（通信与信息系统专业论文）大容量扩频通信机关键技术fpga实现技术研究.pdf

摘要 摘要 无线通信因为发射功率小，设备简单，通信方式灵活，抗毁性强等优点成为 无线部门和其他远距离通信和指挥的重要工具。就通信的顽固性，机动性和灵活 性而言，无线通信也具有一定的的优越性。在无线通信系统的研制中，通信速率 与抗干扰性能是衡量通信系统水平的关键。大容量扩频通信机研制的项目在这两 方面都达到了国内先进水平。 本文作为大容量扩频通信机项目的关键组成部分之，研究了使用现场可编 程器件( f p g a ) 来设计与实现时间与频率同步技术，数字上变频与下变频技术以及 f p g a 与终端、d s p 、蜘) 、d a 的接口技术等相关问题。论文主要内容如下： 针对时间与频率同步技术，本文首先介绍了一种适合本系统的时间与频率同 步算法。然后，将同步过程分为基于短序列的时间同步、基于长序列的时间同步 结束检测、基于长序列的频率同步三个部分详细讨论其实现技术。最后，通过比 较在d s p 中与在f p g a 中所实现的同步的性能，结合所使用资源的分析，证明了 在f p g a 中实现对时间与频率同步技术是可行的。 针对数字中频实现技术，本文首先介绍了其基础理论。然后将整个中频系统 划分为c i c 滤波器、c i c 补偿滤波器、混频电路分别讨论其实现技术。通过理论 分析和仿真确定了c i c 滤波器的参数；讨论了c i c 补偿滤波器中滤波器阶数对补 偿性能的影响；分析比较了混频电路部分的实现方式，最后采用查表法实现并分 析了其性能。 在本系统中，由于需要终端、d s p 、f p g a 等的相互配合完成整个通信任务， f p g a 与外部器件的接口是实现的关键问题之一，依据系统的具体情况，本文提出 了f p g a 与终端、d s p 接口的实现要求并最终给出了解决方案。 大容量扩频通信机系统已经完成室内有线及室外无线的通信测试，测试结果 满足系统要求。这进一步证明了本文所描述的f p g a 实现在实际应用中的可行性。 关键词：时间同步，频率同步，数字中频，c i c 滤波器，c i c 补偿滤波器 第1 页 a b s t r a c t a b s 仃a c t b e c a u s eo fh a v i n gm a n ym e r i t ss u c ha ss m a l lt r a n s m i tp o w e r , s i m p l ee q u i p m e n t ， a g i l i t yo f c o m m u n i c a t i o n m o d e , a n ds 仃o n g a n t i d e s t r o i e d a b i l i t y , w i r e l e s s c o m m u n i c a t i o nb e c o m e sa ni m p o r t a n tt o o lo fw i r e l e s s d e p a r t m e n ta n do t h e r t e l e c o m m u n i c a t i o na n dc o m m a n d a sf o rc o m m u n i c a t i o n a lh a r d n e s s ，f l e x i b i l i t ya n d a g i l i t y , w i f e l e s sc o m m u n i c a t i o na l s oh o l d si t su n s u r p a s s e da d v a n t a g e s c o m m u n i c a t i o n r a t ea n da n t i - j a m m i n ga b i l i t ya r et w ok e y st ow e i g h tt h el e v e lo fac o m m u n i c a t i o n s y s t e m t h es y s t e ml a r g ec a p a c i t ys p e c t r u ms p r e a d i n gc o m m u n i c a t i o ns y s t e md e v e l o p e db y u sh a sb e e na c h i e v e dd o m e s t i ch i g hl e v e la tt h o s et w oa s p e c t s a sak e y p a r to f l a r g ec a p a c i t ys p e c t r u ms p r e a d i n gc o m m u n i c a t i o ns y s t e mp r o j e c t ，t h i s t h e s i si n v e s t i g a t e st h ed e s i g na n dr e a l i z a t i o no fa y n c h r o n i z a t i o nt e c h n i q u ei nt i m ea n d f f e q u e n c ed o m a i n ，d i g i t a ld o w nc o n v e r t e ra n dd i g i t a lu pc o n v e r t e rt e c h n i q u e ，a n d i n t e r f a c et e c h n i q u eb e t w e e nf p g aa n dt e r m i n a l ，d s p , a d ，d a , a n ds o m eo t h e r c o r r e l a t i o np r o b l e m su s i n gf p g a t h em a i nc o n t e n t so f t h i sd i s s e r t a t i o na r es u m m a r i z e d a sf o l l o w i n g ： a i m i n ga tt i m ea n df r e q u e n c ys y n c h r o n i z a t i o nt e c h n i q u e ，a f t e ri n t r o d u c i n gt h e a l g o r i t h mo ft i m ea n df r e q u e n c ys y n c h r o n i z a t i o nw h i c ha d a p t t oo u rs y s t e m ，t h i st h e s i s d e v i d e st h es y n c h r o n i z a t i o np r o c e s si n t ot h r e ep a r t st od i s c u s si nd e t a i l ，i n c l u d i n gt i m e s y n c h r o n i z a t i o nb a s e do ns h o r ts e r i a l ，d e t e c t i n gt h ee n do ft i m es y n c h r o n i z a t i o nb a s e d o nl o n gs e r i a l ，a n df r e q u e n c es y n c h r o n i z a t i o nb a s e do nl o n gs e r i a l t h i st h e s i si n t r o d u c e st h eb a s i st h e o r yo fd i g i t a li n t e r m e d i a t ef r e q u e n c y , p a r t i t i o n s t h ew h o l ei n t e r m e d i a t ef r e q u e n c ys y s t e mi n t oc i cf i l t e r , c i cc o m p e n s a t i o nf i l t e ra n d m i x i n gc i r c u i t ，a n dd i s c u s s e st h e i rr e a l i z a t i o nr e s p e c t i v e l y a c c o r d i n gt ot h e o r ya n a l y s e a n ds i m u l a t i o n ，w e ) v oc o n f i n n e dp a r a m e t e r so fc i cf i l t e r , i n v e s t i g a t e dt h ea f f e c t i o nt o t h ep e r f o r m a n c eo f c o m p e n s a t i o nc a u s e db yf i l t e rs t e p si nc i cf i l t e r , a n da n a l y s e db o t h m i x i n gp a r ta n di t sp e r f o r m a n c e i n t e r f a c eb e t w e e nf p g aa n de x t e r i o rd e v i c ei sam a i np r o b l e mo fr e a l i z i n gt h i s s y s t e m b a s e do nt h ee m b o d yr e q u e s t ，t h i st h e s i sp r e s e n t st h ep u r p o s ew h i c ht h e 第页 i n t e r f a c eb e t w e e nf p g aa n dt e r m i n a l ，d s pw a n tt oa c h i e v e f i n n a l l y , as o l u t i o ns c h e m e i sg i v e n 第m 页 图目录 图目录 图1 1 大容量扩频通信系统结构简图2 图2 - 2 发射机基带信号处理流程示意图5 图2 3 接收机基带信号处理流程示意图5 图2 4 硬件结构框图6 图2 5 大容量扩频通信机系统数据传输及处理过程6 图2 - 6 数字中频部分结构简图7 图2 7 同步运算结构简图8 图3 8 同步训练帧结构1 2 图3 - 9 相关运算实现结构1 6 图3 1 0 时间同步运算结构框图1 7 图3 - 1 1 时间同步顶层模块外部引脚图1 7 图3 1 2 同步实现仿真波形1 8 图3 1 3 同步实现仿真波形局部放大1 8 图3 1 4 时间同步结柬检测实现结构图1 9 图3 一1 5 时间同步结束检测顶层模块外部引脚图1 9 图3 1 6 时间同步结束检测仿真波形2 0 图3 1 7 频率同步实现结构图2 l 图3 1 8 频率同步项层模块外部引脚图2 1 图3 - 1 9 频率同步仿真波形2 2 图4 2 0 抽取的时域示意2 6 图4 2 1 抽取器框图2 6 图4 2 2 整数倍内插时域表示2 7 图4 2 3 完整的内插器框图2 7 图4 2 4 实信号的正交基带变换2 9 图4 - 2 5 实信号的数字正交基带变换3 0 图4 - 2 6 本系统使用的d = 1 0 0 的五级c i c 滤波器幅频特性图3 2 图4 - 2 7 本系统使用的d = 1 0 0 的五级c i c 滤波器幅频特性图局部放大3 2 图4 2 8 最优化单级c i c 滤波器结构3 3 第页 图目录 图4 2 9 多级c i c 抽取器结构图3 3 图4 - 3 0 多级c i c 内插器结构图3 4 图4 31q u m u s 下c i c 抽取器模块接口图3 4 图4 3 2c i c 抽取器的q u a r t u s 仿真结果3 5 图4 3 3q u a m l s 下c i c 内插器模块接口图3 5 图4 3 4c i c 内插器模块的q u a n l l s 仿真结果3 6 图4 3 5 四种不同阶数的补偿滤波器幅频响应 图4 。3 6 四种不同阶数的补偿滤波器幅频响应局部放大3 8 图4 3 72 0 阶补偿滤波器与c i c 滤波器的频谱叠加响应3 9 图4 3 82 0 阶补偿滤波器与c i c 滤波器的频谱叠加响应局部放大3 9 图4 3 98 、2 0 、3 0 、2 0 0 阶补偿滤波器与c i c 滤波器叠加频谱特性对比4 0 图4 - 4 08 、2 0 、3 0 、2 0 0 阶补偿滤波器与c i c 滤波器叠加频谱特性对比通带放大 2 i ( 1 图4 - 4 1 常用的f i r 滤波器f p g a 结构。4 2 图4 4 2q u m u s 下补偿滤波器模块接口图4 2 图4 4 3 补偿滤波器的q u a r t u s 仿真结果4 3 图4 _ 4 4 查找表法实现n c o 的框图4 4 图4 4 5 数字中频发送端结构 图4 4 6 数字中频接收端结构4 6 图4 ，4 7q 1 1 f f f t u $ 下n c o 模块接口图4 6 图4 4 8n c o 的q u a r h l s 仿真结果4 7 图4 4 9 不同信噪比下通过与不通过数字中频系统的误码率比较4 7 图4 5 0 数字中频部分的性能测试链路4 8 图4 5 l 同步信号及其经过上下变频后时域波形局部放大比较4 8 图4 5 2 同步信号及其经过上下变频后频域波形局部放大比较4 9 图5 5 3 附加一块小r a m 保存串口不确定的数据的结构框图5 2 图5 ，5 4 使用f i f o 存储数据的结构框图5 3 图5 5 5a d s p t s 2 0 1 中d m a 的读时序5 4 第v i i 页 表目录 表目录 表2 - 1q u a r t u si i 对f p g a 资源使用情况的分析9 表3 1 时间同步项层模块外部引脚说明 表3 - 2 时间同步结束检测顶层模块外部引脚说明1 9 表3 3 频率同步顶层模块外部引脚说明2 1 表3 - 4 时频同步资源使用表2 2 表3 5 同步性能测试结果【1 2 】2 3 表4 1 带通采样的频率。2 5 表4 - 2 多级c i c 抽取器接口说明表3 4 表4 - 3c i c 内插器模块接口说明表。3 5 表4 42 0 阶f 取补偿滤波器的系数4 1 表4 5 补偿滤波器接口功能说明表4 2 表4 6n c o 模块接口功能说明表4 6 表4 7 数字中频部分资源使用表4 9 表6 - 1 误码率性能测试结果f 1 2 1 5 5 第页 缩略语 缩略语 d f r d i s e r e t ef o u r i e rt r a m f c ) i t i i i n v e r s ed i s e r e t ef o u r i e r ) f t t r a n s f 0 1 t n i c ii n t e r - c a r d e ri n t e r f e r e n c e c p c y c l i cp r e f i x i s i i n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c e p ns e q u e n c ep s e u d on o i s es e q u e n c e ， v e r yl a r g es c a l e v l s i i n t e g r a t i o n a d d i t i v ew 髓t eg a u s s i a n a w g n n e l s e f f tf a s tf o u r i e rt r a n s f o t i n f ti n v e r s ef a s tf o u r i e rt r a n s f o f l f l s n r s i g n a lt on o i s er a t i o 第页 离散傅里叶变换 离散傅里叶逆变换 子载波问干扰 循环前缀 符号间干扰 伪随机序列 超大规模集成电路 加性高斯白噪声 快速傅里叶变换 快速傅里叶逆变换 信号噪声比 符号表 e 【】 r e c t ( ) e x p ( ) 占 | | ( ) ( ) 日 么( ) m a x 】 l g 【】 符号表 数学期望 矩形函数 以。为底的指数函数 冲激函数 模 复数、复向量的共轭 复向量的转置共轭 复数的辐角 求最大值 以1 0 为底的对数 第x 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：日期：年月 日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，“允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：型女鱼导师签 e l 期： 第一章引言 第一章引言 1 1 短波通信概述 短波是电磁波的一种，通过开放性的自然空间和地球传输。短波通信利用的 电磁波其波长大约在1 0 1 0 0 米范围内，其频率约为1 5 3 0 兆赫兹。地面、海洋、 大气层、地球本身的电磁场及外部的宇宙射线都将影响短波的传输性能。 短波的传播主要有两种形式：地波和天波。沿大地与空气的分界面传播的电 波叫地表面波，简称地波。地波不受气候影响，可靠性高，但传输距离较近。短 波地波信号可以沿海面传播1 0 0 0 公里左右，短波信号沿地面最多只能传播几十公 里。天波是依靠电离层的一次或多次反射而实现远距离传输的。通常一次反射传 输的最大地面距离可达4 0 0 0 公里，多次反射能传输上万公里。 天波传播是短波长距离通信的主要方式，它利用电离层的反射传送信息。由 于电离层是分层、不均匀、各向异性、随机、有时空性的介质，所以短波信道存 在频率选择性衰减、多径时延、幅度衰落、多普勒频移、频移扩散、白噪声和电 台干扰等一系列复杂现象。传统的单载波短波通信系统的性能在很大程度上取决 于系统设计对信道传输补偿的效果。总的来说，短波信道是一种在时域、频域、 空域上都有变化的色散信道，这种信道的不稳定性使短波具有频带窄、容量小、 速率低、相互干扰严重的特点。 短波通信的特点有： 1 ，信道复杂 短波信道是一种在时域、频域、空域上都有变化的色散的信道，这种信道的 不稳定性使短波具有频带窄、容量小、速率低、相互千扰严重的特点。 2 ，通信距离远 利用天波传播，短波单次反射最大地面传输距离可达4 0 0 0 k m ，多次反射可达 上万千米，甚至作环球传播。 3 ，顽存性强 第1 页 电子科技大学硕士学位论文 短波通信设备目标小，架设容易，机动性强，不易被摧毁，即使遭到破坏也 容易更换修复。又由于其造价相对较低，可以大量装备，所以系统顽存性强。 4 ，信道拥挤 短波波段频带窄，特别是通信可用的瞬时频带窄。在迎来了它的又一个高速 发展新阶段的同时，随着越来越多的短波电台的应用，信道日渐拥挤。 1 2 大容量扩频通信系统简介0 1 本通信系统主要由终端、通信机、及天线3 个部分组成，其结构如图1 - 1 所示。 发送部分和接收部分具有类似的结构。本系统的主要工作就集中在大容量扩频通 信机的研制上。 图1 - 1 大容量扩频通信系统结构简图 本系统的主要工作就集中在大容量扩频通信机的研制上。大容量扩频通信机 由数字中频、基带处理模块( 发送d s p 和接收d s p ) 组成，功能分为发送和接收两 部分。发送和接收两块d s p 独立工作，需要通过l i n k 口传输一些必要的反馈或参 数信息，并在双工方式下通过f p g a 内的缓存交换必要的信息。 发送基带处理主要由发送d s p 完成，包括编码、交织、调制、组帧和控制等， 并由发送d s p 在信息数据前加入同步头，产生的基带信号由f g p a 经过数字中频 上变频后送至天线部分。 接收基带处理主要由接收d s p 完成，其过程与发送处理过程相反。接收信号 经天线部分下变频至中频后与f p g a 内的数字中频混频，经过滤波及再次下变频 后变为数字基带信号。基带信号首先进行同步检测，后送至接收d s p ，接收d s p 再完成对信息数据的解调、解交织、译码和控制等处理。 第2 页 第一章引言 1 3 研究目的 本文的目的是研究大容量扩频通信机的同步算法以及数字中频系统、接口算 法在本硬件系统中的实现，有针对性地设计同步算法的实现方式、数字上下变频 器的关键参数及实现。 同步实现方面，算法是由项目组其他成员提供，性能已经通过仿真验证。本 文的研究内容是找到较为优化的实现方案，用较少的资源，尽量达到在进行算法 仿真时能所达到的性能。 本文设计的数字中频发射机部分要将d s p 送来的基带信号处理成信道机指定 特性的中频信号，接收机部分要将信道机输出的中频信号处理成d s p 所能接受的 基带数字信号。先根据数字通信原理以及大容量扩频通信机系统的整体构架设计 合适的中频结构，然后通过仿真软件m a t l a b 仿真比较，确定一种拥有较好性能 而且便于实现的中频结构，并对中频信号处理流程建模，通过仿真确定该中频结 构中数字上下交频器中所需的滤波器参数，以及可以获得的误码率。最后使用 q u a r t u s 软件在f p g a 上实现整个通信系统数字中频部分。 接口方面，找到合适的方案，实现将终端、f p g a 、d s p 良好的结合起来，相 互配合完成通信任务。 1 4 论文内容及结构 本文研究的重点是同步、数字中频、接口在f p g a 上的实现。详细论述了如 何将提出的算法在f p g a 中得以验证，并最终作为通信系统的一部分，完成特定 的通信任务。本文就这一过程作了较为详细的论述。 本文的其余部分内容及安排如下： 第二章首先从系统的角度介绍了f p g a 中各个组成部分，其次根据对将要用 到的资源进行估计，并完成了f p g a 的选型。 第三章在给定同步算法的基础上，对在f p g a 上实现进行总结。由于时频同 步的运算较为复杂，本章将它们按照同步算法流程分成3 个部分详细讨论，最后， 对整个同步的实现进行了简单的性能分析，证明能满足系统设计的要求。 第3 页 电子科技大学硕士学位论文 第四章论述了数字中频部分的具体实现。首先在原理上对数字中频各个部分 加以了分析，为后面的实现打下了理论基础。此章最后，用一些测试数据对数字 中频部分加以了验证，说明此处设计的整个中频系统具有良好的性能。 第五章讲述了f g p a 与d s p ，f g p a 与终端的接口实现方式。 第六章对全文进行总结，列出本文的主要贡献，并指出一些有待改进的闯题 和进一步研究的方向。 第4 页 第二章大容量扩频通信机结构与模块划分 第二章大容量扩频通信机结构与模块划分 2 1 大容量扩频通信机系统结构 大容量通信机基带信号的处理过程如图2 2 和图2 - 3 所示【1 1 【2 】。 图2 - 2 发射机基带信号处理流程示意图 信号 颗偏校正 图2 - 3 接收机基带信号处理流程示意图 下面简单介绍大容量扩频通信机的硬件电路。该硬件电路参考了软件无线电 的设计思想，采用的是f p g a 加d s p 的架构( 参见图2 4 ) 。其中，基带处理部分 由两个a d i 公司的型号为t s 2 0 1 的d s p i 3 】来实现。数字中频、时频同步以及各 个外部接口都是通过一块a l t e r a 公司的f p g a 实现的，型号是e p l s 2 0 f 4 8 4 c 7 。 这两个器件的特性可以参考其公司资料，这里不作详细介绍。 本文的主要工作就是完成此硬件电路中的f p g a 设计部分。其中由硬件决定 而不能轻易改动参数有：中频频率为1 1 5 2 m h z ；d s p 接口的字长为3 2 b i t ，信号速 率是4 0 9 6 k b i t s t 串口速率1 1 5 2 k b i t s ，这是p c 串口所能支持大于6 4 k b i t s 的最 小速率。 第5 页 电子科技大学硕士学位论文 图2 4 硬件结构框图 2 2 大容量扩频通信机系统中f p g a 内部结构简介 图2 5 大容量扩频通信机系统数据传输及处理过程 第6 页 第二章大容量扩频通信机结构与模块戈n 分 为了能更清晰地说明f p g a 的内部结构，图2 - 5 给出了大容量扩频通信机系统 发送与接收过程中数据的传输及处理过程。由图可知，在f p g a 内部，主要完成 了三大部分的功能：数字中频部分，同步运算部分，以及接口部分。以下将对这 三个部分进行详细介绍。 2 2 2 数字中频部分 数字中频部分主要完成将基带信号内插至中频信号( 发送端) 及将中频信号采 样成基带信号( 接收端) 。它是连接d s p 的基带处理，与a d ，d a 的中频处理的 桥梁。 数字中频部分主要由三部分组成： l ，级联积分梳状( c a s c a d ei n t e g r a t o rc o m b ，c i c ) 滤波器。用于进行抽取与 内插。其原因是c i c 滤波器不使用乘法器，可以达到很高的运算速率。 2 ，c i c 滤波器的补偿滤波器。由于c i c 滤波器的缺点是通带内有显著的高频 下跌，如果应用到窄带信号上，可以利用通带内其较为平坦的一段。对于本系统 的频带较宽的基带信号，需要采用补偿滤波器才能获得平坦的通带内特性。 3 ，数字控制振荡器( n u m e r i c a l l yc o n t r o l l e do s c i l l a t o r ，n c o ) 。其主要功能是 产生数字正余弦信号序列，主要应用于数字混频器和数字频率合成器等方面。n c o 具有频率转换时间短，频率、相位和幅度均可以实现可编程控制，输出的频率稳 定度与系统的时钟稳定度相同等一系列优点。本系统中的n c o 完成将内插后的高 速数据由零频搬至中频，以及将接收到的高速数据由中频搬至零频。 数字中频部分结构框图如图2 - 6 所示。 c i c 滤波 c i c 器的 内插 信源 - 9n c o 补偿滤波 滤波器 器 数字中频中的上变频 c i c c i c 滤波 抽取器的 n c o +解调 滤波补偿 器滤波 器 图2 6 数字中频部分结构简图 第7 页 数字中频中的下交频 电子科技大学硕士学位论文 2 2 3 同步运算部分 同步运算的功能是在接收端对下变频后的基带数据进行运算，算出时间同步 点并进行频偏估计。以便能依据时间同步值及频偏估计值恢复出需要用于解调的 数据。 同步运算部分由以下三部分构成： 1 ，移位抽取r a m 。由于时间同步点的运算需要进行滑窗相关，在进行基于 f p g a 的同步算法实现设计时，考虑到资源使用的最小化以及计算效率，采取对数 据进行实时处理的方式。将经过数字下变频处理后的中频信号送到一定长度的移 位抽取r a m 中，移位并通过4 倍抽取( 此处进行4 倍抽取，是由于在发送端，为 了提高同步精度而进行了4 倍过采样) ，然后1 2 8 路( 时间同步采用长度为1 2 8 的 p n 序列1 并行输出，再与本地长度为1 2 8 的p n 序列进行相关，计算出时间同步点。 2 ，p n 序列r o m 。在进行时间同步结束点检测时，需要将输入序列与长度为 5 1 2 的p n 本地序列进行相关。p n 本地序列就存储在此r o m 中。 3 ，同步运算模块。此模块完成同步运算，计算出时间同步点并进行频偏估计， 给出运算结果供后续处理。 同步运算结构简图如下图所示： l 移位抽黜m h 运算 叫燃 图2 7 同步运算结构简图 果 2 2 4 接口部分 从图2 5 可见，f p g a 与外部接口由四部分组成，f p g a 与j t a g 之间的接口， f p g a 与a d 、d a 之间的接口，f p g a 与d s p 之间的接口，以及f p g a 与串口 之间的接口。而f p g a 与j t a g 之间的接口完全由硬件实现，本文不作详细讨论。 l ，f p g a 与a d 、d a 之间的接口。此接口实现数字部分与模拟部分的转换， 其关键在于使f p g a 给出的同步时钟与数据总线的时序很好的配合。 第8 页 第二章大容量扩频通信机结构与模块划分 2 ，f p g a 与d s p 之间的接口。f p g a 与d s p 之间不仅存在数据的交换，还有 控制字与状态字的交换，以使f p g a 与d s p 能够正常地配合工作。保证数据、控 制字、状态字的正确与及时传输是本接1 2 1 设计的关键。 3 ，f p g a 与串口之间的接口。设计本接口的思路，是先将从串口接收到的数 据存在一块存储区中，到一定长度后，启动直接内存存取( d i r e c tm e m o r ya c c e s s ， d m a ) 将数据搬移至d s p 。因而，本设计的目的就是实现相应的电路，将串口方式 与d m a 方式的数据传输结合起来。由于a d s p - t s 2 0 1 的d m a 方式的每一次传 输数据都是定长的，这就要求串口最好能在传输完此固定长度数据后能暂停下来， 等待下一次d m a 。然而，由于串口的数据传输存在对清除发送( c l e a r t os e n d ，c t s ) 控制信号的检测及响应不一定是及时，这给设计带来了一定难度，解决这一问题 正是本设计的关键之一。 2 3f p g a 选型 f p g a 的选型是基于f p g a 需要完成的功能，所要使用的存储空间，以及整个 f p g a 需要达到的性能等等因素。从上一节对f p g a 内部结构的分析，可以提出对 所要使用到的f p g a 的一个整体要求。在代码编写完成并经过功能仿真验证后， 使用q u a r t u s i i 工具软件进行综合和布局布线，得到的资源使用情况如表2 - 1 所示 ( 其中，逻辑单元单位为软件q u a r t u s i i 综合后报告的l o g i cd e m e n t s ) 表2 1q u a r t u si 【对f p g a 资源使用情况的分析 具体模块逻辑单元 存储单元( b i t s )乘法器个数( 1 6 x1 6 ) 数字 c i c 滤波器( 2 个) 4 5 3 o0 中频 补偿滤波器( 2 个) 9 3 4ol l 部分 n c o1 31 6 3 8 4 2 同步部分时频同步 6 2 3 5 3 4 3 6 8 8 接口 与d s p 接口 9 03 9 3 2 1 6o 与p c 接口 1 7 44 0 0 0 0o 部分 与a d 、d a 接口 oo o 总计 9 2 8 6 4 8 3 9 6 8 3 2 1 ，数字中频部分：参照图2 - 6 数字中频部分结构简图，数字中频中的c i c 滤 波器结构比较简单，仅需少量的逻辑单元就能实现。补偿滤波使用阶数为2 1 的f i r 滤波器，因而用到了1 1 个乘法器。n c o 主要是由正弦信号的查找表加上一个地址 发生器组成，因而需要较多的存储单元。注意这里由于信号分为实虚两路，故需 要两个c i c 滤波器和补偿滤波器。 第9 页 电子科技大学硕士学位论文 2 ，同步部分：同步部分的时间同步主要是进行长度为1 2 8 的输入序列与本地 序列的滑窗相关运算，由于本地序列是值为正负1 的p n 序列，相关的乘法就转换 成了加法。这里，主要要耗费的f p g a 资源为逻辑运算单元以及触发器，不需要 专用存储单元。频率同步部分主要是计算长度为5 1 2 的前后两个输入序列的相关。 这里要用到逻辑单元，触发器，几个字长为1 6 乘法器，及少量存储单元。 3 ，接口部分：接口部分完成数据在f p g a 与外部设备之间传输，由于f p g a 与d s p 和p c 在不同的时钟域，故使用双口r a m 来保证数据传输的正确性。因而 对存储空间的需求比较大。 将以上3 部分的所有需要的资源共为：逻辑单元9 2 8 6 个l c g i ee l e m e n t s ，存储 单元4 8 3 9 6 8 b i t s ，乘法器( 1 6 x1 6 ) 3 2 个。通过比较各个型号f p g a 参数，并考虑一 定的余量。最后选择a i 胍r a 公司s 仃a f i x 系列型号为e p l s 2 0 f 4 8 4 c 7 的f p g a 。 s 仃a t i x 器件系列采用1 5 v 、0 1 3 u r n 全铜s r a m 工艺，为满足高带宽系统的需 求进行了优化。具有非常高的内核性能、存储能力、架构效率。s 仃a t i x 器件系列提 供了专用的功能用于时钟管理和数字信号处理( d s p ) 应用及差分和单端i o 标准。 此外，还具有片内匹配和远程系统升级能力。s t r a t i x 器件系列是功能丰富的高带宽 系统方案，开创了可编程芯片系统( s o p c ) 方案的新纪元。其主要具有以下优异 的性能【4 】： 高性能架构：高性能s 觚i 】【器件架构经由速度优化的互连结构和高效的时钟 网络构成，它们连接逻辑单元( l e ) 、t d m a t r i x 存储块、数字信号处理( d s p ) 块、 锁相环( p l l ) 和i o 单元( i o e ) ，获取最大的系统性能。 t r i m a t r i x 存储器：t r i m a t r i x 存储器具有多达7 m b i t 的r a m 和8 t b p s 的器件 存储带宽。这种复杂的存储结构包括三种大小的嵌入r a m 块，m 5 1 2 、m 4 k 和 m r a m 块，可配置支持广泛的应用。 d s p 块：s t r a t i x 器件包括高性能嵌入式d s p 单元，它为d s p 应用进行了优化。 d s p 块消除了d s p 应用中的性能瓶颈，具有可预测和可靠的性能，能够节省资源 而不影响性能。 时钟管理电路：具有多达1 2 个可编程p l l 和4 0 个系统时钟，具有健全的时 钟管理和频率合成能力，以获得最大系统性能。 2 4 本章小结 第1 0 页 第二章大容量扩频通信机结构与模块划分 本章首先介绍了大容量扩频通信机的整体系统方案结构，以及实现当中的硬 件结构框图。接下来迸一步较为详细地讨论了硬件结构中f p g a 部分所包含的各 个功能模块，并大致介绍了这些功能模块在f p g a 中的实现。本章的最后，结合 功能模块的复杂度，在参考软件q u a r t u s i i 综合后报告的情况下，确定了选用的 f p g a 型号。 第1 1 页 电子科技大学硕士学位论文 第三章大容量扩频通信机同步技术实现 3 1 系统同步帧结构 目前有很多常用的时频同步方案1 5 1 【6 】，在本系统的同步算法确定过程中，也做 了大量的理论研究及仿真验证，最终采用基于p n 序列的同步方案。这方面的具体 工作参见参考文献【7 】。此同步方案采用在时域发送训练帧的方法，在时域完成时 间同步和频偏估计。用于时间同步的序列周期长度为k = 1 2 8 ( 周期长度为1 2 7 的m 序列补一位零) ，为了增大捕获概率、降低虚警概率，用于时间同步的训练序列由 连续4 个相同长度为1 2 8 的短序列组成。当同步检测到某一个短序列时，用其后 紧跟的短序列做虚警验证。 本系统所用晶振的稳定度是0 5 p p m ，对于高频频段2 3 0 m h z ，晶振引起的载 波最大频率偏差为1 5 h z 。一般来说，在平静时期短波信道的多谱勒频的值大概为 0 0 1 1 h z ；而在其他时闻，其值大约在1 h z - - - 2 h z 的范围内；当电离层发生骚动时， 多谱勒频移可达5 1 0 h z ，当发生太阳磁暴时最大可达到5 0 h z ，但这种情况持续时 间一般较短，通常只有几分钟时间，而且发生的概率很4 , t g j 。因此本系统对频偏估 计的范围要求并不高，为了保证估计精度，采用两个长度l = 5 1 2 ( 周期长度为5 1 1 的n l 序列补一位零) 的长序列实现频率同步，频偏估计范围为吲 o ，则，就为第一个长序列的起始位置；若y ( ，) o ， 则取，；l + 1 2 8 4 ，重复( 3 - 1 0 ) 至0 ( 3 1 2 ) 的操作( 注：这里重复次数不超出短同步头的 范围、。 3 2 3 基于长序列的频率同步 第1 4 页 第三章大容量扩频通信机同步技术实现 在第一个长序列的起始位置通通过两长序列的相关进行频偏估计。两个长序 列分别记作 彳= r ( ，) ，r ( z + 4 ) ，( 1 + 5 1 1 4 ) ( 3 - 1 3 ) ，。= ，( “5 1 2 4 ) ，( t + ( 5 1 2 + 0 4 ) ，( 1 + ( 5 1 2 + s 1 0 4 ) ( 3 - 1 4 ) 计算两序列相关 ，。= r - - i i + b 5 l a 4 彳 ( 3 i s ) 则频率偏移的估计值为 夕一蕊艺 ( 3 - 1 6 ) 其中k = 5 1 2 为长序列长度，乙。= o o l 1