基于改进Costas环的高精度数字BDPSK通信系统的FPGA实现

发布时间：2019-11-20 01:54

【摘要】：随着软件无线电数字通信系统的应用,使用大规模可编程器件FPGA的技术成为数字通信系统研究的热点。在高精度BDPSK系统中,基于传统Costas环的载波提取会占用FPGA器件的较大资源,采用改进的Costas环进行载波同步提取,节省了较多乘法器和加法器,提高了载波提取的运算速度。基于改进Costas环设计的14位数据端高精度BDPSK数字通信收发系统,将所有基本的单元器件集成在一块可编程FPGA芯片上,提高了系统的集成度,增加了电路的可靠性。同时,系统参数及输出数据位宽均可通过编程调整。这种可编程的数字通信系统具有良好的应用前景。
【图文】：

设备体积，满足了系统的需要，而且比专用芯片具有更大的灵活性和可控性，，在资源允许下，还可以实现多路调制。在电路的设计中，为了适应ＦＰＧＡ进行硬件运算的需求，对传统的载波提取Ｃｏｓｔａｓ环路做了相应的改进，节省了硬件资源，提高了整个电路的运算速度。２数字ＢＤＰＳＫ通信系统的改进Ｃｏｓｔａｓ环结构在ＢＤＰＳＫ通信系统中，载波信号提取通常使用Ｃｏｓｔａｓ环，它是一种抑制载波调制系统的载波提取电路，又叫做同相－正交环，它是基于相位负反馈的闭合控制环路，如图１所示。上下两个回路分别构成基本锁相环结构。乘法器和低通滤波器构成鉴相器，产生输入已调信号和本地载波的相位误差信号，上下两个回路的相位误差信号经过二次鉴相后，通过环路滤波器处理后送到压控振荡器，压控振荡器产生跟踪发送端调制载波的振荡信号，完成接收端对载波信号的提取［８－１０］。Ｆｉｇｕｒｅ１ＴｒａｄｉｔｉｏｎａｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｔｈｅＣｏｓｔａｓｌｏｏｐ图１传统Ｃｏｓｔａｓ环结构数字ＢＤＰＳＫ通信系统中，为了保证信号的精度，在系统的接收端和发送端芯片里需要一定位宽ｂｉｔ的处理运算。调制及解调信号要分别经过ＤＡ数模及ＡＤ模数的转换芯片与射频端连接。如果调制信号的数据位取１４ｂｉｔ，在图１所示的传统Ｃｏｓｔａｓ环载波提取回路中，压控振荡器ＮＣＯ（Ｎｕ－ｍｅｒｉｃａｌｌｙＣｏｎｔｒｏｌｌｅｄＯｓｃｉｌｌａｔｏｒ）输出的载波位数也取１４ｂｉｔ，这样送入鉴相乘法器的信号就是两个１４ｂｉｔ数据进行乘法运算，积为２８ｂｉｔ数据，进而送入低通滤波器的就是２８ｂｉｔ数据。因为数字

荡器ＮＣＯ（Ｎｕ－ｍｅｒｉｃａｌｌｙＣｏｎｔｒｏｌｌｅｄＯｓｃｉｌｌａｔｏｒ）输出的载波位数也取１４ｂｉｔ，这样送入鉴相乘法器的信号就是两个１４ｂｉｔ数据进行乘法运算，积为２８ｂｉｔ数据，进而送入低通滤波器的就是２８ｂｉｔ数据。因为数字ＦＩＲ（ＦｉｎｉｔｅＩｍｐｕｌｓｅＲｅｓｐｏｎｓｅ）低通滤波器是由若干个乘法器和累加器构成，这样输出的位数就会接近５０ｂｉｔ，占用了大量的逻辑资源，运算速度也很慢。经过多次编程实验验证，将传统Ｃｏｓｔａｓ环改进为如图２所示的结构，节省了传统Ｃｏｓｔａｓ中上下两个支路的数字ＦＩＲ低通滤波器，信号经过三个乘法器后送到一个数字ＦＩＲ低通滤波器，然后经环路滤波器输出控制压控振荡器的频率字信号，由压控振荡器产生本地载波信号。Ｆｉｇｕｒｅ２ＩｍｐｒｏｖｅｄｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｔｈｅＣｏｓｔａｓｌｏｏｐ图２改进Ｃｏｓｔａｓ环结构下面分析改进Ｃｏｓｔａｓ环的鉴相原理。设输入已调信号为：Ｓｉｎ（ｔ）＝ｍ（ｔ）·ｓｉｎ（ωｃｔ＋φ１）ＮＣＯ产生的同相、正交载波分别为：ｃｏｓ（ωｃｔ＋φ２）、ｓｉｎ（ωｃｔ＋φ２）经乘法器运算后，上下支路信号分别为：Ｓ１（ｔ）＝１２ｍ（ｔ）·ｓｉｎ（２ωｃｔ＋φ１＋φ２）＋ｓｉｎ（［φｅ］）Ｓ２（ｔ）＝－１２ｍ（ｔ）·ｃｏｓ（２ωｃｔ＋φ１＋φ２）－ｃｏｓ（［φｅ］）其中φｅ＝φ１－φ２。再经过乘法器后的输出为：Ｓ３（ｔ）＝－１４ｍ（

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本文编号：2563340