基于FPGA的數(shù)字解擴(kuò)解調(diào)模塊設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

1引 言

擴(kuò)頻通信系統(tǒng)是將基帶信號(hào)的頻譜擴(kuò)展到很寬的頻帶上，然后進(jìn)行傳輸，通過增大頻帶寬度來提高信噪比的一種系統(tǒng)。由于擴(kuò)頻系統(tǒng)具有抗干擾能力強(qiáng)、保密性高、截獲概率低、多址復(fù)用和任意選址等優(yōu)點(diǎn)，在移動(dòng)通信等諸多領(lǐng)域越來越受到重視。

在擴(kuò)頻通信系統(tǒng)中，載波同步是擴(kuò)頻接收機(jī)正常解調(diào)的前提，是擴(kuò)頻通信中的一項(xiàng)關(guān)鍵性技術(shù)。常用的載波同步技術(shù)有平方環(huán)、Costas環(huán)和通用載波恢復(fù)環(huán)等。其中Costas環(huán)是跟蹤低信噪比的抑制載波信號(hào)的最佳裝置，也是現(xiàn)實(shí)中應(yīng)用最多的一種。過去擴(kuò)頻信號(hào)載波同步常采用模擬Costas環(huán)，但是模擬環(huán)常存在I，Q通道間幅相不平衡、必須初始校準(zhǔn)等問題。采用全數(shù)字實(shí)現(xiàn)的環(huán)路能夠有效地避免這些問題。 本文介紹一種全數(shù)字Costas環(huán)，他能夠很好地完成由BPSK調(diào)制的擴(kuò)頻信號(hào)的載波同步和跟蹤，從而完成對(duì)調(diào)制信息的解擴(kuò)解調(diào)。該電路具有可靠性高、體積小、功耗低、調(diào)試方便等優(yōu)點(diǎn)。通過編程、綜合和仿真，最后在FPGA上硬件實(shí)現(xiàn)本模塊。測試結(jié)果表明，本模塊的各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

2數(shù)字Costas環(huán)的基本原理

Costas環(huán)主要由數(shù)字下變頻器、解擴(kuò)單元、積分-清零器(I-D)、數(shù)字鑒相器、數(shù)字環(huán)路濾波器(LPF)以及數(shù)字控制振蕩器(DDS)等模塊組成。

當(dāng)輸入信號(hào)中擴(kuò)頻碼(PN碼)和來自碼同步環(huán)的擴(kuò)頻碼精確同步的情況下，輸入信號(hào)通過解擴(kuò)單元就可以去除擴(kuò)頻碼，解擴(kuò)后I，Q兩路輸出分別為：

當(dāng)輸入信號(hào)中擴(kuò)頻碼(PN碼)和來自碼同步環(huán)的擴(kuò)頻碼精確同步的情況下，輸入信號(hào)通過解擴(kuò)單元就可以去除擴(kuò)頻碼，解擴(kuò)后I，Q兩路輸出分別為

最后通過低通濾波器濾去二倍頻，最終I，Q兩路輸出分別為：

可見，兩路乘法器的輸出均包含有調(diào)制信號(hào)，兩者相乘可消除調(diào)制信號(hào)的影響，再經(jīng)環(huán)路濾波器濾波后可得DDS控制電壓：

由于DDS的控制電壓已經(jīng)去除了基帶信號(hào)的成分，只受到相位誤差φ的控制(k為常數(shù))，所以可以對(duì)DDS進(jìn)行準(zhǔn)確的調(diào)整，實(shí)現(xiàn)對(duì)載波的精確同步和跟蹤。

3數(shù)字Costas環(huán)各子模塊設(shè)計(jì)

在作者所參與的項(xiàng)目中，系統(tǒng)時(shí)鐘fclk=48.96 MHz，載波頻率為(12.24 M±1.5 k)Hz，數(shù)據(jù)速率fd=16 kb／s，A／D采樣位數(shù)為8位。

3.1 DDS模塊

輸人時(shí)鐘：fclk=48.96 MHz；輸出正弦：fo=12.24 MHz；DDS的位數(shù)：N=32 b。

從資源消耗和精度的綜合考慮，采用了8位的查找表(IP核)來生成正弦余弦波，所以從累加器輸出的相位信號(hào)必須截取高8位作為查找相位數(shù)據(jù)輸入到查找表，輸出正弦余弦信號(hào)也為8位。其具體實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)如圖2所示。