基于FPGA的軟件無線電載波同步技術設計與實現

摘　要：同步系統工作的好壞，在很大程度上決定了通信系統的質量。GPS接收機將天線接收到的衛星信號經射頻前端處理后變成了數字中頻信號，接收機對GPS衛星的信號處理過程，可依次分為捕獲、跟蹤、位同步和幀同步四個階段。針對GPS信號的BPSK調制和強度微弱等特點，模擬GPS 接收機基帶數字信號處理過程，首先介紹了科斯塔斯（Costas）接收機的工作原理，分析研究了基于FPGA的軟件無線電載波同步技術的實現方法，并采用Costas 環實現了載波同步，性能測試驗證了設計的正確性和可行性。

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接收機對GPS衛星的信號處理過程，可以依次分為捕獲、跟蹤、位同步和幀同步四個階段。由于位同步、幀同步均需要以數據解調為前提條件，除了幅度調制及頻率調制可以采用非相干解調外，大部分調制方式都采用相干解調以獲取更好的性能，而進行相干解調，接收端就必須提取相干載波。載波同步的性能直接影響著通信系統的性能。針對GPS信號的BPSK 調制和強度微弱等特點，GPS 接收機鎖相環通常采用I/Q 解調法來幫助完成對輸入信號的下變頻、鑒相和數據解調等任務。自同步法是工程上廣泛應用的一種載波同步方式。自同步法主要有鎖相環、平方環、Costas環和判決反饋環等。目前工程上最常用的抑制載波跟蹤環是平方環和Costas環等。由于Costas 環不需要對接收信號進行平方變換，也不需要對鎖相環路中DDS 輸出的載波信號進行分頻處理，因此實現復雜度更小些，所耗費的硬件資源也更少。模擬GPS 接收機基帶數字信號處理過程，首先介紹了科斯塔斯（Costas）接收機的工作原理，分析研究了基于FPGA 的軟件無線電載波同步技術的實現方法，并采用Costas 環實現了載波同步，性能測試驗證了設計的正確性和可行性，對實際應用具有一定的指導價值。

１　Costas接收機的工作原理

目前的載波同步技術有多種電路，其中最常用的有平方環、Costas 環（同相―正交環）、判決反饋環等。J.P. Costas在１９５６年首先提出采用同相―正交環來恢復載波信號，隨后Riter 證明跟蹤低信噪比的抑制載波信號的最佳裝置是Costas 環及平方環。傳統的模擬Costas 環因存在同相支路與正交支路的不平衡性從而使環路的性能受到一定影響，且模擬電路還存在直流零點漂移、難以調試等缺點，而采用全數字的實現方式，則可以有效避免這些問題。

Costas環的工作原理如圖１所示，主要由數字頻率合成器（DDS）、數字鑒相器（乘法器）、偽碼發生器（pn_gen）、低通濾波器（LPF 和環路濾波器（LF）組成。由于它是由輸入信號分別乘以同相和正交兩路載波信號，因此常稱這種環路為同相―正交環，亦稱科斯塔斯環（Costas）。輸入信號經上、下支路分別乘以同相和正交載波，然后再與偽碼進行相乘，并通過低通濾波器后再相乘，完成鑒相功能，最后經環路濾波器輸出控制本地振蕩器的誤差電壓。