基于FPGA的软件无线电载波同步技术设计与实现

摘　要：同步系统工作的好坏，在很大程度上决定了通信系统的质量。GPS接收机将天线接收到的卫星信号经射频前端处理后变成了数字中频信号，接收机对GPS卫星的信号处理过程，可依次分为捕获、跟踪、位同步和帧同步四个阶段。针对GPS信号的BPSK调制和强度微弱等特点，模拟GPS 接收机基带数字信号处理过程，首先介绍了科斯塔斯（Costas）接收机的工作原理，分析研究了基于FPGA的软件无线电载波同步技术的实现方法，并采用Costas 环实现了载波同步，性能测试验证了设计的正确性和可行性。

 

接收机对GPS卫星的信号处理过程，可以依次分为捕获、跟踪、位同步和帧同步四个阶段。由于位同步、帧同步均需要以数据解调为前提条件，除了幅度调制及频率调制可以采用非相干解调外，大部分调制方式都采用相干解调以获取更好的性能，而进行相干解调，接收端就必须提取相干载波。载波同步的性能直接影响着通信系统的性能。针对GPS信号的BPSK 调制和强度微弱等特点，GPS 接收机锁相环通常采用I/Q 解调法来帮助完成对输入信号的下变频、鉴相和数据解调等任务。自同步法是工程上广泛应用的一种载波同步方式。自同步法主要有锁相环、平方环、Costas环和判决反馈环等。目前工程上最常用的抑制载波跟踪环是平方环和Costas环等。由于Costas 环不需要对接收信号进行平方变换，也不需要对锁相环路中DDS 输出的载波信号进行分频处理，因此实现复杂度更小些，所耗费的硬件资源也更少。模拟GPS 接收机基带数字信号处理过程，首先介绍了科斯塔斯（Costas）接收机的工作原理，分析研究了基于FPGA 的软件无线电载波同步技术的实现方法，并采用Costas 环实现了载波同步，性能测试验证了设计的正确性和可行性，对实际应用具有一定的指导价值。

１　Costas接收机的工作原理

目前的载波同步技术有多种电路，其中最常用的有平方环、Costas 环（同相―正交环）、判决反馈环等。J.P. Costas在１９５６ 年首先提出采用同相―正交环来恢复载波信号，随后Riter 证明跟踪低信噪比的抑制载波信号的最佳装置是Costas 环及平方环。传统的模拟Costas 环因存在同相支路与正交支路的不平衡性从而使环路的性能受到一定影响，且模拟电路还存在直流零点漂移、难以调试等缺点，而采用全数字的实现方式，则可以有效避免这些问题。

Costas环的工作原理如图１ 所示，主要由数字频率合成器（DDS）、数字鉴相器（乘法器）、伪码发生器（pn_gen）、低通滤波器（LPF 和环路滤波器（LF）组成。由于它是由输入信号分别乘以同相和正交两路载波信号，因此常称这种环路为同相―正交环，亦称科斯塔斯环（Costas）。输入信号经上、下支路分别乘以同相和正交载波，然后再与伪码进行相乘，并通过低通滤波器后再相乘，完成鉴相功能，最后经环路滤波器输出控制本地振荡器的误差电压。

２　系统设计与实现

２．１　参数选取
全数字载波环系统参数设计如下：
数据速率：４ＭＨｚ；伪码速率：10ＭＨｚ；
载波频率：70ＭＨｚ；系统时钟：１00ＭＨｚ；
中频采样后的载波频率：6ＭＨｚ；
信道带宽：20ＭＨｚ；调制方式：BPSK。

２．２　系统设计
１）直接数字频率合成器的设计与实现直接数字频率合成器的基本工作原理框图如图２ 所示。

图２　ＤＤＳ 基本工作原理框图

直接数字频率合成器（direct digital frequency synthesizers,DDS，用于产生频率及相位可控的正、余弦信号。DDS 的基本工作原理是在时钟信号的驱动下读取三角函数表。在FPGA实现中，通常采用ISE工具提供的DDS 核来实现。