2010年第07期，第43卷 通信技术 V01．43，No．07，2010 并行数字相关器的FPGA实现 潘军， 李玉柏， 王雷 (电子科技大学，四川成都611731) 【摘要】扩频码的相关解扩是扩频通信接收机的关键技术之一，主要介绍了数字相关器在全球定位系统(GPS)信号捕 获中的应用，并进行了FPGA实现。在设计中，采用了16路并行相关运算的方式加快相关解扩运算速度。在GPS信号时域捕 获的理论推导基础上，给出了数字下变频电路结构，分析了载波NcO的频率精度，详细讨论了扩频码相关解扩单元阵列的计 算方法和电路结构与参数。最后，通过ModclSim算法仿真和Xilinx Virtex一5 LX220 FPGA测试，取得了较好的捕获效果。 【关键词】扩频通信；数字下变频；数字相关器 【中图分类号】TN911．23 【文献标识码】B 【文章编号】1002-0802(201 0)07-0225-03 Implementation of Parallel Digital Correlator Based on FPGA PAN Jun，LI Yu-bai， WANG Lei (University of Electronic Science and Technology of China。Chengdu Sichuan 611731。China) labstract]Spreading codes correlation is one of the key technologies for spread spectrum receiver．ThiS paper mainly describes the application of digital correlator in GPS signal acquisition and implementation in FPGA． The parallel calculation method is adopted in the design，thus to reduce calculation time．First，the calculation process of GPS signal acquisition is illustrated，then，the circuit structure of digital down convertion is given and the frequency precision of carrier NCO analyzed，then the spreading code correlation circuit is designed， finally a satisfactory acquisition performance is obtained by simulation and test on the design with ModelSim software and Xi l inx Virtex一5 LX220 FPGA． [Key wordsl spread spectrum communication；digital down conversion；digital correlator O引言 1相关器的工作原理 扩频通信系统[1-2]，即扩展频谱通信系统，其基本特点是 1．1 GPS扩频码介绍 传输信息所用信号带宽远大于信息本身带宽。直接序列扩频 通信是扩频通信的主要方式，其原理是直接用具有高码速率 的扩频码序列在发射端扩展信号的频谱，然后在接收端用相 同的扩频码序列进行解扩，把展宽的扩频信号还原成原始信 号。GPS卫星发射信号使用了直接序列扩频技术，在GPS 接收机需要对扩频信号进行相关解扩。这里首先介绍GPS 扩频码和中频信号的数字下变频，然后就扩频码相关解扩计 算的FPGA实现进行详细讨论。 收藕日期：2009-'09-23。 作者简介：潘军(1983一)，男，硕士研究生，主要研究方向为卫星导 航、数字Ic设计；李土柏(1965-)。男，教授．主要研究 方向为信号处理与信号分析、无线与移动通信；王 雷 (1986一)，男，硕士研究生，主要研究方向为卫星导航、数 字Ic设计。 万方数据 GPS民用信号的扩频码称为C／A码【圳，其码速率为 1．023 MHz，码周期为l盥，属于Gold码的伪随机噪声码系 列，由两个l 023位的m序列G1和G2产生，如图l所示。 Gl和G2都是由10位最大长度线性反馈移位寄存器产生的， 由1．023 MHz的时钟驱动。 图1 GPS C／A码产生器 

C／A码的重要特性之一是它们的相关性。为了在有强信 剥罔。式(5)和式(6)司表不为： 号存在的情况下检测到弱信号，弱信号的自相关峰值必须比 强信号的互相关峰值大。Gold码虽然不是正交码，但接近正 交，即其互相关值接近于零。C／A码的自相关峰值为1023， CIA码的互相关值为：-65／1023(12．5％)，1／1023(75％)和 63／1023(12．5％)，这为信号检测提供了理论基础。 1．2数字下变频 蜀=等rcos(2螂圳肌半， ＆=学r sin(2毗H㈣m=o。 (7) (8) ，，Q两路相关值进行平方和，开根号得到√石_D／2。如 果本地CIA码与接收C／A码不同步，那么经过上述处理之后 数字下变频【5】的主要功能是对数字中频信号进行下变 得到的相关值会很小． 频，得到零中频信号，用于后续的C／A码相关解扩处理。数 字下变频由载波数控振荡器(NcO)，乘法器和低通滤波器 2相关器电路设计 组成。载波NCO输出两路正交的正弦信号与中频信号相乘， 2．1数字下变频电路设计 即混频处理。低通滤波器的作用是滤除混频后信号的高频分 GPS信号经过射频前端和A／D处理成2比特表示的数字 量。下面对GPS卫星信号的数字下变频进行分析。 中频信号，在做扩频码之前须进行数字下变频，剥离中频信 卫星发射信号经过空间传输，到达接收机时已经变得非 号载波。数字下变频电路结构如图2所示。 本地载波NCO采用相位累加和查找表法实现数字正弦 (1) 信号。假设本地载波频率为C，采样频率为．f，那么本地 常微弱。卫星发射信号可以表示为： s(t)=．、／2P,D(t)C(t)cos(21tfd+q)， 将接收机信号表示为： r(t)=42eD(t—r)c(t—r)cos(29(A+foV+q)+胛(，)， (2) 式(1)和式(2)中，￡>>P。￡和P分别表示发射信号 功率和接收信号功率，D(O表示导航数据，c(D表示C／A码 信号，以为卫星发射信号载波频率，厶为多普勒频率，啡 为接收信号初始相位，胛(r)为噪声。 式(2)信号经过射频处理模块的下变频、放大、AD转 换得到中频数字信号，为了讨论方便，这里仍然用时间上连 续的信号对数字下变频过程进行分析。进入数字下变频模块 的中频信号可表示为 sz(t)=4CD(t—r)c(t—r)cos(2x(fw+厶)f+硼)+疗(f)。 (3) 本地载波NCO使用了两个参考信号：同相本地信号 cos(2x(fm+foV+9)和正交本地信号sin(2x(fn,+A)t+ 百)。将同相本地信号和正交本地信号都与中频信号相乘，并 通过低通滤波处理得到同相和正交通道的输出为 4CD(,一r)C(t—r)eos(2rtAfot+△日)， 4CD(t—r)C(t-r)sin(2ruSfDt+a0)， r J、 其中，蚝=厶～五，△9=甜一百。此过程为数字下变频， GPS中频信号不再被载波频率调制。 1．3 GPs扩频码相关解扩 载波为s伽)=sin(2rmf。／，)。因此，在数字域中每过一个时 钟周期，F／增加1，本地载波的相位增加量为△妒=2够／．，：。 如果用M比特的二进制数来表示相位，则相位累加器的步 进为N=2村正／．疋。乘法器采用查找表法，其结果送入积分． 清零电路，并得到一个C／A码比特的本地载波与中频信号的 乘累加值矾，k=O，1，2，…，1022。 蕞0固l ～尸一一I 图2数字下变频电路结构 2．2扩频码相关解扩电路设计 数字下变频模块输出的以送入到扩频码相关解扩电路 进行处理，相关fil扩i,t‘算公式为，：l=doc．+吐cf川惕蚴+…+ 吐022c(州022m1023，疗=o，l，…，1022。由于C／A码周期为l 023个 比特，所以对于当前做相关解扩的数据，其扩频码序列为l 023种组合之一，这里称一个码序列组合为一个码相位。为 了检测当前中频数据中是否包含某颗卫星信号，相关解扩需 要计算l 023个码相位的相关值，而计算一个码相位的相关 在数字下变频处理之后，得到同相和正交两路只包含导 值则需要进行1 023次乘法和1 022次加法计算，相关计算 航数据和C／A码的输出，现在对式(4)的两路信号进行C／A 复杂度很大。为了节省资源，这里采用相关计算单元分时复 码相关解扩处理。数学表达式为： 用的方法。 尺，=掣rc(f卅e(f—f)cos(2毗f+㈣d，，(5) ＆：挈rc(f叫o(f叫sin(2毗f+㈣df，(6) ‘CT 1CT 式(5)和((6)中的％表示相关时间。现假设“，一f)=C(t—f)， △厂n=0，即本地C／A码与接收C／A码完全同步，载波完全 226 万方数据 一个相关计算单元由16个多路选择器和15个加法器组 成，1个时钟周期处理16个扩频码比特。在该设计中，共使 用16个相关计算单元，并行处理16路码相位的相关计算。 数字下变频模块每送入16个输出值时，启动相关解扩模块， 每个时钟周期计算出16个码相位的部分相关解扩值，并与 上一次的计算结果相加存入存储器中，“个时钟周期之后完 

成1 023个码相位的部分相关解扩计算，等待下一组的数据， 重复上述计算过程，直到完成配置的相关解扩数据长度。并 行相关解扩计算阵列结构如图3所示。 3部分仿真结果 根据上述相关算法建立C模型，仿真数据为开阔地采集 的GPS中频数据，中频4．1304 MHz，采样频率16．3676-vlnz。 连续相关时间为10 ms，非连续相关为1次，相关峰值为4 476，均值为408，如图4所示。 通过建立Verilog模型，在ModelSim SE 6．If环境下的 RTL仿真结果如图5所示，峰值为4 356，平均值为404，其 结果与算法仿真结果基本一致，RTL模型引入的误差是由于 有限位宽和√工2+，计算导致的。 45口0 40口0 35口0 加0D 訇2500 }K 晕2∞0 1s0D 10∞ 50D 0 ㈣ 山 J“- “，川 山．-龇㈣ 孵明卵 I’耶脚1W I可rF呷 600 相位 0 200 4∞ 800 looo 1200 图4算法仿真结果(28号星，多普勒800 Hz) 匝五]臣五][=][=]E五]E五] 图3相关解扩计算单元阵列 ，，。m m m m m m粥m 基：i：|：㈣抽 意嚣蕊：i： 篡嚣篡嚣 c一犍-=一I：；永靴靶耻矧l；；矧 址n—M叫邮阳叼舢如叮如 ●■■■■■■■ 图5 RTL仿真结果(28号星，多普勒800 Hz) 4结语 35(06)：9-11． 该数字相关器采用16路并行相关计算和计算单元分时 [2]何世彪，谭晓衡．扩频技术及其实现[M]．北京：电子工业出版社， 复用的方法，提高了相关运算的速度和FPGA的硬件资源利 2007． 用率。该电路模型使用Verilog描述，通过ModelSim功能仿 真，ISEl0．1综合和布局布线，Xilinx XrLrtex．5 LX220电路测 试，测试结果表明该设计的GPS信号捕获性能良好，估计的 信号载波频率和码相位精度高。但由于相关解扩的并行性， 占用FPGA资源较多，以后可通过优化数据位宽和提高相关 计算的时钟频率对该设计进行改进。 [3]JA姬S B Y T．Fundamentals of Global Positioning System Receivers a Software Aprroach[M]．Second Edition．Beijing： Publishing House of Elec{ronics Industry，2007． [4]张威，张克，徐熙宗．GPS信号C／A码生成算法设计及仿真实现[J]． 通信技术，2008，41(11)：216-218． [5]PRATAP Misra，PER Enge．Global Positioning System Signal， 参考文献 Measurements．and Performace[M]．Second Edition．Beijing： [1]王文潇．扩频通信接收机关键技术的FPGA实现[j]．学术论坛，2005， Publ i shing House of Electronics Industry，2008． 万方数据 227 

并行数字相关器的FPGA实现 作者： 潘军， 李玉柏， 王雷 作者单位： 刊名： 英文刊名： 年，卷(期)： 被引用次数： 参考文献(5条) 电子科技大学,四川,成都,611731 通信技术 COMMUNICATIONS TECHNOLOGY 2010，43(7) 0次 1.王文潇.扩频通信接收机关键技术的FPGA实现[J].学术论坛,2005,35(06):9-11. 2.何世彪,谭晓衡.扩频技术及其实现[M].北京:电子工业出版社,2007. 3.JAMES B Y T.Fundamentals of Global Positioning System Receivers a Software Aprroach[M].Second Edition.Beijing:Publishing House of Electronics Industry,2007. 4.张威,张克,徐熙宗.GPS信号C/A码生成算法设计及仿真实现[J].通信技术,2008,41(11):216-218. 5.PRATAP Misra,PER Enge.Global Positioning System Signal,Measurements,and Performace[M].Second Edition.Beijing:Publishing House of Electronics Industry,2008. 相似文献(10条) 1.学位论文 曲会英 短波扩频通信接收系统的研究与数字化实现 2004 扩频通信在军事通信和民用通信中都具有重要的意义,软件无线电技术近几年得到了迅速发展,应用软件无线电的思想和通用平台,研究海上短波直扩 通信接收系统的数字化实现,具有现实意义.本文从整体上阐述扩频通信系统的原理、重要指标、类型、特点和伪噪声码m序列的性质.重点针对直扩系统 ,给出发射和接收模型.对扩频数字化接收机的算法进行了研究和分析,主要包括信号采样、多速率信号处理、数字正交混频、BPSK信号的解调和扩频码的 同步理论与算法.还研究了高效数字滤波器的实现,给出凯撒窗函数滤波器和积分梳状滤波器的具体设计方法.对地波传播、大气噪声和发射天线效率的具 体参数进行计算和仿真验证,为工作频率的确定提供了依据,并相应地确定了接收机的主要技术指标.根据指标要求,设计出直扩系统的数字化接收机,包括 前端模拟放大、A/D带通采样、数字下变频(DDC)、基带信息处理以及外围辅助电路.在此硬件平台上,运用软件算法实现了数字信号正交混频、数字下变 频的多级抽取和抗混叠滤波器参数的设计,在核心部分DSP中,实现对AD6620各参数的配置,完成与AD6620之间的数据传输,并用软件实现BPSK信号的解扩解 调算法,最后利用FLASH设计了DSP的16位并行引导装载,完成一个独立的扩频数字接收系统.整个系统的时序控制和译码电路都由CPLD来实现,并且设置了 与计算机的通信接口,为将来功能的扩展留出了空间. 2.期刊论文 邓孝祥.范艳根.王玉萍 基于FPGA的数字下变频器设计 -移动通信2008,32(16) 文章首先分析数字下变频结构及其实现方法,然后重点研究了如何基于FPGA实现下变频的功能,并通过仿真分析验证了该实现方法的正确性.结果表明 ,该实现方法可用于各类数字通信系统中频信号的数字下变频处理,具有一定的实用价值. 3.学位论文 吴皓威 直扩数字化接收机解扩解调研究与实现 2006 扩频通信是一种有着极其优异性能的通信方式，自其诞生之日起就受到了广泛的关注。论文围绕数字化DS-BPSK接收机的解扩和解调展开，主要研究 了直扩接收机中的数字下变频、伪码快捕与跟踪、载波捕获与跟踪、数据解调等内容，设计了针对DS-BPSK信号的解扩解调方案，并进行了理论分析和性 能仿真，最后在FPGA上实现了该方案，相应的测试结果证明了方案的正确性。该课题将用于航天测控测距中。论文的主要工作如下： 1、通过分析伪码信息帧测距遥测系统的需求，针对高动态的机载环境，设计了基于软件无线电思想的全数字DS-BPSK接收机方案。 2、对比了各种数字下变频方案，根据实际情况，设计了适合系统的数字下变频方案，即把带通欠采样的频谱搬移和数字正交下变频两种方案相结合 ，更有效的完成了从中频到基带的变换。 3、为了满足测距中伪码快捕的需要，通过分析常见的伪码同步方法，确定了本系统采用的伪码快捕和跟踪方案。伪码捕获采用多通道并行伪码相位 搜索策略，兼顾了捕获速度和硬件复杂度的要求；在非相干超前滞后延迟锁定环的基础上增加了载波辅助功能，提高了伪码跟踪电路在高动态环境下的 适应能力。 4、提出了适合在大频偏环境下的载波同步方案，系统采用逐步缩小范围的载波同步策略。总体的载波同步策略是：初始阶段频率偏差很大，使用时 -频二维搜索将载波频率偏差缩小到伪码能够同步情况；伪码同步后，频率偏差仍然较大，解调环不能正常工作，这时利用动态性能较好的FLL跟踪频率 变化；当频率偏差减小到一定程度之后，使用环路带宽窄的PLL跟踪载波相位，从而能够正确解调出BPSK数据。 5、研究了在FPGA中实现数字下变频、伪码同步、载波同步的具体方式和技巧，总结了FPGA在进行大规模数字系统设计和开发过程中的一些经验。通 过在硬件平台上对接收机方案的性能指标测试，表明提出的方案和实现结果达到了接收机要求指标。 4.学位论文 陈文强 基于软件无线电的扩频信号接收技术研究 2005 本文研究了扩频通信和软件无线电技术的发展及现状，阐述了扩频通信的理论基础，给出了直接序列扩频通信的系统模型和功率谱，并详细分析它 的处理增益和主要特点。 本文对基于软件无线电扩频接收系统在MATLAB环境下进行了仿真分析。产生了伪随机序列，进而得到含有高斯噪声和频移的直接序列扩频信号源。 分别给出了同步、解扩和解调各模块的仿真结果。 仿真并分析了扩频接收系统的性能，表明用软件无线电技术实现扩频接收是可行的。该课题做了大 量工作，对软件无线电和扩频通信做了有益的探索。 5.期刊论文 吴淼.惠晓威.李超群 基于软件无线电的扩频通信系统同步性的研究 -科技创新导报2007,""(35) 采用现场可编程门阵列FPGA实现软的件无线电技术,控制和调整扩频通信系统的同步性能.介绍了用FPGA实现对采样信号正交数字下变频,完成同步搜 索和频偏估计,以及纠正载波频偏和调整码元速率,同步跟踪.系统锁定同步信息并跟踪载波频偏变化,进行扩频码的非相干解调和解扩,最后还原出基带信 息,实现同步性. 6.学位论文 马伟涛 基于STEL-2000A的扩频电台研究与设计 2003 该文结合STEL-2000A对全数字化扩频、解扩中的关键技术进行了研究.主要包括数字中频中的A/D变换、数字下变频、数字匹配滤波器以及数字化解 调中的载波跟踪技术等.并以STEL-2000A为主要芯片,配合QPSK调制器、ADC转换器和TMS320F206等外围电路设计了一个直接序列扩频通信系统. 

7.期刊论文 吴淼.惠晓威.李超群 基于软件无线电的扩频通信系统同步性的研究 -山东通信技术2007,27(3) 采用现场可编程门阵列FPGA实现软件无线电技术,控制和调整扩频通信系统的同步性能.该系统介绍了用FPGA实现对采样信号正交数字下变频,完成同 步搜索和频偏估计,以及纠正载波频偏和调整码元速率,同步跟踪.系统锁定同步信息并跟踪载波频偏变化,进行扩频码的非相干解调和解扩,最后还原出基 带信息,实现同步性. 8.学位论文 于吉涛 直扩系统中多窄带干扰抑制算法研究及系统实现 2005 直接序列扩频通信系统其抗干扰能力由扩频增益决定，可以通过增加扩频码长和带宽来增加扩频增益，但由于带宽和技术方面的限制扩频增益总是 有限的。窄带干扰由于其功率谱密度比宽带干扰高得多，所以它对DSSS系统的破坏性很强，仅靠系统自身的抗干扰能力很难保证系统正常工作。因此需 引入自适应干扰抑制技术。 　　该文详细介绍和分析了时域线性自适应滤波技术、时域非线性自适应滤波技术、时域新自适应算法和频域自适应滤波技术的原理和性能，并且使用 计算机进行了仿真。由于时域算法的实时性很难达到，而频域算法不但对多窄带干扰的抑制性能较好，而且算法中的快速傅立叶变换(FFT)在实际中也容 易实现，整个算法的实时性容易达到，文中选用频域算法在硬件系统上进行实现。 　　该文提出了一种基于数字中频技术的直扩系统多窄带干扰抑制器实现方案，并且使用CadencePSD设计原理图和PCB布线。中频信号通过高速A/D芯片 进行中频欠采样后送入数字下变频(DDC)芯片，将信号搬到基带并且将采样速率降为chip速率的2倍送入FIFO进行缓冲，当FIFO中的数据满时通知DSP启动 DMA从FIFO读一块数据进行窄带干扰抑制，处理完后的数据通过DSP中的串口输出。数字下变频芯片使用FPGA来配置，配置程序由DSP的定时器0输出一个 正脉冲来启动。 　　最后在CCS软件开发平台上实现了频域自适应抑制算法。程序由两部分构成，主程序采用C语言配置DSP和各外设的控制寄存器;核心处理程序采用C程 序调用汇编子程序的方法实现。汇编子程序使用线性汇编通过汇编优化器进行优化得到。通过逻辑分析仪和CCS中的相关工具可以看出该算法可以有效地 抑制多窄带干扰，并且能够达到实时性。为了能够实现DSP的自举，需要将程序烧写到系统的FLASH芯片中，该文还对DSP通过16位FLASH自举过程进行了 研究，并编写了FLASH烧写程序。 9.学位论文 蒋毅凯 “CX-1”低轨小卫星地面手持终端扩频软件解调器的体系结构及关键算法研究 2005 低轨小卫星短数据通信系统由于小型化、成本低、研制周期短在国民经济与国防建设中有着很好的发展前景。手持终端是“CX-1”低轨小卫星双向 短数据通信系统的重要组成部分，扩频解调器的低功耗、快速捕获和自适应干扰抑制是手持终端必须具备的关键特性。 本文以参加“CX-1”小卫星手持终端的研制工作为背景，在已经投入实际使用的扩频软件解调器的基础上深入地研究了手持终端中扩频软件解调器 的系统结构和关键算法，研究的重点放在：1.如何满足手持终端的特殊功能要求，即在存在大多普勒频移情况下对扩频信号的快速捕获和在地面恶劣的 电磁环境下对小卫星下行通信信号进行自适应干扰抑制。2.如何在尽可能少地降低解调器性能或者不影响解调器性能的前提下，降低扩频软件解调器的 运算量，从而达到降低功耗的目的。 首先讨论了扩频解调器的系统模型，包括扩频通信系统的简要介绍，扩频解调器的组成，并推导出“CX-1”小卫星手持终端中扩频解调器在高斯白 噪声下的误码率的理论值。随后详细地讨论了扩频软件解调器的硬件和软件设计，并从计算复杂度和解调算法计算量的角度得出了扩频软件解调是可行 的结论。 其次对扩频软件解调器中的数字下变频算法和扩频信号的快速捕获算法做了深入的研究。在分析了数字下变频频率合成查找表长度与无杂散动态范 围的关系后，针对在存在大多普勒频移情况下的数字下变频器提出了一种改进的数字下变频器结构；比较了软件扩频解调器中采用的二次变频捕获结构 和硬件相关器捕获结构相同条件下在捕获时间上的差别，提出了一种将计算量从O(N2)降低到O(Nlog2(N))的频域相关器算法，与常规频域相关器算法相 比，这个算法可以完美地解决FFT长度与伪码长度之间不匹配的缺点。 最后，比较了多普勒剩余频偏的两种估计算法的性能，一种是基于FFT的估计算法，另一种是基于分段解扩的估计算法。提出了一种MMSE(最小均方 差)码片插值器算法，并讨论了过采样和码片插值对迟早门定时恢复性能的影响。 10.期刊论文 刘智萌.左继章.赖元东.刘辉.LIU Zhi-meng.ZUO Ji-Zhang.LAI Yuan-dong.LIU Hui 基于AD6620的中 频数字直扩接收机本地载波的同步恢复 -电讯技术2005,45(2) 直接序列扩频接收机对本地载波的同步要求非常严格, 以往所需电路复杂.本文方法在数字域通过粗、细双环调整达到载波同步,具有同步时间短、 精度高、灵活性强、所需器件少、易于实现的优点.本方法已在基于AD6620数字下变频信号处理器的中频数字直扩接收机中得到应用,并可广泛用于数字 化扩频电台、遥控遥测等通信系统中. 本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_txjs201007080.aspx 授权使用：陕西理工学院(sxlgxy)，授权号：7ef72b99-d230-46b1-b2eb-9df20103ee9c 下载时间：2010年9月15日