基于FPGA的数字Costas环的设计与实现

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1、第28卷第2期2010年4月中国民航大学学报JOURNALOFCIVILAVIATIONUNIVERSITYOFCHINAV01．2sNo．2April2010基于FPGA的数字Costas环的设计与实现吴仁彪，汪万维，胡铁乔，钟伦珑(中国民航大学天津市智能信号与图像处理重点实验室，天津300300)摘要：通过对数字Costas环路原理的分析，提出了新的环路鉴相方式。且环路参数可根据锁定情况及时修改，确保锁相环路稳定工作。详细阐述了环路各部件的参数及电路设计。ChipScopePro实时观测FPGA内部信号和Maflab仿真结果表明，该Costas环路具有十分优良的性能。关键词：Cos

2、tas环：鍪相环；FPGA中围分类号：TN911．7文献标识码：A文章编号：1674-559012010)02-0035-04DesignandImplementationofCostasLoopBasedonFPGA形URen-biao，WANGWan-wei，HUTie-qiao，ZHONGLun-long(Tidnji,,KeyLabforAdvancedSig,以Processing，CAUC，ri,Wi,,300300，China)Abstract：Amethodofphase-detectedloopispresentedbyanalyzingtheprincipleofC

3、ostasloop．Theloopparameterscanbeadjusted．whichguaranteestheloopworkingwellTheparametersanddesignofeachpartoftheloopa弛describedindetail．TheinternalsignalsofFPGA(fieldprogrammablegatearray)observedbyChipScopeProandthesimulationresultsshowthathi【ghperformancecanbeachievedusingthiskindofCostasloop．K

4、eywords：Costasloop；phase-detectedloop；FPGA(fieldprogrammablegatearray)扩频通信系统大多采用数字调制技术，其属于载波抑制系统。所谓载波抑制系统是指没有连续波环可跟踪残留载波分量的系统。对抑制载波信号进行跟踪通常需要采用一些特殊的锁相环路，常见的有平方环、同向一正交环(Costas环)、判决反馈环和通用载波恢复环等。Riter已经证明川，跟踪低信噪比的抑制载波信号的最佳装置是Costas环和平方环，Holmes，J．K已经证明这两种环路是等效的[21，即有着相同的随机微积分方程。由于平方环自身的特点，载波提取需要在高频带

5、上进行处理，这样势必会给环路的电路制作和调试带来一定的麻烦。故对于扩频通信系统中的BPSK调制信号来说，一般均采用Costas环进行载波跟踪。由于笔者所从事的工程项目中接收的信号正好是BPsK调制信号，故采用之。1Costas环的基本原理Costas环主要由Nco(数控振荡器)、LPF(低通滤波器)、PD(鉴相器)及环路滤波器(LF)组成。为了降低噪声对环路系统的影响，降低FPGA芯片的功耗，本文对环路数据依次进行了2倍移位抽取和4倍抽取，其原理结构如图l所示。{．⋯．．⋯．．．．．．．．．．．．．j图1数字c．1st躯环结构图Fig．1StructurechartofCostas设输

6、人的BPSK直扩序列扩频信号为u(t)：M(t)PN(t)eosto：=【∑a。g(t—nT,)]PN(t)eosto。t(1)收稿日期：2009-07-04；修回日期-'2009—11一ll基金项目：国家杰出青年基金项目(60325102)；中国民用航空局科技基金项且(MY0517409)作者简介：吴仁彪(1966一)，男，湖北武汉人。教授，博士，研究方向为信号处理．中国民航大学学报2010年4月其中：肘(t)=∑ang(t一凡z)为数据信息调制信号；PⅣ(t)为扩频序列码；tOc为输入载波的角频率。本地NCO的同向与正交支路的输出分别为￡如)=cos(tact+aq,)(2)LeO

7、)=sin(toot+△西)(3)其中，a4,为输入信号和本地NCO信号的瞬时相位差，则同向、正交支路与输入BPSK信号通过乘法器相乘后的两路输出分别为％，(t)=【∑嘞“t—nz)yw(f)cosO)ctcos(tort+△咖)(4)up，(￡)=【∑a。g(t一肛z)]PⅣ(f)C080)ctsin(蛳+A6)(5)经过LPF滤除高频分量后，可得到巩．(t)={--APN(t)cos△咖(6)％(f)=}APⅣ(￡)sina4,(7)其中，