中频数字化扩频解扩研究与设计

摘要

扩频通信系统是将基带信号的频谱扩展后再进行传输的一种通信系统，它具有良好的抗干扰和保密性能，在航天和国防领域有广泛的应用前景。直接序列扩频是常用的扩频方法，本论文的研究目标是设计出用于新一代国防航天飞行器通信系统的中频解扩数字接收设备。
　　中频解扩解调技术是直接序列扩频系统的核心技术，其关键是两个同步:伪码同步和载波同步。产生一个同接收信号中伪码同步的本地扩频序列是直接序列扩频信号接收机的重要任务之一，同步过程由捕获和跟踪两个阶段构成。前者使伪码相位差保持在一个伪码相位以内，后者则通过跟踪环路对伪码相位进行进一步跟踪。在研究和对比了多种扩频序列、捕获跟踪方法和自适应门限算法性能的基础上，综合考虑捕获时间和系统复杂程度，并根据理论分析和模拟仿真的结果，选择其中最为合适的方案进行系统设计。使本地振荡器频率和相位与接收信号的载波保持一致是直接序列扩频信号接收机的另一项重要任务，载波同步通常采用锁相环路实现，采用数字解调方案能够降低系统调试难度，提高系统的可靠性。本文通过研究带通采样定律和数字Costas环，确定了系统的各项参数，建立了完整的载波跟踪系统。
　　在最终的设计中，系统采用GOLD序列作为扩频序列，多通道滑动相关捕获法进行伪码捕获，用瞬时标定功率的方法确定自适应门限。伪码捕获后，利用延迟锁定环进行伪码跟踪，数字Costas环进行载波跟踪和BPSK解调。根据系统方案完成了软件设计，并采用单片FPGA实现了系统主要功能。该平台主要包括A/D转换电路、FPGA系统、RS422接口电路、电源管理电路等。本模块的数字信号处理部分全部在一片现场可编程门阵列上实现，满足了基带模块低功耗、小型化的要求。经过系统测试，该基带模块可以实现较大多普勒频偏下的捕获，且捕获时间短、误码率低、参数配置灵活，达到了预期目标。这种实现方案结构简单，调试方便，应用灵活，通过下载不同的软件即可应用于不同的场合。对实际运行系统进行相关测试所获得的试验数据记录。根据有关记录数据，该系统符合了最初设计所提出的各项要求，也验证了前面所研究的算法的正确性。

目录

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摘要

插图索引

表格索引

符号对照表

缩略语对照表

第一章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 扩频系统概述

1．2．1 扩频技术的发展

1．2．2 扩频系统的特点和分类

1．3 项目背景及目标

1．4 主要技术指标

1．5 全文结构

第二章 直接序列扩频系统及其关键技术

2．1 扩频序列

2．1．1 m序列

2．1．2 Gold序列

2．2 PN序列的捕获与跟踪

2．2．1 PN序列的捕获

2．2．2 PN序列的跟踪

2．3 本章小结

第三章 中频数字解调及其关键技术

3．1 带通信号采样理论

3．2 数字Costas环

3．2．1 锁相环基本理论

3．2．2 数字下变频器

3．2．3 数字鉴相器

3．2．4 环路数字滤波器

3．3 本章小结

第四章 设计实现及工作原理

4．1 IP复用和选用

4．2 模块划分及工作原理

4．2．1 处理FPGA顶层模块(bimode．vhd)

4．2．2 解扩解调模块(top．vhd)

4．2．3 前向信号捕获模块(ACQ1．vhd)

4．2．4 前向信号跟踪模块(trk．vhd)

4．2．5 数据解调模块(dttl．vhd)

4．2．6 下变频模块(down．vhd)

4．2．7 下行数据编码调制模块(downlink．vhd)

4．2．8 串行数据打包模块(TM_send．vhd)

4．2．9 载波和码控制字计算模块(dsptofpga．vhd)

4．2．10 带组滤波器模块(con_firband．vhd)

4．3 设计目录结构

4．4 综合、布局布线及实现

4．4．1 器件选择

4．4．2 EDA工具和库

4．4．3 综合约束

4．4．4 布局布线约束

4．4．5 FPGA片内时钟分析记录

4．4．6 静态时序分析记录

4．4．7 接口时序分析

4．4．8 FPGA设计最终实现说明

4．5 本章小结

第五章 系统联试及测试结果

5．1 联试原理

5．2 运行实测结果

5．3 测试数据

5．4 测试结论

第六章 全文总结

6．1 研究结论

6．2 研究展望

附录

参考文献

致谢

作者简介