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

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。該部分對輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算，以得出距離信號；并負(fù)責(zé)將距離信號進(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。

2　偽碼測距原理

系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)發(fā)式二次偽隨機(jī)碼測距，即主控站發(fā)射的隨機(jī)測距信號經(jīng)用戶站轉(zhuǎn)發(fā)后再與本地碼進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，通過測量兩者相關(guān)峰的位置來確定信號到達(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型和長度。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）；當(dāng)時(shí)間相差為零，即兩序列完全對準(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)峰可以被用來測量兩個(gè)pn序列之間的時(shí)間差，借此測量用戶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)的相對運(yùn)動及時(shí)鐘的不穩(wěn)定，特別是測距的需要，必須對接收信號進(jìn)一步跟蹤，使本地參考信號盡可能跟隨接收信號的變化。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，但對長的pn碼，匹配濾波器設(shè)備量大，實(shí)現(xiàn)困難；對擴(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，工程上多采用滑動捕獲法，使接收到的序列與本地產(chǎn)生的序列進(jìn)行滑動比較，直至滿足要求。經(jīng)綜合比較，采用在實(shí)現(xiàn)上較簡單的簡單逐步移位串行捕獲法。

偽碼跟蹤即使本地參考信號盡可能跟隨接收信號的變化，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)頻碼的跟蹤通過碼跟蹤回路實(shí)現(xiàn)。延時(shí)鎖定環(huán)dll和抖動環(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的增益不平衡問題，但會導(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)信號理論上是相對發(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與本地參考信號的相位，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)目與門限進(jìn)行比較，如果大于門限則判斷為已經(jīng)捕獲到pn碼，輸出同步標(biāo)志信號；否則，通過控制電路扣除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。

4．2　精同步

中頻數(shù)字化處理后的信號與本地pn碼時(shí)鐘信號進(jìn)行鑒相比較，輸出超前或滯后脈沖信號，根據(jù)超前與滯后信號，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。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　測距

當(dāng)同步標(biāo)志信號輸出為真時(shí)，根據(jù)精同步輸出信號與粗同步輸出信號即可以計(jì)算出傳輸?shù)难訒r(shí)，得到測量距離。

5　結(jié)束語
　　
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)行速率問題。設(shè)計(jì)時(shí)利用vhdl（very high speedintegrated circuit hardware descriptionlanguage）硬件描述語言進(jìn)行設(shè)計(jì)。vhdl語言描述能力強(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。