数字Costas环在FPGA中的实现

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1、数字Costas环在FPGA中的实现摘要：Costas环是一种闭环自动调整系统,常用于抑制载波的相位调制系统中提取参考载波信号。文中介绍了Costas环的基本原理,提出了一种用CIC滤波器代替环路滤波器的方法,并根据该原理用matlab的simulink工具箱对costas环进行了建模和仿真,最后在QuartusⅡ+ModelSim环境中用Verilog语言实现了该算法，并下载到软件无线电硬件电路中验证了该算法的正确性.仿真和实验结果表明,该Costas环路具有十分优良的性能。关键词：Costas环；VCO压控振荡器；CIC滤波器中图分类号：文献标识码：文章编号：Imple

2、mentationofDigitalCostasLooponFPGAPlatformFENGXiao-yu，YANWen-fei，LIUBi-gangAbstract：Costasloopisaclosedself-adjustingsystem,usuallyusedtoextractreferencecarrierinsuppressedcarrierphasemodulatedsystems.Inthispaper,Thebasicprincipleisintroduced,PresentsaCICfiltertoreplacetheloopfilter,andbas

3、eonthisprinciple,theCostasloopismodeledandsimulatedbythesimulinktoolboxofmatlab,Finally,inQuartusⅡ+ModelSimenvironment,usingVeriloglanguagetoimplementthealgorithm,anddownloadedtothesoftwareradiohardwarecircuitstovalidatethecorrectnessofthealgorithm.Simulationandexperimentalresultsshowthath

4、ighperformancecanbeachievedusingthiskindofall-digitaCostasloop.Keywords：Costasloop；VCO；CICfilter引言[1-2]在利用相干解调的数字通信系统中，载波同步是正确解调的前提，也是实际通信中的一项关键技术，没有载波同步就不可能正确的恢复出数字信号。常用的载波同步方法有平方环和Costas环等，由于Costas环有跟踪低信噪比的抑制载波信号的特性而在实际系统中得到广泛的应用，目前国内外对costas环尤其是改进后的costas环进行了一系列的研究，尚耀波等建立了costas环的Z域模型，通

5、过软件编程实现，称之为[3][4]软件costas环；李波等根据costas环的结构，在FPGA芯片中完成了硬件实现。然而，这些研究大部分都是基于传统的costas环结构，同时也没有考虑到程序在实际应用中的资源占用情况。本文在仔细分析Costas环的构成原理后，根据实际硬件的片上资源调整了滤波器的结构，提出一种用CIC滤波器来取代传统的环路滤波器。最后，本文结合项目的应用，首先在simulink平台上实现了该算法，然后移植到Verilog上，用实际的FPGA芯片对此算法进行了验证。1Costas环原理1.1传统Costas环的结构科斯塔斯环又称同相正交环Costas环，Co

6、stas环由Costas1956年提出，其环路工作频率为载波频率，远远低于平方环的工作频率，实现成本较低。其原理框图如图1（a）：(a)Costas环原理框图(b)改进后Costas环原理框图图1改进前后Costas环原理框图在Costas环环路中，误差信号V7是通过两路低通滤波输出相乘得到。压控振荡器(VCO)输出信号直接供给一路相乘器，供给另一路的则是压控振荡器输出经90o移相后的信号。两路相乘后经过低通滤波和环路可以得到仅与载波相位偏差信号有关的信号V7.用此信号来控制VCO就可以调整VCO输出和载波信号保持一致的相位。现在从理论上对Costas环的工作过程加以说明。

7、设输入调制信号为mt()cosct，则1vm(t)costcos(t)m(t)[coscos(2t)]（1-1）3ccc21vm(t)costsin(t)m(t)[sinsin(2t)]（1-2）4ccc2经低通滤波器后的输出分别为：1vm(t)cos521vm(t)sin62将v5和v6在相乘器中相乘，得，12vvvm(t)sin2（1-3）7568（1-3）中θ是压控振荡器输出信号与输入信号载波之间的相位误差，当θ较小时，12vm(t)（1-4）7