基于FPGA的偽碼測(cè)距電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

時(shí)間：2007-07-09 10:22:00

關(guān)鍵字： FPGA 測(cè)距電路相位精度

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[導(dǎo)讀]介紹了基于偽碼測(cè)距的某定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，簡(jiǎn)要分析了偽碼測(cè)距的原理，研究了用FPGA實(shí)現(xiàn)偽碼的捕獲與跟蹤的方法。

摘　要：介紹了基于偽碼測(cè)距的某定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，簡(jiǎn)要分析了偽碼測(cè)距的原理，研究了用FPGA實(shí)現(xiàn)偽碼的捕獲與跟蹤的方法。
關(guān)鍵詞：FPGA，同步，測(cè)距
　　
1　引　言
　　現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列（FPGA）用硬件電路完成算法的過(guò)程，一方面解決了系統(tǒng)的開(kāi)銷(xiāo)問(wèn)題，提供了提高系統(tǒng)整體性能的條件，另一方面，由于靜態(tài)RAM型的FPGA具備可重構(gòu)特性，這使得資源利用率得到顯著提高。FPGA既具有通用計(jì)算系統(tǒng)的靈活性，又有專(zhuān)用處理系統(tǒng)的性能，對(duì)實(shí)現(xiàn)高性能信號(hào)處理具有很高的應(yīng)用價(jià)值，而且可重構(gòu)的特性使其可以根據(jù)算法來(lái)調(diào)整相應(yīng)的通信結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)字長(zhǎng)。FPGA以其高度的靈活性與硬件的高密度性在通信信號(hào)處理中得到了廣泛的應(yīng)用。

　　在對(duì)Xilinx公司的Virtex－E系列FPGA芯片進(jìn)行充分理解的基礎(chǔ)上，結(jié)合炮兵某數(shù)字測(cè)距定位系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，這里設(shè)計(jì)了偽碼的測(cè)距電路，并對(duì)其FPGA的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了分析。

系統(tǒng)偽碼測(cè)距電路總體設(shè)計(jì)如圖1所示。

　　系統(tǒng)根據(jù)前端輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行碼的捕獲與跟蹤，這些都在FPGA邏輯運(yùn)算控制部分實(shí)現(xiàn)。該部分是系統(tǒng)的核心。

　　單片機(jī)控制部分主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的計(jì)算以及人機(jī)的信息互換。該部分對(duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算，以得出距離信號(hào)；并負(fù)責(zé)將距離信號(hào)進(jìn)行顯示，同時(shí)還可根據(jù)外部指令控制系統(tǒng)的工作。指令輸入接口可以控制數(shù)據(jù)顯示的刷新頻率，控制系統(tǒng)的工作進(jìn)程。

　　時(shí)鐘產(chǎn)生部分的主要功能是為單片機(jī)控制部分及FPGA邏輯運(yùn)算控制部分產(chǎn)生所需的不同的時(shí)鐘信號(hào)。

2　偽碼測(cè)距原理
　　系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)發(fā)式二次偽隨機(jī)碼測(cè)距，即主控站發(fā)射的隨機(jī)測(cè)距信號(hào)經(jīng)用戶(hù)站轉(zhuǎn)發(fā)后再與本地碼進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，通過(guò)測(cè)量?jī)烧呦嚓P(guān)峰的位置來(lái)確定信號(hào)到達(dá)的時(shí)間，根據(jù)收發(fā)之間的時(shí)間差即可確定主控站與用戶(hù)站之間的距離，如圖2所示。

　　PN碼的相關(guān)特性取決于所取碼的類(lèi)型和長(zhǎng)度。分析表明，當(dāng)接收到的PN碼與本地碼相差一個(gè)碼元以上時(shí)，二者的相關(guān)值接近于最大輸出的1／p（p為偽碼周期中的碼元數(shù)，即碼長(zhǎng)）；當(dāng)時(shí)間相差為零，即兩序列完全對(duì)準(zhǔn)時(shí)，輸出最大；當(dāng)二者的時(shí)間差為正負(fù)一個(gè)碼元之內(nèi)時(shí)，相關(guān)值隨著時(shí)間差的變化而變化。在一個(gè)序列周期內(nèi)，相關(guān)值只在一個(gè)碼元寬度內(nèi)有明顯變化，為三角形，其它時(shí)間基本為零。圖3為一個(gè)m序列偽碼的自相關(guān)函數(shù)的示意圖。

　　相關(guān)峰可以被用來(lái)測(cè)量?jī)蓚€(gè)PN序列之間的時(shí)間差，借此測(cè)量用戶(hù)站與主控站之間的距離。利用三角形相關(guān)峰的線性斜邊，粗同步到一個(gè)碼片寬度內(nèi)之后，通過(guò)PN碼跟蹤環(huán)可實(shí)現(xiàn)碼片內(nèi)的精同步。

3　偽碼同步模塊實(shí)現(xiàn)
　　擴(kuò)頻碼的同步又分粗略同步和精確同步，也就是擴(kuò)頻碼的捕獲和跟蹤。通過(guò)擴(kuò)頻碼的捕獲可以使本地偽碼與接收到的碼元基本保持同步，獲得二分之一碼元寬的同步精度。但由于發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)及時(shí)鐘的不穩(wěn)定，特別是測(cè)距的需要，必須對(duì)接收信號(hào)進(jìn)一步跟蹤，使本地參考信號(hào)盡可能跟隨接收信號(hào)的變化。擴(kuò)頻碼的跟蹤可以使同步精度控制在更小碼元周期范圍內(nèi)，由此得到的距離估計(jì)誤差較小。

　　常用的偽碼捕獲方法有并行捕獲方法和串行捕獲方法。并行捕獲法的捕獲時(shí)間短，但對(duì)長(zhǎng)的PN碼，匹配濾波器設(shè)備量大，實(shí)現(xiàn)困難；對(duì)擴(kuò)頻碼捕獲使本地碼與接收碼的相位保持二分之一碼元的同步精度，工程上多采用滑動(dòng)捕獲法，使接收到的序列與本地產(chǎn)生的序列進(jìn)行滑動(dòng)比較，直至滿足要求。經(jīng)綜合比較，采用在實(shí)現(xiàn)上較簡(jiǎn)單的簡(jiǎn)單逐步移位串行捕獲法。

　　偽碼跟蹤即使本地參考信號(hào)盡可能跟隨接收信號(hào)的變化，擴(kuò)頻碼的跟蹤可以使同步精度控制在十分之一碼元周期范圍內(nèi)，以減小距離估計(jì)誤差。擴(kuò)頻碼的跟蹤通過(guò)碼跟蹤回路實(shí)現(xiàn)。延時(shí)鎖定環(huán)DLL和抖動(dòng)環(huán)TDL是碼跟蹤環(huán)的兩種配置，TDL和DLL都可用于相關(guān)模式和非相關(guān)模式。TDL可以克服DLL的增益不平衡問(wèn)題，但會(huì)導(dǎo)致3dB的跟蹤誤差而使性能降低，一般采用非相干延時(shí)鎖定環(huán)DLL。

　　在本原理性設(shè)備的研制過(guò)程中，不加任何導(dǎo)航數(shù)據(jù)，經(jīng)數(shù)字下變頻后所得的數(shù)信號(hào)理論上是相對(duì)發(fā)射具有一定延時(shí)的PN序列。圖4給出了偽碼捕獲與跟蹤的實(shí)現(xiàn)過(guò)程。碼跟蹤采用的是超前－滯后型數(shù)字鎖相環(huán)（LL－DPLL），鑒相器逐周地比較輸入信號(hào)與本地參考信號(hào)的相位，根據(jù)相位超前或滯后相應(yīng)地輸出一個(gè)超前或滯后脈沖，雙相高頻時(shí)鐘源產(chǎn)生兩路反相的高頻時(shí)鐘。同時(shí)，控制電路根據(jù)鑒相電路的超前或滯后脈沖控制分頻器輸入脈沖的加減，以達(dá)到調(diào)整本地PN碼相位的目的，實(shí)現(xiàn)精同步。只要根據(jù)記錄下的超前與滯后脈沖的數(shù)目（一個(gè)碼片內(nèi)的延時(shí)），以及捕獲時(shí)記錄下的數(shù)據(jù)（一個(gè)偽碼周期內(nèi)的延時(shí)）即可計(jì)算出傳輸延時(shí)。

4　工作流程
4．1　碼的捕獲
　　在本地產(chǎn)生與發(fā)送碼完全相同并有一定相對(duì)時(shí)延的本地碼，將本地碼與接收到的PN碼進(jìn)行逐位比較，相同則計(jì)數(shù)器加1，即記錄下相同的碼片數(shù)。持續(xù)一個(gè)PN碼周期后，將二者相同的數(shù)目與門(mén)限進(jìn)行比較，如果大于門(mén)限則判斷為已經(jīng)捕獲到PN碼，輸出同步標(biāo)志信號(hào)；否則，通過(guò)控制電路扣除PN碼的產(chǎn)生時(shí)鐘一個(gè)脈沖，使PN碼延遲一個(gè)碼元，并將計(jì)數(shù)器清零，同時(shí)另一計(jì)數(shù)器記錄下PN碼延遲的碼元數(shù)，并最終輸出粗同步輸出信號(hào)。

4．2　精同步
　　中頻數(shù)字化處理后的信號(hào)與本地PN碼時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行鑒相比較，輸出超前或滯后脈沖信號(hào)，根據(jù)超前與滯后信號(hào)，加上或減去一個(gè)高頻脈沖，從而控制分頻器的輸入，達(dá)到調(diào)整本地時(shí)鐘相位的目的。同時(shí)記錄下加減脈沖的數(shù)目，計(jì)數(shù)器的輸出即為精同步輸出信號(hào)。二者達(dá)到同步時(shí)，也即完成精同步時(shí)，鑒相器產(chǎn)生交替的加減脈沖。

4．3　測(cè)距
　　當(dāng)同步標(biāo)志信號(hào)輸出為真時(shí)，根據(jù)精同步輸出信號(hào)與粗同步輸出信號(hào)即可以計(jì)算出傳輸?shù)难訒r(shí)，得到測(cè)量距離。

5　結(jié)束語(yǔ)
　　按圖4所示結(jié)構(gòu)用FPGA實(shí)現(xiàn)偽碼的同步，還應(yīng)綜合考慮芯片內(nèi)部資源利用情況與綜合后的運(yùn)行速率問(wèn)題。設(shè)計(jì)時(shí)利用VHDL（Very High SpeedIntegrated Circuit Hardware DescriptionLanguage）硬件描述語(yǔ)言進(jìn)行設(shè)計(jì)。VHDL語(yǔ)言描述能力強(qiáng)，覆蓋面廣，抽象能力強(qiáng)，可讀性好。運(yùn)用VHDL語(yǔ)言可以大大減輕設(shè)計(jì)工作強(qiáng)度，提高設(shè)計(jì)
質(zhì)量，降低出錯(cuò)率。

　　根據(jù)初步的試驗(yàn)結(jié)果，PN碼碼長(zhǎng)為127，速率為4MHz時(shí)，最大捕獲時(shí)間約為幾個(gè)ms。采用高頻時(shí)鐘，精同步可達(dá)到十分之一碼元的分辨率。

參考文獻(xiàn)
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