基于FPGA的扩频信号跟踪解调电路设计与实现

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收稿日期:2018-01-19
作者简介:李新亮(1987—),男,河北保定人,本科,助理工程师,研究方向:卫星导航。

图1 伪码和载波跟踪环路原理图
1 跟踪解调电路的数学模型
本设计采用延迟锁定环(DLL)和科斯塔斯环(Costas)分别作为跟踪解调电路中伪码跟踪环路和载波跟踪环路的数学模型。

扩频信号的同步具体包括:捕获和跟踪。

捕获是完成对信号的粗同步,使伪码相位对齐到半个码片之内,载波多普勒频移落在一个多普勒频移单元之内。

跟踪环路又分伪码跟踪环和载波跟踪环。

伪码跟踪环可跟踪由于载体与发射机相对运动引发的伪码相位偏移,载波跟踪环则对载波相位和载波多普勒频移实现跟踪。

原理框图如图1所示。

具体设计实现过程中,首先将输入信号与本地载波相乘实现载波分离,然后分别与超前、滞后和对准支路的伪码相乘进行解扩,并通过积分累加器来提高信噪比,同时滤除高频分量。

其中伪码跟踪环采用超前和滞后能量差检测器(DLL),载波跟踪环采用四相反正切鉴相器 (PLL),得到的伪码和载波相位误差通过环路滤波器实时反馈到伪码和载波DCO,用以调整伪码和载波DCO的频率最终来达到减小误差的目的。

2 跟踪解调电路设计
2.1 信号相关处理电路设计
信号相关处理电路主要负责建立载波DCO、伪码DCO、乘法器和码相关及积分清洗电路,用来完成对高频信号的过滤,并产生处理器所需要的数据。

2.2 Nios II软核处理器设计
Nios II软核处理器的作用是配合相关处理单元实现环路跟踪算法,其通过Quartus II软件中集成的软核设计软件SOPC Builder 设计实现,主要包括C P U 、片上存储器、串行调试接口J T A G UART、地址线address、双向数据线data、读写控制线r_w、中断输出线interupt。

设计完成后可作为自定义元件,在Quartus II中调用。

2.3 处理器外围接口设计
外围接口电路是连接处理器与外围逻辑单元的桥梁,在该设计中其主要负责在控制信号的作用下完成外围逻辑电路与Nios II处理器间的数据交互,以实现扩频信号跟踪解调电路的完整功能。

3 环路跟踪算法软件设计
3.1 算法的总体流程
扩频信号跟踪解调电路中,环路跟踪算法主要是接收并处理相关器的累加值,以完成鉴频、鉴相和滤波、载波和码DCO控制量的调
节等功能。

3.2 伪码跟踪环路算法设计
伪码跟踪算法采用二阶超前—滞后非相干跟踪环,在伪码跟踪过程中,跟踪算法间歇性读取积分清洗电路的输出值,将其用于伪码相位的比较,并将比较结果作用于环路滤波器以产生码DCO的相位控制字。

伪码相位比较时首先判断超前滞后对准支路的相关值,并将其与失锁门限L V 进行比较,即：
222
()()()ELP ELP ELP Z k I k Q k =+当2()P L Z k V ≥成立时,码跟踪进行归一化鉴相：
2222
()/()
L P L P D Z Z Z Z =-+这样,在信号处理的过程中,就可以避免不同强度信号的变化引起的干扰,当归一化处理结束后,程序转入环路滤波算法,环路滤波对噪声和高频分量起抑制作用,并控制着码环路的相位校正速度。

当2()P L Z k V ≥不成立时,伪码失锁,置失锁标志,程序返回。

基于FPGA 的扩频信号跟踪解调电路设计与实现
李新亮
(中华通信系统有限责任公司河北分公司,河北石家庄 050200)
摘要:扩频信号的跟踪解调既涉及到高速复杂数字逻辑的设计,又包括环路跟踪算法的设计。

传统的设计中,一般采用FPGA+DSP的
设计方式分别实现以上内容,与传统算法不同的是,基于FPGA的扩频信号跟踪解调电路采用片上可编程系统(SOPC)的设计思想,在FPGA 中构建了处理器模块,从而使扩频信号的跟踪解调可以在一片FPGA中设计实现。

关键词:扩频通信；跟踪解调电路；F P G A ；片上可编程系统中图分类号:TN914.4文献标识码:A 文章编号:1007-9416(2018)02-0167-02
设计开发
DOI:10.19695/12-1369.2018.02.85
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第 36 卷 数字技术与应用
3.3 载波跟踪算法设计
伪码跟踪稳定后,环路转入载波跟踪阶段,依次进行频率跟踪和相位跟踪。

进入载波跟踪程序后,算法实时计算平均频率误差以判断频率是否稳定跟踪,待频率跟踪稳定后则置频率稳定标志,程序进入相位跟踪。

进入相位跟踪后程序流程和频率跟踪流程类似。

通过实时判断相位误差来检测是否达到稳定跟踪,进而决定相位跟踪稳定标志的置与否。

4 结语
本文在FPGA中设计实现了伪码和载波跟踪解调电路,并得出正确的仿真结果;在FPGA中构建自定义的Nios II软核处理器,以作为实现环路跟踪算法的平台;通过构建Nios II软核处理器,并在其中设计高级算法,可以提高系统的集成度,增加系统的易维护性和可升级能力。

The Design and Realization of Spread Signal Tracking Loop Based on FPGA
LI Xin-liang
(China Communications System Co., Ltd. Hebei Branch, Shijiazhuang Hebei 050200)
Abstract:Tracking demodulation of spread-spectrum signal involves not only the design of high speed complex digital logic but also the design of loop tracking algorithm. The traditional design, the general use of FPGA + DSP design methods to achieve the above content, respectively, and the traditional algorithm is different, based on FPGA spread spectrum signal tracking demodulation circuit using on-chip programmable system (SOPC)design ideas in the FPGA The processor module is constructed so that the tracking demodulation of the spread spectrum signal can be designed and implemented in an FPGA.
Key words:Spread spectrum communication; Tracking and demodulation circuit; FPGA; SOPC
参考文献
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[4]张厥盛,郑继禹,万心平.锁相技术[M].西安:西安电子科技大学出版社,1994.
[5]石玉景,胡波,宋峥东.一种基于NIOS的突发调制解调器设计及实现[J].无线电工程,2014,44(6):36-38.
[6]何文青,宋春林,董航,等.数字锁相环提取位同步信号的改进与实现[J].无线电通信技术, 2015,41(1):74-76.
在野外巡检时,员工录入文字不是很方便,而录音在后期还要进行转换、记录,同样耗费时间,且不方便进行统计分析,因此手机端录入的最好方式是采用语音转文字,为此,应用语音识别技术自动转语音为文字,实现了巡检信息快捷录入。

通过应用语音识别技术,开发手机端语音识别模块,将员工说的话自动转换成文字存储起来,原理是采集员工语音,对单字、词语进行特征提取,在语音数据库、文本数据库中比对,搜索语音对应文字,最终将文字输出。

3.3 服务器端程序开发
服务器端程序采用Visual Studio平台开发,前端使用Jquery miniui开发工具包,数据库使用Oracle10g。

以系统的统计分析功能为例,建立界面展示、业务逻辑、数据处理的三层统计、分析结构,界面展示层用Jquery miniui控件进行构建,同时使用传统的Html(超文本标记语言)标签编写,其控件事件和样式通过添加Class(类)进行展示。

业务逻辑层编写调用数据处理的方法,数据处理层返回处理后的数据,经过业务逻辑层封装成Json格式数据,提交给界面展示层展示出来。

从数据表中获取配电线路和变电所巡检数据,巡视缺陷
Design of Remote Inspection System for Distribution Network
LI Zheng-zhang
(Daqing Oil Field Co Ninth Oil Refinery Power Maintenance Team, Daqing Heilongjiang 163853)
Abstract:This paper introduces the design and implementation of distribution network remote monitoring system, to build a mobile Internet application environment, oilfield enterprise network based on the research for the mode of mobile phone terminal, the server program, to achieve cross regional, mobile, security office, made the positive exploration and Practice for the future development of mobile office application.
Key words:smartphone end; Android mobile application; data communication; mobile office
情况和检修情况的数据存储到P_REPAIR_TRACK、P_REPAIR_
TRACK_POWER表中,在统计分析各级单位巡检情况时,与各级任务分配表关联,完成逐级的巡检情况统计分析。

4 结语
采油九厂通过研发配电网远程巡检系统,构建了手机端与服务器端应用的新模式,减轻了前线员工数据填报工作量,同时为各级管理者提供实时的统计分析结果,提升工作效率。

通过近年的技术探索与研究,已积累了手机端应用开发相关技术,为今后开展移动办公应用奠定了基础。

参考文献
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