擴頻通信芯片STEL-2000A的FPGA實現(xiàn)

擴頻通信因其很好的保密性、隱蔽性、抗干擾性以及抗多徑效應(yīng)等優(yōu)勢得到了快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用。因此，許多公司推出了各種型號的擴頻集成電路，典型的有STEL-2000A，該芯片因外圍電路簡單而得到了廣泛應(yīng)用。
然而，由于該芯片是基于專用集成電路(ASIC)技術(shù)，其內(nèi)部電路和大部分功能已經(jīng)固化，對不同的場合缺乏靈活性，對以后系統(tǒng)升級也造成很大困難。而現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)內(nèi)部資源豐富，功能強大，并且可重復(fù)編程，現(xiàn)場可修改設(shè)計，加之其相應(yīng)的EDA軟件功能完善，仿真能力好，有豐富的IP核資源，在成本和靈活性等方面都有很大優(yōu)勢，使得利用FPGA進(jìn)行復(fù)雜數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計已成為主流。
近幾年來國內(nèi)外有許多學(xué)者利用FPGA對擴頻通信系統(tǒng)中的某一個模塊進(jìn)行設(shè)計，如：數(shù)控振蕩器、PN碼發(fā)生器、匹配濾波器。也有學(xué)者嘗試對整個系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計，但這些努力大多僅限于軟件上的功能仿真，并且對一些關(guān)鍵模塊缺乏清晰的描述。
本文對擴頻芯片關(guān)鍵模塊的實現(xiàn)方法進(jìn)行了闡述，并推導(dǎo)出詳細(xì)參數(shù)，基于ISE 10．1實現(xiàn)了整個系統(tǒng)，最后下載到FPGA芯片中調(diào)試成功。

1 STEL-2000A系統(tǒng)的整體框架
1．1 發(fā)射子系統(tǒng)
在發(fā)射子系統(tǒng)中，如圖1所示，輸入的串行二進(jìn)制數(shù)據(jù)序列首先進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換，分成兩路(I路和Q路)速率減半的序列，由于采用QPSK調(diào)制方式，為了避免相位模糊問題，在串并轉(zhuǎn)換后進(jìn)行差分編碼，然后將差分編碼器的輸出序列與PN碼生成器輸出的偽隨機序列進(jìn)行異或運算，完成信號的頻譜擴展，再將擴頻輸出的兩路數(shù)據(jù)分別與數(shù)控振蕩器(NumericallyContmlkd Oscillator，NCO)的兩路正交載波輸出各自相乘，最后將相乘后的結(jié)果相加，這樣就實現(xiàn)了DQPSK調(diào)制，輸出的是數(shù)字化的已調(diào)信號。

1．2 接收子系統(tǒng)
接收系統(tǒng)要完成數(shù)字中頻信號到基帶信號的轉(zhuǎn)換、信號的捕獲、同步、解擴、差分解調(diào)以及并串轉(zhuǎn)換等功能，如圖2所示。進(jìn)入接收系統(tǒng)的是經(jīng)正交采樣(Quadraturc Samping)后的數(shù)字中頻信號，經(jīng)下變頻器生成基帶信號，再將其輸出送入匹配濾波器。在匹配濾波器中，主要實現(xiàn)信號的同步與解擴。解擴后的數(shù)據(jù)進(jìn)行差分解調(diào)，差分解調(diào)過程中的中間結(jié)果送入自動頻率控制(Automatic Frequency Control，AF-C)模塊以生成校正信號來自動調(diào)整NCO的輸出頻率，最后將解調(diào)輸出數(shù)據(jù)經(jīng)并串轉(zhuǎn)換便得到原始數(shù)據(jù)序列。

2 關(guān)鍵模塊分析與實現(xiàn)
2．1 NCO模塊
NCO采用Xilinx公司提供的直接數(shù)字式頻率合成器(Direct Digital Synthesizer，DDS)IP核，DDS的工作原理如圖3所示，在參考時鐘的驅(qū)動下，N位加法器對頻率控制字K和N位累加寄存器中的值進(jìn)行相加，相加后的結(jié)果存入累加寄存器中，以累加寄存器中的值為地址將波形存儲器里相應(yīng)地址的數(shù)據(jù)讀出，即輸出正弦或余弦信號的幅度值。

累加寄存器長度為N，則波形存儲器2N用個樣點來表示正弦波的一個周期，地址每次累加K相當(dāng)于每隔K個點輸出一次，輸出一個完整的正弦波需要時間，則DDS的輸出頻率fout滿足關(guān)系式。當(dāng)K取1時輸出頻率為最大頻率分辨率。參數(shù)設(shè)置主時鐘為100 MHz，△f=1．0 Hz，可得N=27，由于要求的輸出頻率為2 MHz，可得：K=2 684 355。據(jù)此對DDS IP核進(jìn)行元件例化程序如下：