滑動(dòng)相關(guān)法偽碼捕獲的FPGA實(shí)現(xiàn)

引言

　　對(duì)于碼分多址的擴(kuò)頻通信方式而言，只有當(dāng)接收端本地偽碼與發(fā)端偽碼處于相同相位狀態(tài)時(shí)，有用的信息才能被解出。因此，擴(kuò)頻序列相位的捕獲與跟蹤是擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的關(guān)鍵，而偽碼序列相位的捕獲尤為重要。滑動(dòng)相關(guān)法是常用的方法之一。擴(kuò)頻通信系統(tǒng)要求實(shí)時(shí)性，以及較高的數(shù)據(jù)處理速度，這正是FPGA的優(yōu)勢(shì)。所以在擴(kuò)頻通信系統(tǒng)中，大量應(yīng)用FPGA芯片作為前級(jí)處理芯片。
實(shí)現(xiàn)原理

原理分析

　　接收機(jī)端接收到的擴(kuò)頻信號(hào)可以表示為：
 
　　其中，P_{r}為接收信號(hào)功率，τ_xtf9kwp為傳輸時(shí)延，D(t)為信息碼， PN(t)為偽碼， n(t)為傳輸過(guò)程的加性噪聲。擴(kuò)頻接收機(jī)要完成的任務(wù)就是去掉PN(T-τ_a7cl7t8) 偽碼項(xiàng)和cos(ω_{0}t+φ) 載波項(xiàng)，從而得到信息數(shù)據(jù)DZ(t)。
VCO輸出I、Q兩路信號(hào)：
通過(guò)同相正交相乘器得到：
 
　　利用PN碼的相關(guān)特性，即相位對(duì)齊時(shí)，相關(guān)結(jié)果最大。當(dāng)載波和碼相位都對(duì)準(zhǔn)時(shí)，經(jīng)過(guò)累加清洗（低通濾波）輸出為：
 
　　經(jīng)過(guò)平方相加可去掉載波對(duì)相關(guān)結(jié)果的影響，得到相關(guān)峰。

實(shí)現(xiàn)框圖

　　在直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)中，偽碼的捕獲是構(gòu)成碼同步系統(tǒng)的重要結(jié)構(gòu)，也是直擴(kuò)系統(tǒng)中必不可少的部分。接收機(jī)若要把偽碼擴(kuò)展的信號(hào)解出，接收方就必須能產(chǎn)生一個(gè)與發(fā)方一樣的偽碼序列(保證最大相關(guān)值)，而且，該本地偽碼速率、相位要與接收到的偽碼保持一致。對(duì)于約定好的收、發(fā)方用同一個(gè)偽碼很容易辦到，但是，如果要從解擴(kuò)相關(guān)器得到傳送的信息，僅僅保證一樣的碼型是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。因?yàn)榧词瓜嗤膫坞S機(jī)碼，當(dāng)相位差大于一個(gè)碼片時(shí)，它們的相關(guān)峰就完全消失。在實(shí)際通信中，由于收、發(fā)信機(jī)時(shí)鐘的不穩(wěn)定性，接收、發(fā)射時(shí)刻的不確定性，信道傳輸延遲及干擾等因素的影響，收、發(fā)偽碼序列的相位差是隨機(jī)的。因此解擴(kuò)的第一步就是要在接收信號(hào)的偽碼相位中捕獲到一個(gè)與本地偽碼一致的相位狀態(tài)。當(dāng)這種狀態(tài)出現(xiàn)時(shí)相關(guān)器就會(huì)有一個(gè)相關(guān)峰值輸出，峰值與門(mén)限相比，若超出則確定相位已捕捉到，立即停止捕捉動(dòng)作，轉(zhuǎn)入相位跟蹤狀態(tài)；若小于門(mén)限則改變本地碼相位，繼續(xù)進(jìn)行捕獲。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)原理如圖1所示。

實(shí)現(xiàn)方法

　　根據(jù)相位捕獲的方法可分為：連續(xù)相位滑動(dòng)相關(guān)法和在此思路上改進(jìn)的不連續(xù)相位相關(guān)法。

　　連續(xù)相位滑動(dòng)相關(guān)法
　　此方法是通過(guò)改變本地偽碼時(shí)鐘速率，與發(fā)端偽碼時(shí)鐘速率保持一個(gè)合適偏移量，使接收信號(hào)中偽碼相位與本地偽碼相位在相關(guān)器內(nèi)進(jìn)行相對(duì)滑動(dòng)。這種方法的相位捕獲是連續(xù)進(jìn)行的，所以相關(guān)峰值是一個(gè)連續(xù)量。相關(guān)值一旦超過(guò)捕獲門(mén)限，標(biāo)志正確相位已被搜索到，接收機(jī)立即恢復(fù)本地偽碼時(shí)鐘速率(收、發(fā)信機(jī)都使用穩(wěn)定度很高的振蕩源，所以它們的碼速率可以基本保持一致)，停止相位滑動(dòng)，啟動(dòng)跟蹤電路，使相位差進(jìn)一步縮小(意味著相關(guān)性增大)，獲得更高解擴(kuò)信噪比，滿足其后解調(diào)門(mén)限要求。此種捕獲方法捕獲時(shí)間和檢測(cè)概率相互矛盾。例如，對(duì)于一個(gè)N=215位的PN碼，兩偽碼之間最大相對(duì)滑動(dòng)速率約為5kc/ps，遍歷其所有相關(guān)狀態(tài)需要的時(shí)間為6.55S。在實(shí)際通信過(guò)程中，由于干擾及其它原因造成偽碼相位失鎖需要重新捕捉時(shí)，這么長(zhǎng)的捕捉時(shí)間會(huì)嚴(yán)重影響通信質(zhì)量，因而是不可取的。由以上分析可知，這種捕捉方法相位搜索精度高但同時(shí)導(dǎo)致了過(guò)長(zhǎng)的捕捉時(shí)間，在實(shí)際中很少應(yīng)用，但其思路值得借鑒。不連續(xù)滑動(dòng)相關(guān)法就是在此基礎(chǔ)上的改進(jìn)。

　　不連續(xù)相位滑動(dòng)相關(guān)法
　　所謂連續(xù)與不連續(xù)的區(qū)別是對(duì)搜索中相位的滑動(dòng)變化量而言，后一種方法是把連續(xù)的相位搜索改為跳躍式的搜索，即兩個(gè)碼之間的相位滑動(dòng)量不再是連續(xù)地以一定的步進(jìn)量產(chǎn)生相位滑動(dòng)。不連續(xù)滑動(dòng)相關(guān)法是利用一個(gè)相位搜索電路，在捕獲過(guò)程中使本地偽碼相位以一定的步進(jìn)值跳躍變化，這樣遍歷整個(gè)偽碼時(shí)間大大減少。與前一種方法相比，它的收、發(fā)偽碼時(shí)鐘速率保持一致，從而不會(huì)造成碼片寬度不一致，導(dǎo)致相關(guān)峰值下降。本地偽碼與接收偽碼相位的相對(duì)改變是靠搜索電路對(duì)偽碼發(fā)生器時(shí)鐘的超前、滯后控制來(lái)實(shí)現(xiàn)的，因此相位搜索電路（如圖2所示）是不同于前者的關(guān)鍵所在。下面重點(diǎn)討論實(shí)現(xiàn)半碼片滑動(dòng)的實(shí)現(xiàn)方法。

　　捕獲方法1 （滑動(dòng)步進(jìn)為T(mén)C/2）

　　時(shí)鐘取反法：
　　如圖1所示，當(dāng)信號(hào)包絡(luò)的平方小于門(mén)限時(shí)，輸出控制信號(hào)，對(duì)圖2中CLK取反，取反的結(jié)果相當(dāng)于利用原CLK時(shí)鐘下降沿進(jìn)行觸發(fā)。經(jīng)過(guò)二分頻后作為偽碼產(chǎn)生器的時(shí)鐘，同時(shí)把CLK作為移位寄存器的時(shí)鐘，三位移位寄存器的輸出相當(dāng)于移動(dòng)了半個(gè)碼片。FPGA仿真結(jié)果如圖3所示。

　　圖中data1，data2，data3，分別為三位移位寄存器的輸出，01表示+1，11表示1，clk1為碼NCO的輸出，clk2為它的二分頻。此方法在整個(gè)系統(tǒng)中要多次對(duì)時(shí)鐘進(jìn)行取反操作，會(huì)帶來(lái)比較嚴(yán)重的時(shí)序問(wèn)題，使系統(tǒng)工作時(shí)序滿足不了。為了解決此問(wèn)題，可采用改進(jìn)的方法。

　　捕獲方法2 （滑動(dòng)步進(jìn)為T(mén)C/2）

　　時(shí)鐘取反法改進(jìn)：
　　此方法采用觸發(fā)器結(jié)構(gòu)，把2倍的CLK作為輸入，CLK作為使能端，利用FPGA自帶的IP核--鎖相環(huán)使CLK相位超前，包住2倍CLK的上升沿，觸發(fā)器的輸出即為CLK，F(xiàn)PGA仿真結(jié)果如圖4所示。圖中，co為輸入端，pn為鎖相環(huán)的輸出作為使能端。對(duì)使能端取反操作，通過(guò)圖2的電路結(jié)構(gòu)即可完成半碼片的移動(dòng)。但是，同時(shí)要對(duì)二分之一CLK進(jìn)行鎖相操作，如果實(shí)現(xiàn)多路，由于FPGA內(nèi)部只有2個(gè)鎖相環(huán)，所以，實(shí)用性受到限制。