.2、時(shí)鐘管理模塊
[0047] 時(shí)鐘管理模塊實(shí)現(xiàn)的主要功能是完成輸入時(shí)鐘的鎖相和倍頻，為系統(tǒng)提供64MHz 的全局穩(wěn)定時(shí)鐘。具體實(shí)現(xiàn)方式是：當(dāng)外部提供10MHz恒溫晶振時(shí)，調(diào)用QuartusII13. 0 內(nèi)置的DCMIP核使輸入的10MHz倍頻到64MHz的全局工作時(shí)鐘。
[0048] 1. 3、通信模塊
[0049] 通信模塊把來(lái)自信號(hào)接收部分的解調(diào)信息數(shù)據(jù)與幀頭幀尾組成完整的一幀。
[0050] 1. 4、擴(kuò)頻碼生成模塊
[0051] 擴(kuò)頻碼在FPGA中的生成方式有兩種，一種是由擴(kuò)頻碼發(fā)生器生成擴(kuò)頻碼；另外一 種是在matlab中生成二進(jìn)制序列，然后把.m文件轉(zhuǎn)換為.mif文件存入ROM核中，通過(guò)DDS 來(lái)控制ROM核讀取的速率。擴(kuò)頻碼生成模塊的主要功能除了生成擴(kuò)頻碼以外，還具有產(chǎn)生 時(shí)間信息的作用。一個(gè)擴(kuò)頻碼周期長(zhǎng)度為lms，對(duì)擴(kuò)頻碼周期進(jìn)行計(jì)數(shù)達(dá)到20次時(shí)產(chǎn)生一 個(gè)20ms脈沖信號(hào)用于控制對(duì)通信電文的讀取速率。
[0052] 1. 5、載波生成模塊
[0053] 載波信號(hào)的生成與擴(kuò)頻碼生成方式類似，但載波模塊中的ROM核存儲(chǔ)的是余弦信 號(hào)。程序中讀取地址位相位累加器的高9位，幅度量化位寬為12。當(dāng)載波速率為16MHz，相 位累加器的位數(shù)為32時(shí)，頻率控制字K為 0 3 2 ] /"
[0054] K=-- = 1073741824 (5) 64
[0055] 1. 6、信號(hào)調(diào)制模塊
[0056] 信號(hào)調(diào)制模塊實(shí)現(xiàn)的主要功能是完成通信電文的擴(kuò)頻和BPSK載波調(diào)制。1比特 電文的位寬等于20個(gè)偽碼周期，所以需要每隔20ms從完整的通信電文中讀取一比特電文， 20ms的計(jì)數(shù)是來(lái)自擴(kuò)頻碼生成模塊計(jì)數(shù)得到。對(duì)信號(hào)進(jìn)行擴(kuò)頻時(shí)還需要注意在同一時(shí)鐘上 升沿到來(lái)時(shí)電文翻轉(zhuǎn)要與擴(kuò)頻碼的翻轉(zhuǎn)對(duì)齊。信號(hào)擴(kuò)頻后再與載波做BPSK調(diào)制生成數(shù)字 中頻信號(hào)。
[0057] 2、同步信號(hào)接收部分
[0058] 信號(hào)接收部分主要由射頻前端、基帶數(shù)字信號(hào)處理、電文解析和秒脈沖信號(hào)輸出 四大模塊構(gòu)成。射頻信號(hào)通過(guò)天線進(jìn)入接收設(shè)備，信號(hào)先后經(jīng)過(guò)前置濾波器和前置放大器， 濾除接收信號(hào)中的噪聲和其它雜散信號(hào)，并對(duì)信號(hào)功率進(jìn)行放大；然后經(jīng)過(guò)下變頻器變頻 為模擬的中頻信號(hào)，最后通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器后，成為數(shù)字中頻信號(hào)。在對(duì)數(shù)字中頻信號(hào)進(jìn)行處 理時(shí)，實(shí)時(shí)提取出時(shí)間信息和電文信息，并根據(jù)時(shí)間信息來(lái)輸出pps秒脈沖信號(hào)。
[0059] 信號(hào)接收部分的硬件實(shí)現(xiàn)是基于FPGA+DSP平臺(tái)構(gòu)成的，F(xiàn)PGA模塊中主要完成對(duì) 信號(hào)的捕獲和系統(tǒng)時(shí)鐘的控制，而信號(hào)的跟蹤是由FPGA與DSP共同完成。跟蹤過(guò)程中，本 地載波和擴(kuò)頻碼在FPGA生成，完成對(duì)接收信號(hào)的相關(guān)運(yùn)算后，將運(yùn)算結(jié)果通過(guò)EMIF接口發(fā) 送到DSP中；DSP根據(jù)相關(guān)積分結(jié)果進(jìn)行鑒頻鑒相處理，將處理過(guò)后的值轉(zhuǎn)換成頻率控制字 發(fā)送給FPGA;FPGA再?gòu)腄SP發(fā)送過(guò)來(lái)的信息中調(diào)整碼相位和載波相位，實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的實(shí)時(shí) 跟蹤。跟蹤時(shí)，F(xiàn)PGA提取擴(kuò)頻碼的整數(shù)碼片作為輸出秒脈沖信號(hào)的時(shí)間刻度值，提取小數(shù) 碼片用來(lái)減小系統(tǒng)的鐘模糊度；DSP通過(guò)對(duì)通信電文的位同步與幀同步處理后進(jìn)行電文解 析，解析的結(jié)果再通過(guò)EMIF接口發(fā)送到FPGA中，最后將數(shù)據(jù)信息傳遞給信號(hào)發(fā)射部分。如 圖6所示，
[0060] 2. 1、同步信號(hào)捕獲的FPGA實(shí)現(xiàn)
[0061] 對(duì)信號(hào)的捕獲在FPGA中完成，捕獲過(guò)程分為四個(gè)部分：降采樣處理、數(shù)字相關(guān)運(yùn) 算、非相干累加處理和Tong檢測(cè)輸出。數(shù)字中頻信號(hào)先與同相支路和正交支路上的載波信 號(hào)進(jìn)行混頻，然后對(duì)復(fù)數(shù)形式的混頻結(jié)果做FFT運(yùn)算，將去載波后的運(yùn)算結(jié)果與做FFT運(yùn)算 的擴(kuò)頻碼取共軛后的值做乘積運(yùn)算，最后對(duì)乘積的結(jié)果做傅里葉反變換送入到峰值檢測(cè)模 塊中，完成對(duì)信號(hào)的搜索。
[0062] 2. 2、同步信號(hào)的跟蹤實(shí)現(xiàn)
[0063] 信號(hào)的跟蹤處理過(guò)程由FPGA和DSP共同完成。FPGA由載波NC0、碼NC0和積分清 除三個(gè)子模塊組成。模塊的主要功能是通過(guò)DSP發(fā)送的載波和偽碼頻率控制字，完成數(shù)字 中頻信號(hào)的解調(diào)和解擴(kuò)，并將積分值發(fā)送給DSP進(jìn)行鑒頻、鑒相處理。
[0064] 信號(hào)進(jìn)入到積分清除模塊后，先與載波NC0模塊生成的正弦和余弦信號(hào)做混頻， 混頻后的信號(hào)接著與超前、即時(shí)和滯后碼做相關(guān)運(yùn)算得到積分值。然后將相關(guān)運(yùn)算結(jié)果進(jìn) 行累加發(fā)送給DSP作鑒相處理。DSP獲取到積分累加值后，向FPGA發(fā)送一個(gè)有效標(biāo)志位，通 知FPGA發(fā)送下一時(shí)刻的積分結(jié)果，并將信號(hào)處理狀態(tài)轉(zhuǎn)為跟蹤。
[0065] 2. 3、信號(hào)的同步解碼
[0066] 信號(hào)在進(jìn)入跟蹤狀態(tài)后，接下來(lái)需要對(duì)它進(jìn)行位同步和幀同步處理，從而獲取通 信電文。信號(hào)的同步和解碼都是在DSP中進(jìn)行的，解碼后的電文發(fā)送到FPGA再通過(guò)串口傳 給上位機(jī)。
[0067] 在信號(hào)確認(rèn)位同步以后，就意味著程序已經(jīng)確認(rèn)每一真實(shí)的比特電文，接下來(lái)就 需要找到通信電文的幀頭和幀尾組成一幀信號(hào)，最后將每幀數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在寄存器中。
[0068] 在信號(hào)判斷幀同步以后，根據(jù)幀頭是否翻轉(zhuǎn)來(lái)轉(zhuǎn)換電文的電平值。然后把幀頭后 面的值發(fā)送到一個(gè)數(shù)組中，同時(shí)對(duì)發(fā)送的電文比特統(tǒng)計(jì)個(gè)數(shù)。
[0069] 2. 4、時(shí)鐘管理與秒脈沖信號(hào)的輸出
[0070] 接收機(jī)中對(duì)整個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘的管理控制是在FPGA中進(jìn)行的，接收機(jī)的時(shí)鐘源由外 部的10MHz壓控晶振提供，系統(tǒng)的整個(gè)工作時(shí)鐘為64MHz，產(chǎn)生方式是調(diào)用FPGA內(nèi)部的PLL 環(huán)，使外部輸入的10MHz時(shí)鐘振倍頻到64MHz，這與信號(hào)產(chǎn)生端的時(shí)鐘倍頻方式一樣，不同 點(diǎn)是，為了提高秒脈沖信號(hào)的同步精度，時(shí)鐘還同時(shí)倍頻到了 160MHz，之所以不用160MHz 做全局時(shí)鐘是因?yàn)閺腇PGA的資源和時(shí)序上進(jìn)行考慮的。
[0071]FPGA除了利用PLL環(huán)產(chǎn)生工作時(shí)鐘以外，還生成不同的時(shí)間標(biāo)志位，包括本地時(shí) 鐘計(jì)數(shù)產(chǎn)生的lms脈沖，作為捕獲時(shí)的lms信號(hào)采樣標(biāo)志位；10ms脈沖用于對(duì)載波頻率控 制字的更新；產(chǎn)生的〇. 5ms脈沖發(fā)送到DSP中作為其產(chǎn)生中斷的計(jì)時(shí)刻度。
[0072] 脈沖的生成方式是以擴(kuò)頻碼碼片為最小時(shí)間刻度，然后對(duì)其累加輸出的。擴(kuò)頻碼 的設(shè)計(jì)速率為lMcps，一個(gè)周期有1000個(gè)碼片，每個(gè)碼片持續(xù)的時(shí)間為1000ns。對(duì)接收到的 信號(hào)進(jìn)入跟蹤狀態(tài)以后，本地產(chǎn)生的擴(kuò)頻碼碼相位與接收信號(hào)的擴(kuò)頻碼碼相位保持同步。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 基于無(wú)線通信的時(shí)間同步中繼系統(tǒng)，其特征是，由信號(hào)發(fā)射部分和信號(hào)接收部分組 成；其中 信號(hào)接收部分包括接收天線、接收射頻前端單元、AD轉(zhuǎn)換器和同步信號(hào)接收單元；接 收天線將接收到的射頻信號(hào)經(jīng)過(guò)接收射頻前端單元的處理后下變頻至模擬中頻信號(hào)；該模 擬中頻信號(hào)通過(guò)AD轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字中頻信號(hào)；同步信號(hào)接收單元對(duì)數(shù)字中頻信號(hào)做載 波解調(diào)和偽碼解擴(kuò)，并把解調(diào)出的電文數(shù)據(jù)信息輸出，同時(shí)根據(jù)接收信號(hào)中包含的時(shí)間信 息輸出秒脈沖信號(hào)； 信號(hào)發(fā)射部分包括同步信號(hào)生成單元、DA轉(zhuǎn)換器、發(fā)射射頻前端單元和發(fā)射天線；同 步信號(hào)生成單元利用信號(hào)接收部分輸出的秒脈沖信號(hào)馴服本地時(shí)鐘的秒脈沖信號(hào)，并對(duì)信 號(hào)接收部分解調(diào)出的電文數(shù)據(jù)信息重新編碼和調(diào)制為數(shù)字中頻信號(hào)；DA轉(zhuǎn)換器件將調(diào)制 好的數(shù)字中頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬中頻信號(hào)；該模擬中頻信號(hào)經(jīng)過(guò)發(fā)射射頻前端單元上變頻至 射頻信號(hào)通過(guò)發(fā)射天線發(fā)射出去。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述基于無(wú)線通信的時(shí)間同步中繼系統(tǒng)，其特征是，同步信號(hào)生成 單元包括基準(zhǔn)秒脈沖生成模塊、時(shí)鐘管理模塊、通信模塊、擴(kuò)頻碼生成模塊、載波生成模塊 和信號(hào)調(diào)制模塊； 基準(zhǔn)秒脈沖生成模塊，利用信號(hào)接收部分輸出的秒脈沖信號(hào)馴服本地時(shí)鐘，并送入時(shí) 鐘管理模塊； 時(shí)鐘管理模塊，完成輸入時(shí)鐘的鎖相和倍頻，為系統(tǒng)提供全局穩(wěn)定時(shí)鐘； 通信模塊，把來(lái)自信號(hào)接收部分的解調(diào)信息數(shù)據(jù)與幀頭幀尾組成完整的一幀，并由此 形成電文數(shù)據(jù)； 擴(kuò)頻碼生成模塊，用于產(chǎn)生擴(kuò)頻碼； 載波生成模塊，用于產(chǎn)生載波； 信號(hào)調(diào)制模塊，根據(jù)產(chǎn)生的擴(kuò)頻碼和載波，完成通信電文的擴(kuò)頻和載波調(diào)制，并發(fā)送至 DA轉(zhuǎn)換器。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述基于無(wú)線通信的時(shí)間同步中繼系統(tǒng)，其特征是，基準(zhǔn)秒脈沖生 成模塊包括時(shí)鐘計(jì)數(shù)器、計(jì)數(shù)比較器、電壓轉(zhuǎn)換器和壓控晶振； 時(shí)鐘計(jì)數(shù)器接收信號(hào)接收部分輸出的秒脈沖信號(hào)，并在秒脈沖信號(hào)的控制下對(duì)壓控晶 振的CLK時(shí)鐘輸出計(jì)數(shù)； 計(jì)數(shù)比較器將時(shí)鐘計(jì)數(shù)器輸出的實(shí)際CLK時(shí)鐘個(gè)數(shù)與壓控晶振的額定CLK時(shí)鐘個(gè)數(shù)進(jìn) 行比較，判斷壓控晶振的時(shí)鐘快慢； 電壓轉(zhuǎn)換器根據(jù)計(jì)數(shù)比較器判斷的壓控晶振的時(shí)鐘快慢結(jié)果，去改變壓控晶振的控制 電壓； 壓控晶振向時(shí)鐘計(jì)數(shù)器輸出實(shí)際CLK時(shí)鐘個(gè)數(shù)，同時(shí)接受控域電壓轉(zhuǎn)換器輸出電壓的 控制，并最終實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘馴服。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述基于無(wú)線通信的時(shí)間同步中繼系統(tǒng)，其特征是，同步接收模塊 包括同步信號(hào)捕獲模塊、相干器、同步信號(hào)跟蹤模塊、秒脈沖信號(hào)的輸出模塊和信號(hào)同步解 碼模塊； 同步信號(hào)捕獲模塊，通過(guò)對(duì)接收射頻前端單元輸出的數(shù)字中頻信號(hào)進(jìn)行降采樣處理、 數(shù)字相關(guān)運(yùn)算、非相干累加處理和峰值檢測(cè)處理后，完成對(duì)信號(hào)的搜索，獲得電文數(shù)據(jù)的碼 相位和載波頻率； 相干器，對(duì)同步信號(hào)捕獲模塊輸出的碼相位和載波頻率做相關(guān)運(yùn)算得到積分值； 同步信號(hào)跟蹤模塊，根據(jù)同步信號(hào)捕獲模塊輸出的碼相位和載波頻率，完成對(duì)數(shù)字中 頻信號(hào)的解調(diào)和解擴(kuò)，并對(duì)相干器輸出的積分值進(jìn)行鑒頻和鑒相處理； 秒脈沖提取模塊，對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)入跟蹤狀態(tài)以后，本地產(chǎn)生的擴(kuò)頻碼碼相位與接 收信號(hào)的擴(kuò)頻碼碼相位保持同步，由此獲得秒脈沖信號(hào)； 信號(hào)同步解碼模塊，對(duì)同步信號(hào)跟蹤模塊輸出的信號(hào)進(jìn)行同步和幀同步處理，從而獲 取通信電文。
【專利摘要】本實(shí)用新型公開(kāi)一種基于無(wú)線通信的時(shí)間同步中繼系統(tǒng)，包括信號(hào)接收部分和信號(hào)發(fā)射部分兩個(gè)部分。信號(hào)接收部分將天線接收到的信號(hào)經(jīng)過(guò)射頻前端單元的處理后下變頻至中頻，并通過(guò)AD轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字中頻信號(hào)，接下來(lái)對(duì)數(shù)字信號(hào)做載波解調(diào)和偽碼解擴(kuò)，然后把解調(diào)出的數(shù)據(jù)信息輸出，同時(shí)根據(jù)接收信號(hào)中包含的時(shí)間信息輸出秒脈沖信號(hào)；信號(hào)發(fā)射部分利用信號(hào)接收部分輸出的秒脈沖信號(hào)馴服本地時(shí)鐘的秒脈沖信號(hào)，并對(duì)信號(hào)接收部分解調(diào)出的數(shù)據(jù)信息重新編碼和調(diào)制，DA轉(zhuǎn)換器件將調(diào)制好的數(shù)字中頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，經(jīng)過(guò)上變頻至射頻信號(hào)通過(guò)天線發(fā)射出去。本實(shí)用新型不受周圍障礙物，并能夠?qū)崿F(xiàn)非直視各終端之間的時(shí)間同步和數(shù)據(jù)傳輸。
【IPC分類】H04L7/00, H04J3/06
【公開(kāi)號(hào)】CN204681393
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201520414801
【發(fā)明人】孫希延, 紀(jì)元法, 符強(qiáng), 肖建明, 嚴(yán)素清, 吳孫勇, 王守華, 鄧洪高, 廖桂生
【申請(qǐng)人】桂林電子科技大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年9月30日
【申請(qǐng)日】2015年6月16日