直擴系統PN碼捕獲和跟蹤的FPGA實(shí)現

摘要：在數字匹配濾波器和超前滯后鑒相環(huán)路的理論基礎上，采用VHDL編程，在FPGA芯片上實(shí)現PN碼捕獲和跟蹤的電路。詳細討論了各電路模塊的設計實(shí)現方法。完成電路的仿真驗證，給出了仿真波形。結果表明電路工作正?？煽?，系統擴展方便靈活，滿(mǎn)足設計要求。
關(guān)鍵詞：FPGA；PN碼捕獲；PN碼跟蹤；數字匹配濾波器；超前滯后環(huán)路

在接收機端，為了接收到正確的信號，必須使得本地PN碼與接收信號PN碼嚴格同步。PN碼同步的過(guò)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(zhù)可編程邏輯器件FPGA的大規模使用，數字電路系統的設計變得更加靈活和方便，并且易于系統維護和更新。本設計采用VHDL編程，用FPGA實(shí)現了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R(τ)，利用此特性，讓接收信號依次劃過(guò)本地PN碼，并進(jìn)行相關(guān)運算，當兩者同步時(shí)，相關(guān)值達到相關(guān)峰值，大于預先設定的門(mén)限，表明此時(shí)完成捕獲。圖2(b)中虛線(xiàn)①是自相關(guān)函數向右移Tc／2之后的自相關(guān)函數R(τ-Tc／2)，虛線(xiàn)②是自相關(guān)函數向左移Tc／2之后的自相關(guān)函數R(τ+Tc／2)，而實(shí)線(xiàn)是R(τ-Tc／2)減去R(τ+Tc／2)之后的S型鑒相曲線(xiàn)D(τ)。當τ=0時(shí)，鑒相結果為0，表明本地PN碼與接收信號同步。當τ≠0時(shí)，鑒相器輸出正或負的極性結果，調整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。捕獲常用數字匹配濾波器法。數字匹配濾波器法雖然電路結構較復雜，消耗資源較多，但捕獲過(guò)程很快，通?？梢栽谝粋€(gè)PN碼周期內完成。用數字匹配濾波器法捕獲擴頻碼時(shí)，以靜止的本地PN碼作為濾波器的抽頭，接收到的信號序列依次劃過(guò)本地PN碼，每一個(gè)時(shí)刻都可以產(chǎn)生一個(gè)相關(guān)結果。當兩個(gè)序列相位對齊時(shí)，相關(guān)結果將有一個(gè)相關(guān)峰值(擴頻序列在零相位時(shí)的自相關(guān)函數值)輸出，相關(guān)值大于預先設定的門(mén)限時(shí)表示捕獲成功，此時(shí)接收信號與本地PN碼粗同步，同步在一個(gè)PN碼元時(shí)長(cháng)，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。輸入擴頻信號分別和超前、滯后1／2個(gè)碼元周期的PN碼進(jìn)行相關(guān)運算，兩者相關(guān)值之差作為鑒相結果輸入至碼時(shí)鐘生成器來(lái)調整PN碼相位，保持本地PN碼與接收信號之間的嚴格同步。同時(shí)擴頻信號與本地PN碼相關(guān)之后解擴輸出。若連續幾次失步，則重新轉入捕獲階段，進(jìn)行粗同步。