基于FPGA的二进制偏移载波同步算法的研究与实现

哈尔滨工程大学信息与通信工程学院
学士学位论文开题报告
基于单片机的点阵拼接旋转显示系统
的设计与实现
专业：通信工程
学号：2011082406
学生姓名：方建
指导教师：潘大鹏
1.选题背景及意义
LED显示屏是八十年代后期在全球迅速发展起来的新型信息显示媒体，显示屏由几万……几十万个半导体发光二极管像素点均匀排列组成。

利用不同的材料可以制造不同色彩的LED像素点。

目前应用最广的是红色、绿色、黄色。

而蓝色和纯绿色LED的开发已经达到了实用阶段。

LED显示屏可以显示变化的数字、文字、图形图像；不仅可以用于室内环境还可以用于室外环境，具有投影仪、电视墙、液晶显示屏无法比拟的优点[1]。

在短短的十来年中，LED点阵显示屏就以亮度高、工作电压低、功耗小、小型化、寿命长、耐冲击和性能稳定的优点迅速成长为平板显示的主流产品，在信息显示领域得到了广泛的应用。

LED的发展前景极为广阔，目前正朝着更高亮度、更高耐气候性、更高的发光密度、更高的发光均匀性、可靠性、全色化方向发展。

LED显示屏的应用涉及社会经济的许多领域，主要包括：（1）证券交易、金融信息显示。

（2）机场航班动态信息显示。

（3）港口、车站旅客引导信息显示。

（4）体育场馆信息显示。

（5）道路交通信息显示。

（6）调度指挥中心信息显示。

（7）邮政、电信、商场购物中心等服务领域的业务宣传及信息显示。

（8）广告媒体新产品等。

2.国内外发展和现状
（1）我国LED产业发展现状
我国的LED显示屏产业经过几年的发展，基本形成了一批具有一定规模的骨干企业。

据不完全统计，至1998年底，年度销售总额在1000万元以上的企业有20多家，其销售总额达6亿元左右，占行业市场总额的85%以上。

全国从事LED 显示屏的各类企业有100余家，从业人员近6000人，行业年度销售总额近8亿元人民币，1996年、1997年的增长速度均保持40%左右，1998年略有回落。

在国内市场上，国产LED显示屏的市场占有率近100%，国外同类产品基本没有市场，四十三届世乒赛主会场天津体育中心、京九铁路、北京西客站、首都机场、浦东机场等，
均由国内代表企业中标。

技术水平相对领先,我国LED显示屏产业在规模发展的同时，产品技术推陈出新，一直保持比较先进的水平。

90年代初即具备了成熟
的16级灰度256色视频控制技术及无线遥控等国际先进水平技术，近年在全彩色LED显示屏、256级灰度视频控制技术、集群无经线控制、多级群控技术等方面均有国内先进、达到国际水平的技术和产品出现；LED显示屏控制专用大规模集成电路也已由国内企业开发生产并得到应用。

LED显示屏产业培养形成了一批LED显示屏科技队伍，在全国LED显示屏行业的从业人数6000人中，科技人员有2800多人，将近50%。

LED显示屏产业正成为我国电子信息产业的重要组成部分，也是平板显示领域唯一立足国内形成的民族高科技产业。

（2）LED显示屏的发展趋势
现代信息社会中，作为人一机信息视觉传播媒体的显示产品和技术得到迅速发展，进入二十一世纪的显示技术将是平板显示的时代，LED显示屏作为平板显示的主导产品之一无疑会有更大的发展，并有可能成为二十一世纪平板显示的代表性主流产品。

高亮度、全彩化蓝色及纯绿色LED产品自出现以来，成本逐年快速降低，已具备成熟的商业化条件。

基础材料的产业化。

使LED全彩色显示产品成本下降，应用加快。

LED产品性能的提高，使全彩色显示屏的亮度、色彩、白平衡均达到比较理想的效果，完全可以满足户外全天候的环境条件要求，同时，由于全彩色显示屏价格性能比的优势，预计在未来几年的发展中，全彩色LED显示屏在户外广告媒体中会越来越多地代替传统的灯箱、霓红灯、磁翻板等产品，体育场馆的显示方面全彩色LED屏更会成为主流产品。

全彩色LED显示屏的广泛应用会是LED显示屏产业发展的一个新的增长点。

未来LED显示屏会向着标准化、规范化，产品结构多样化的方向发展[2]。

（3）选题意义
该设计课题使我们能够掌握LED显示屏的基本显示原理和设计方
法，对LED显示屏这个行业有了较为深刻的了解和认识。

并且对大学
期间所学习的一些理论进行了实践，使我们对所学过的理论知识有了
新的认识。

并且通过该设计课题掌握了51单片机的的软硬件开发工
具的使用方法，为以后从事相关行业的工作积累了实际工作经验。

目
前我国的信息行业发展迅速，作为主要平面显示媒介的LED显示屏的
作用也越练越广泛，相关的从业人员也会越来越紧缺。

但同时应该清
楚的认识到我国的LED技术虽然发展迅速但和世界先进水平还有一
定的差距。

因此此课题不论是对自己的就业还是对我国LED显示技术
的发展都有非常现实与积极的意义
3.1研究目标
本课题的目标是在详细研究LED点阵的显示原理，以8*8的LED点阵为基础，实现对16*16LED点阵的拼接，并且在基础的显示功能上通过单片机编程实现编写并调试程序使系统具备多种显示功能，如：滚动、闪现、拉幕、擦除等，以及编写并调试程序使系统具备摆放位置不同，自动旋转显示的功能
3.2研究内容
论文研究的内容主要包括以下几个方面
第一部分介绍8*8点阵的基本原理和特性，重点分析BOC 信号的时域
特性、频率谱特性以及自相关函数的特性。

讨论实际卫星信号中的多普勒频移、噪声以及多径等因素。

利用 Matlab 仿真BOC(1,1)基带信号的生成，再将其进行BPSK调制，并验证之前介绍的特性。

第二部分主要研究卫星信号同步处理技术中的捕获技术。

首先讨论常见信号的捕获方式，包括串行捕获、时域并行捕获、多普勒并行捕获和码延时并行捕获。

通过认真研究这些捕获方式的优缺点，选出一种合理高效的捕获方式，并用matlab对产生的BOC信号进行捕获过程的仿真，分析仿真结果。

第三部分主要研究卫星信号的同步处理技术中的跟踪技术，研究信号跟踪的原理和意义。

信号跟踪分为载波跟踪和码跟踪。

从本质上说，载波跟踪环是一个锁相环结构。

首先对锁相环结构进行详尽的研究，比较锁相环的各种各样具体的实现方法，选择合理的结构作为载波跟踪环。

码跟踪环一般采用早迟门结构，由于BOC信号同步存在相位模糊性问题，会造成漏检和使捕获时间增加。

现在消除BOC信号模糊性的方法有过采样法，跳跃技术，仿BPSK技术，子载波相位消除
（SCPC）技术和ASPeCT算法等，通过研究这些技术，分析其优缺点，选择合理的方法。

第四部分是BOC调制信号同步过程的FPGA的实现以及验证设计的正确性。

以FPGA芯片为核心构建BOC调制信号同步算法的硬件平台,对整个同步电路进行设计,主要模块包括:BOC调制信号发生器模块，捕获模块和跟踪模块。

将设计好的模块在QuartusH软件中综合编译，利用Modelism进行仿真并将仿真后的数据保存以供Matlab进行分析其频谱，验证设计的正确性。

确定设计无误后，进行布局布线下载到FGPA开发板中实现信号的同步,利用频谱分析仪测试产生的BOC调制信号的正确性,在此基础上对基于本文所提算法的同步过程进行仿真与验证。

3.3研究方法及技术路线
3.3.1研究方法
(1）文献研究法。

根据课题研究的目标和内容，充分利用学校图书馆和网络资源，通过文献研究活动，全面、正确地了解、掌握BOC同步算法的国内外研究现状、实现方案和关键技术的解决方案。

（2）实验研究法。

在文献研究活动的基础上，对比分析现有成熟可靠的技术方案，设计出本项目的总体方案，然后开展各关键技术的研究，主要通过实验研究各部分的性能和技术指标，探索关键技术的解决方案。

（3）理论研究法。

理论研究不是本项目研究的重点，本项目理论研究主要是研究BOC信号的捕获、跟踪算法，并通过理论仿真验证算法的合理性。

3.3.2技术路线
本项目采用BOC同步算法研究、matlab算法仿真、软件仿真实验以及硬件调试及测试等技术路线进行研究。

先进行算法研究与仿真，在进行电路研究与仿真，循序渐进，保证项目按时保质完成。

具体技术路线如下：
（1）查阅资料，设计项目的总体方案。

（2）设计系统各模块的算法模型，并使用simulink对所设计的算法模型进行仿真，验证算法设计的合理性。

（3）使用quartus ii软件进行FPGA的实现，将上述的算法模型转为数字电路的实现。

在这个过程中，要注意考虑同步流水延时，全局时钟的约束设计，并要注意节省逻辑资源。

电路图设计完毕，用modelism软件进行功能仿真和时序仿真，并将仿真结果保存供matlab进行频谱分析，确保设计的正确性。

这个是项目研究工作的重点，需要根据仿真测试发现的问题，改进设计，以求达到更高的技术指标。

（4）使用Altium Designer设计印制电路板，在这个过程中注意考虑电磁兼容性问题。

然后是焊接、调试硬件电路，确保设计的FPGA目标板能正常工作。

（5）算法实现和系统联调。

将算法在硬件平台上实现，主要涉及FPGA的使用，FPGA完成BOC（1,1）基带信号的生成和进行BPSK调制，实现BOC信号的捕获、
跟踪模块的实现。

4.关键技术难点及系统方案设计
4.1 BOC调制信号的信号发生器设计
为了验证各个模块功能的正确性，要设计BOC 调制信号的发生模块。

这个模块的功能是仿真卫星接收机收到的 BOC(1,1)调制信号，模块总体结构见图 4-1。

由图可知，这个模块主要包括有BOC基带信号模块、载波NCO模块和调制模块等。

图4-1 BOC调制信号模块
4.2 信号捕获方案分析
信号捕获主要是对各路卫星信号的多普勒频率和码延时进行粗略估计。

它本质上是一个相关过程，通过将接收到的信号与接收机本地信号进行运算，利用其信号正交性，通过检测不同取值时自相关值得大小估计信号的多普勒频率和码延时。

4.2.1 串行捕获
串行捕获是所有捕获方式中最为基础的，它的实现方式也较为简单，因此非常适合于硬件电路的实现。

但由于它在伪随机码和多普勒频率的搜索空间内，一次仅搜索一个单元，最坏情况下需要依次搜索所有的单元，因此捕获速度较慢。

串行捕获的实现框图如图 4-2 所示。

它通过在本地接收机中依次复现伪随机码和多普勒频率的组合，与接收信号进行相关，根据这个相关值来判断是否有信号被捕获。

图4-2 串行捕获框图
串行捕获实际上是一个非相干包络检波的结构，它对信号的捕获不依赖于接收信号的载波相位信息，整个结构实现起来较为简单，但由于每次只能对一组码延时和多普勒频率的组合进行搜索，整个信号捕获过程将需要较长时间。

4.2.2 串行捕获
针对串行捕获所存在的捕获时间较长的问题，可以增加接收机内的串行捕获结构，通过将搜索区间划分为多个子区间，使它们在不同的子区间内同时进行信号捕获操作，从而达到缩短捕获时间的目的。

这是目前大多数硬件卫星接收机所采用的方法，它通过增加硬件复杂度来换取捕获时间的缩短。

设串行捕获结构的数目为 M，则时域并行捕获将使捕获时间缩短为原先的 1/M。

可以看出，虽然时域并行捕获缩短了捕获所需的时间，但它本质上和串行捕获没有太大区别。

4.2.3 多普勒频率并行捕获
多普勒频率并行捕获是将原先二维搜索问题变为在码延时方向上的一维搜索问题的，其实现框图如图4-3所示。

需要指出的是，采用多普勒频率并行捕获，多普勒频率方向上的搜索步长将不再是可以任意选取的了，而是受到 FFT 频率分辨率的限制。

图4-3 多普勒频率并行捕获
本文的仿真信号中,T取1ms，则频率分辨率f 为 1/1ms=1kHz。

多普勒频率步长的选取则必须是fres的整数倍，通常选取为与fres相等。

本设计的多普勒步长选为 1kHz，因此可以符合要求。

此外，FFT 运算一次给出了[0,fs]频段内的所有频率点的傅里叶变换值，而所需估计的多普勒频率通常只占20kHz 的频段，因此只需选取 FFT 运算中的部分结果进行处理即可。

4.2.4 码延时并行捕获
码延时并行捕获的基本思想也是将二维搜索问题转换为一个一维搜索问题，其实现方法是将码延时方向的搜索用 FFT 实现。

本文的仿真信号中，采用的1ms 数据中有5000个采样点，采用码搜索步长为采样分辨率，则需搜索 5000 个候选值，而多普勒频率的范围为20KHz，搜索步长为1kHz，只需搜索21个候选值。

因此若采用码延时并行捕获的方法，FFT 计算的次数比多普勒频率并行捕获少得多（由5000次降为21次），这样能够极大的提高搜索效率，缩短信号捕获的时间。

本方法更加快速的根本原因就是只计算了需要频段的 FFT，而不是像多普勒频率并行捕获那样计算[0,fs]频段内的所有频率点的傅里叶变换值。

码延时并行捕获框图如图4-4所示。

图4-4 码延时并行捕获框图
4.3 信号跟踪方案分析
BOC 信号的捕获完成了对 BOC 信号的粗略同步。

为了能让接收机获得精确的位置信息，必须进一步提高多普勒频率和伪随机码延时估计值的精度性。

此外，由于多普勒频移的影响，伪随机码相位和载波相位都会随着时间的推移不断变化，需要及时调整本地信号以继续保持精确同步。

这些功能由将由信号跟踪来实现，从而达到 BOC信号的精确同步[2]。

和信号捕获一样，信号跟踪也分为载波跟踪和码跟踪两部分。

4.2.1 BOC信号码跟踪
码跟踪的目的是在捕获的基础上进一步对准伪随机码的相位，其精度直接影响接收机解调的误码率和定位位置精度。

码跟踪环的设计通常使用延迟锁定环方法(DelayLocked Loop, DLL)[3],具体为早迟门结构，即利用本地码生成器，不仅生成和接收信号同步的码信号，还生成相位超前（Early）和相位滞后（Late）的码信号，与接收到的卫星信号分别做相关积分，通过对相关结果进行运算得到
码相位的误差信号,来控制本地码生成器，使码相位达到精确同步。

和 BPSK 信号只具有单峰不同，BOC 信号的自相关函数具有多个峰值。

以BOC(1,1)信号为例，除中央的主峰外，在两侧约 0.5 个码片处各有一个副峰。

由于副峰的存在，在进行信号的同步时，捕获算法可能将结果锁定在副峰上，从而造成误检测，副峰对上文码跟踪环的鉴别算法也会造成不良影响，从而使跟踪环性能下降。

此外，由于 BOC 信号的自相关函数在偏移量为正负半个码片内时多次经过零点，在码延迟捕获步长较大时，如果本地信号与接收信号的相关值结果在零点附近，会造成漏检，使得捕获时间增加。

这种在传统算法下的误检和漏检和跟踪困难，称为 BOC 信号同步的模糊性问题(Ambiguity)。

为了消除 BOC 信号的模糊性问题，各学者研究提出了各种解决的方法和技术，以下是部分现有的消除模糊性的方法：
1.过采样方法。

通过过采样码片位置进行能量比较以确定主峰。

虽然对于低码率信号（如BOC(1,1)和 BOC(2,2)）十分便捷，但对高码率信号（如 BOC(14,2)）不适用。

2. 跳跃技术[4]。

通过测量和比较相邻峰与锁定峰的能量，根据比较结果向左或向右跳跃，直到找到最高峰。

其缺点是需要多次计算各个峰的能量，增加了同步需要的时间。

3.仿 BPSK 技术[5]。

把接收的 BOC(x, y)信号看成是两个载波频率对称位于 BOC载波频率两边的 BPSK(y)子信号的叠加。

因此每个子信号可以当做 BPSK 信号，其提供了单峰相关函数。

此技术缺点是，由于相关损失，在应用子信号（单面带或单边带）时，会引入至少3dB 的信噪比损失。

虽然通过并行应用于两个子信号（双面带或双边带）或使用高阶仿 BPSK 方法，可部分补偿次-3dB 的损失，此方法仍然会引入0.5dB 至 0.8dB 的损失。

4.子载波相位消除（SCPC）技术[6]。

该技术基本思想是把子载波当成载波处理。

除了正交和同相的载波本地信号，必须建立同相的和正交本地子载波信号。

因此，此处产生了两个相关通道。

一个通道，收到的滤波信号与本地 BOC 信号在子载波同相相关运算，另一个通道，接收的滤波信号与本地 BOC 信号在正交子载波上进行相关运算。

当结合两个相关通道时，可得到一个类似 BPSK 的相关函数。

SCPC 的主要缺点是需要附加的相关器。

5.ASPeCT 算法
加拿大卡尔加里大学(University of Calgary)的PLAN(Positioning, Locationand Navigation Research Group)项目组的Olivier Julien提出了一种只适合于BOC(1,1)信号的ASPeCT (Autocorrelation Side-Peak Cancellation Technique)技术。

这种技术除了把接收到的 BOC 信号与本地 BOC 信号相关外，还使用了把本地伪码也与外部 BOC 信号进行相关。

与前面提到的单边带处理方法不同的是，这里不需要滤波，也不需要边带提取，而是利用本地 PN 码与外部BOC信号的相关峰值绝对值位置恰好位于 BOC 自相关函数的峰值上，这样，把两个相关函数相减，就可以得到副峰值较小的相关函数，并且通过合适的加权系数可以消除。

其结构如图4-5所示。

图4-5ASPeCT算法结构图
综合考虑，选择ASPeCT算法适合BOC(n,n)信号族，因此本文采取ASPeCT 算法来进行码跟踪。

4.2.2 BOC信号载波跟踪
当接收到的扩频信号经过伪码序列捕获和跟踪电路后,可以认为附加在原始信息数据上的伪码信息已经被解除,得到原始信息数据调制的载波信号。

接下来的工作就是对载波进行跟踪,获得原始信息数据和精确的载波相位信息,在载体低动态环境下,为获得较高的跟踪精度,载波跟踪采用锁相环pLL。

在跟踪卫星信号时，锁相环有各种各样具体的实现方法，其中 Costas 环是采用较多的一种，这里进行重点介绍。

科斯塔斯环(Costas Loop)又称为同相正交环，使用Costas 环来跟踪载波相位具有优越的噪声性能，因此备受青睐。

在Costas 环中，本地振荡器提供两路互为正交的本地载波，与接收到的卫星信号分别在同相和正交两个支路中进行相乘，经过低通滤波器去掉高频项（即滤去了噪音），两者相乘后得到的误差信号经过环路滤波器，最后可得到仅与卫星信号与本地信号间相位差相关的控制信号，用其对压控振荡器进行调整，实现本地信号与卫星信号间的精确同步。

Costas 环的原理图如图 4-5 所示。

图4-5 科斯塔斯环
4.4 关键技术难点分析
在理论研究分析中，如何消除模糊性是本设计的研究重点。

目前，有许多学者都提出了消除模糊性的算法，通过研究各种消除模糊性的算法，分析他们的优缺点，从中选出一种最优的方法。

在FPGA设计实现中，必须考虑同步流水延迟。

例如，在基带BOC信号产生模块中，C/A码产生器作为扩频码产生模块引入了1个全局时钟的流水延迟,信息码产生部分的输出应当用D触发器增加1个全局时钟的流水延迟,使这两个不同速率的模块能够同时在整数倍全局时钟下输出结果,保持准确的相位关系。

5技术指标
1.BOC信号模式为BOC(1,1)，即基频为1.023MHZ，伪码速率为1倍的基频，副
载波为1倍的基频，基带信息速率为256KHZ.
2.调制载波频率为1.024MHZ，解调载波为1.014MHZ，即存在10KHZ的多普勒
频移。

数字调制后信号经DAC输出，信号幅度绝对值≥1V。

6论文工作计划
6.1 论文工作计划
(1) 第1-2周。

进行详尽的理论研究，研究与此相关的论文和文献，确定具体
的方案。

（2）第3-7周。

使用simulink进行方案的算法仿真，验证所选方案的正确性。

（3）第8-12周。

将算法用FPGA进行实现，并进行时序仿真。

（4）第13-16周。

对本设计进行总结，完成论文的撰写工作。

6.2 本人工作内容
在本设计中，本人负责整个系统的设计。

参考文献
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