù)和更新。本設(shè)計(jì)采用VHDL編程，用FPGA實(shí)現(xiàn)了PN碼捕獲和跟蹤的電路。

1 捕獲和跟蹤的原理
如圖1所示，捕獲和跟蹤環(huán)路主要由數(shù)字匹配濾波器模塊、PN碼發(fā)生器模塊、碼時(shí)鐘發(fā)生器模塊和鑒相模塊組成。捕獲和跟蹤主要利用PN碼的自相關(guān)特性和鑒相特性，如圖2所示。其中圖2(a)是序列的自相關(guān)函數(shù)R(τ)，利用此特性，讓接收信號(hào)依次劃過本地PN碼，并進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，當(dāng)兩者同步時(shí)，相關(guān)值達(dá)到相關(guān)峰值，大于預(yù)先設(shè)定的門限，表明此時(shí)完成捕獲。圖2(b)中虛線①是自相關(guān)函數(shù)向右移Tc／2之后的自相關(guān)函數(shù)R(τ-Tc／2)，虛線②是自相關(guān)函數(shù)向左移Tc／2之后的自相關(guān)函數(shù)R(τ+Tc／2)，而實(shí)線是R(τ-Tc／2)減去R(τ+Tc／2)之后的S型鑒相曲線D(τ)。當(dāng)τ=0時(shí)，鑒相結(jié)果為0，表明本地PN碼與接收信號(hào)同步。當(dāng)τ≠0時(shí)，鑒相器輸出正或負(fù)的極性結(jié)果，調(diào)整PN碼時(shí)鐘提前或者滯后PN碼。其中：Tc是PN碼片周期。

1．1 捕獲
捕獲利用PN碼的序列自相關(guān)特性，如圖2(a)所示。捕獲常用數(shù)字匹配濾波器法。數(shù)字匹配濾波器法雖然電路結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，消耗資源較多，但捕獲過程很快，通常可以在一個(gè)PN碼周期內(nèi)完成。用數(shù)字匹配濾波器法捕獲擴(kuò)頻碼時(shí)，以靜止的本地PN碼作為濾波器的抽頭，接收到的信號(hào)序列依次劃過本地PN碼，每一個(gè)時(shí)刻都可以產(chǎn)生一個(gè)相關(guān)結(jié)果。當(dāng)兩個(gè)序列相位對(duì)齊時(shí)，相關(guān)結(jié)果將有一個(gè)相關(guān)峰值(擴(kuò)頻序列在零相位時(shí)的自相關(guān)函數(shù)值)輸出，相關(guān)值大于預(yù)先設(shè)定的門限時(shí)表示捕獲成功，此時(shí)接收信號(hào)與本地PN碼粗同步，同步在一個(gè)PN碼元時(shí)長，下一步進(jìn)入跟蹤階段進(jìn)行精確同步。
1．2 跟蹤
跟蹤常用超前滯后跟蹤環(huán)法，利用PN碼的鑒相特性，如圖2(b)所示。輸入擴(kuò)頻信號(hào)分別和超前、滯后1／2個(gè)碼元周期的PN碼進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，兩者相關(guān)值之差作為鑒相結(jié)果輸入至碼時(shí)鐘生成器來調(diào)整PN碼相位，保持本地PN碼與接收信號(hào)之間的嚴(yán)格同步。同時(shí)擴(kuò)頻信號(hào)與本地PN碼相關(guān)之后解擴(kuò)輸出。若連續(xù)幾次失步，則重新轉(zhuǎn)入捕獲階段，進(jìn)行粗同步。