FPGA设计方案自动频率相位跟踪电路.docx

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FPGA设计方案自动频率相位跟踪电路

封面

作者：

PanHongliang

仅供个人学习

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简况、发展和背景，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QuartusII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

DesignofAutomaticFrequency、PhaseTrackingCircuitBasedonFPGA

ABSTRACT

Spreadspectrumtechniqueswhichisusedbythearmy,havetheexcellentcharacteristicsofbeingsecret,concealedandtorejectinterferenceandmulti-pathdecline.Thereforeithasaspreadapplicationforeground.ManyforeigncompanieshavedevelopedmanypowerfulspreadspectrumapplicationICs,whichhavethedisadvantagethatthesecondary-developmentisverylimit.Thetraditionalanalogysystemsexistthedisadvantagesofbigcubage,highpowerconsume,andlowdependability.WiththefastdevelopmentofmicroelectronicsandElectronicsDesignAutomation（EDA）techniques,theprogrammablelogicdevicessuchasFPGAandCPLDhavebeenwidelyusedinthefieldofdigitalsignalprocessingforitsflexibledesignandfastverifying.

Thispapermostlyintroducesandimplementesthereceivingsystem,thereceiverunitmainlyconsistedofthedigitaldownconverter,matchedfilter,differentialdemodulator,outputprocessorandAFCmodule.Andthispaperintroducesthegeneralsituationofspreadspectrumsystem,developmentandbackground,alongwithwirelesschannelenvironment.Werealizethecorrelationtheoryofwirelesscommunicationsystemsbasedontheprincipleofspreadspectrumtechnology,whichtherelativedespreadspectrumofthesignal,basebandmodulationanddemodulation,channelcoding,thesynchronizationandsoon.Thekeystudyofthispaperisdirectsequencespreadspectrumtheory.Italsoanalyzestheoreticallythephaselockedloopandfrequencylockedloop.Ithasdesignedtheprojectofthereceiverunit,whichincludedifferentialdemodulatorandAFCmodule.ItdesignsandimplementsthemoduleofthecarrierfrequencytrackingandcarrierphasetrackingbasedonFPGA.ItcarriesthroughfunctionalsimulationandwaveformsimulationinthesoftwaredevelopmentenvironmentofQuartusII.

Keywords:

SpreadSpectrumcommunication,FPGA,direct-sequencespreadspectrum,AFC,

Carriertracking

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=fλ式中：

c为光速，f和λ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。

图1-1模拟无线通信系统框图

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，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，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。

[1]

1.3扩频通信背景及意义

扩频通信，即扩展频谱通信（SpreadSpectrumCommunication），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，MarvinK.Simon等人编著的《SpreadSpectrumCommunicationsHandbook》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.l1b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，主要都是来自国外的芯片供货商，如Harris,AMI,ZLOG,StandfordTelecom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IPCore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（SoftwareDefinedRadio）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工程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。

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。

1.4FPGA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（FieldProgrammableLogicDevice,FPLD），其中应用最广泛的当属现场可编程门阵列（FieldProgrammableGateArray,FPGA）和复杂可编程逻辑器件（ComplexProgrammableLogicDevice,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QuartusⅡ简介

作为Altera的新一代开发软件，QuartusII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。

QuartusII的设计输入方法有多种，可以灵活选择使用。

原理图输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。

QuartusII支持VHDL,VerilogHDL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。

QuartusII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，QuartusII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，进行实验验证。

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。

1.6VHDL简介

作为符合IEEE-1076标准的硬件描述语言HDL（hardwaredescriptionlanguage），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、QuartusII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。

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+S／N）式中，C是信息的传输速率（bit／s），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S／N。

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S／N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。

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