随着中国二代导航系统的建设，卫星导航的应用将普及到各个行业，具有自主知识产权的卫星导航接收机的研究与设计是该领域的一个研究热点。在接收机的设计中，对于成熟技术将利用ASIC芯片进行批量生产，该芯片是专用芯片，一旦制造成型不能改变。但是对于正在研究的接收机技术，特别是在需要利用接收机平台进行提高接收机性能研究时，利用FPGA通用可编程门阵列芯片是非常方便的。在FPGA上的研究成果，一旦成熟可以很方便的移植到ASIC芯片，进行批量生产。本课题就是基于FPGA研究GPS并行捕获技术的硬件电路，着重进行了其中一个捕获通道的设计和实现。 GPS信号捕获时间是影响GPS接收机性能的一个关键因素，尤其是在高动态和实时性要求高的应用中或者对弱GPS信号的捕获方面。因此，本文在滑动相关法基础上引出了基于FFT的并行快速捕获方法，采用自顶向下的方法对系统进行总体功能划分和结构设计，并采用自底向上的方法对系统进行功能实现和验证。 本课题以Xilinx公司的Spartan3E开发板为硬件开发平台，以ISE9.2i为软件开发平台，采用Verilog HDL编程实现该系统。并利用Nemerix公司的GPS射频芯片NJ1006A设计制作了GPS中频信号产生平台。该平台可实时地输出采样频率为16.367MHz的GPS数字中频信号。 本课题主要是基于采样率变换和FFT实现对GPS C/A码的捕获。该算法利用平均采样的方法，将信号的采样率降低到1.024 MHz，在低采样率下利用成熟的1024点FFT IP核对C/A码进行粗捕，给出GPS信号的码相位(精度大约为1/4码片)和载波的多普勒频率，符合GPS后续跟踪的要求。 同时，由于FFT算法是以资源换取时间的方法来提高GPS捕获速度的，所以在设计时，合理地采用FPGA设计思想与技巧优化系统。基于实用性的要求，详细的给出了基于FFT的GPS并行捕获各个模块的实现原理、实现结构以及仿真结果。并达到降低系统硬件资源，能够快速、高效地实现对GPS C/A码捕获的要求。 本研究是导航研究所承担的国家863课题“利用多径信号提高GNSS接收机性能的新技术研究”中关于接收机信号捕获算法的一部分，对接收机的设计具有一定的参考价值。
上传时间： 2013-07-22
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通信与信息技术行业飞速发展，已成为我国支柱产业之一。随着该行业的迅速发展，社会对具备实际动手能力人才的需求也不断增加，高校通信教学改革势在必行。在最初的通信原理实验设备中每个实验独立占用一块硬件资源，随着EDA技术的发展，实验设备厂商将CPLD/FPGA技术作为独立的一项实验内容，加入到通信原理实验设备中。FPGA技术具备集成度高、速度快和现场可编程的优势，适合高集成度和高速的时序运算。本文总结现有通信原理实验设备的优缺点，采用FPGA技术设计出集验证性和设计性于一体，具备较高的综合性和系统性的通信原理实验系统。 本系统提供了一个开放性的硬件、软件平台，从培养学生实际动手能力出发，利用FPGA在通用的硬件上实现所有实验内容。学生在本系统上除了能完成已固化的实验内容，还可以实现电子设计开发和验证。这对培养学生的实践能力大有裨益。 本文结合数字通信系统基本模型，把基于FPGA的通信原理实验系统划分为信号源模块、发送端模块、信道仿真模块、接收端模块和同步模块几部分。其中，模拟信号源采用DDS技术，能够生成非常高的频率精度，可作为任意波形发生器。发送端和接收端模块结合到一起组成多体制调制解调器，形成多频段、多波形的软件无线电系统。载波同步采用全数字COSTAS环提取技术，具备良好的载波跟踪特性，利用对载波相位不敏感 的Gardner算法跟踪位同步信号。 本文首先介绍了通信原理实验系统的研究现状和意义；然后根据通信系统模型从《通信原理》各个章节中提炼出各模块的实验内容，分别列出各实验的数字化实现模型；继而根据各模块资源需求选取合适FPGA芯片，并给出硬件设计方案；最后，给出各模块在FPGA上具体实现过程、系统测试结果及分析。测试和实际运行结果表明设计方法正确，且功能和技术指标满足设计要求。 关键词：通信原理，实验系统，FPGA，DDS，多体制调制解调，全数字COSTAS环，位同步
上传时间： 2013-07-07
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互联网、移动通信、星基导航是21世纪信息社会的三大支柱产业，而GPS系统的技术水平和发展历程代表着全世界卫星导航系统的发展状况。目前，我国已经成为GPS的使用大国，卫星导航产业链也已基本形成。然而，我们对GPS核心技术(即如何捕获卫星信号并保持对信号的跟踪)的研究还不够深入，我国GPS产品的核心部分多数还是靠进口。因此，对GPS核心技术的研究是非常紧迫的。 本文首先介绍了GPS的定位原理，之后阐述了GPS接收机的基本原理一直接扩频通信和GPS信号的结构与特性。从这些方面出发研究接收机基带处理器的捕获与跟踪设计方案。 设计过程中，先详细分析了滑动相关的捕获算法和基于FFT的快速捕获算法，并利用matlab进行了验证。由于前者灵活性好且可捕获到高精度的码相位和载波频率，适合于本文的硬件接收机，所以本文确定了滑动相关的捕获方案。 接着分析了跟踪环路的特点，跟踪模块采用码跟踪环和载波跟踪环耦合的方法实现。由于GPS系统通常工作在非常低的信噪比环境中，而非相干环在低信噪比下环路跟踪性能较好，所以码跟踪环采用非相干(DDLL)环实现。这种跟踪环路采用的鉴相器是能量鉴相器，对数据的调制和载波相位都不敏感，鉴相器不会产生不确定量。由于输入信号存在180°相位翻转，而COSTAS锁相环允许数据调制，对I支路和Q支路信号的180°相位翻转不敏感，所以载波跟踪环采用COSTAS锁相环实现。上述算法在matlab环境下得到了验证。 基带处理器电路的主要模块在Quartus II8.0开发平台上利用VHDL硬件描述语言实现。然后利用EDA仿真工具ModelSim-Altera6.1g进行了逻辑仿真。本设计满足系统功能和性能的要求，可以直接用于实时GPS接收机系统的设计中，为自主设计GPS接收机奠定了基础。 最后，由于在弱电磁环境下，捕获失锁后32PPS信号会丢失。所以设计了一个能授时和守时的算法去得到与GPS时同步的精确授时秒信号。并且实现了这个算法。
上传时间： 2013-04-24
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扩频通信系统与常规的通信系统相比，具有很强的抗窄带干扰，抗多径干扰，抗人为干扰的能力，并具有信息隐蔽、多址保密通信等优点，在近年来得到了迅速的发展。论文针对直扩通信系统中伪码和载波同步问题而展开，研究了直扩系统的结构、性能及完成了相关参数的计算，改进了包络算法，设计了解扩和解调器，最后用ISE9.1实现了解扩和解调器的仿真波形，验证了设计的正确性。 论文研究了扩频通信系统的特点、国内外发展现状及理论基础，完成了DS-QPSK接收机的解扩器和解调器的设计与实现。解扩器主要围绕着伪码的捕获与跟踪这一核心，分析了解扩器的结构、性能及其完成了相关参数的计算，完成了数字下变频器、伪码发生电路、伪码相关积分提取电路、多通道快码捕获电路、伪码跟踪鉴相电路、伪码时钟调整电路的设计，并在ISE9.1编程综合得到仿真结果，验证了设计的正确性。由于相关积分包络算法是整个系统的基础和核心，为了减少时延和系统所占硬件资源，改进了包络算法并得到了仿真验证。结果表明，它不但减少了硬件资源的占用、缩短了延时，而且对整个系统的优化起着决定性的作用。论文给出了伪码同步的仿真结果及资源占用情况，有力地说明了解扩器占用资源少、时延短等特点。 解调器研究了频偏及载波相位误差对信号的影响及同步方案，完成了数控振荡器、反正切鉴频器、环路滤波器的设计并得到了相关的仿真波形，实现了载波的跟踪，给出了仿真结果及资源占用情况，对系统实现过程中的一些经验进行了总结。最后是对论文工作的一些总结和对今后工作的展望。
上传时间： 2013-06-13
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本论文基于直接扩频通信的理论设计了一种全数字的中频接收机，使用Xilinx公司的FPGA芯片xc3s400作为接收机的主芯片，实现中频数字信号的下变频，基带解调，PN码的捕获及跟踪环路的设计并给出了它们的具体设计步骤及RTL级逻辑电路图。本文对于数字下变频器的设计、数字抑制载波恢复环的设计进行了详细的论述，还使用Matlab中的Simulink对本接收机系统所要使用的全数字Costas环进行了功能仿真并给出了仿真结果。 本文使用高速模数转换器AD9601对中频模拟信号进行采样，最后再用高速数模转换器AD9740还原出原始信息，并给出了它们与核心芯片xc3s400的接口设计方法及原理电路图。
上传时间： 2013-07-30
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本文提出了一种基于FPGA的硬件防火墙的实现方案，采用了FPGA来实现千兆线速的防火墙。传统的基于X86等通用CPU的防火墙无法支撑快速增长的网络速度，无法实现线速过滤和转发。本文在采用FPGA可编程器件+通用CPU模式下，快速处理网络数据。网络数据在建立连接跟踪后，直接由FPGA实现的快速处理板直接转发，实现了网络数据的线速处理，通用CPU在操作系统支持下，完成网络数据的连接跟踪的创建、维护，对网络规则表的维护等工作。FPGA硬件板和CPU各司所长，实现快速转发的目的。 本文设计了基于FPGA的硬件板的硬件规格，提出了硬件连接跟踪表的存储模式，以及规则表的存储模式和定义等； 防火墙系统软件采用NetBSD操作系统，完成了硬件板的NetBSD的驱动；在软件系统完成了新建连接的建立、下发、老化等工作；在连接跟踪上完成了规则的建立、删除、修改等工作。 本文完成了防火墙的实现。实现了基于连接跟踪的包过滤、地址转换（NAT），设计了连接跟踪的关键数据结构，包过滤的关键数据结构等，重用了NetBSD操作系统的路由。本文针对地址转换应用程序的穿透问题，新增了部分实现。 在DoS攻击是一种比较常见的攻击网络手段，本文采用了软硬件结合的方法，不仅在软件部分做了完善，也在硬件部分采取了相应的措施，测试数据表明，对常见的Syn洪水攻击效果明显。 在实践过程中，我们发现了NetBSD操作系统内核的软件缺陷，做了修正，使之更完善。 经过测试分析，本方案不仅明显的优于X86方案，和基于NP方案、基于ASIC方案比较，具有灵活、可配置、易升级的优点。
上传时间： 2013-06-21
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卫星导航定位系统可以为公路、铁路、空中和海上的交通运输工具提供导航定位服务。它能够军民两用，战略作用与商业利益并举。只要持有便携式接收机，则无论身处陆地、海上还是空中，都能收到卫星发出的特定信号。接收机选取至少四颗卫星发出的信号进行分析，就能确定接收机持有者的位置。 GPS导航定位接收机的理论基础即是扩频通信理论，扩频通信技术与常规的通信技术相比，具有低截获率，强抗噪声，抗干扰性，具有信息隐蔽和多址通信等特点，目前己从军事领域向民用领域迅速发展，成为进入信息时代的高新技术通信传输方式之一。扩频通信技术中，最常见的是直接序列扩频通信(DSSS)系统，本文所研究的就是这一类系统。 目前在卫星信号的捕获上一般使用两种方法：顺序捕获方法(时域法，基于大规模并行相关器)和并行捕获方法(频域法，基于FFT)。本文在第二章分别分析了现有顺序捕获和并行捕获技术的原理，并给出了它们的优缺点。 本文第三章对长码的直接捕获进行了深入的研究，基于对国内外相关文献中长码直捕方法的分析与对比，并且结合在实际过程中硬件资源需求的考虑，应用了基于分段补零循环相关和FFT搜索频偏的直捕方法。此方法大大减少了计算量，加快了信号捕获的速度。本方法利用FFT实现接收信号与本地长码的并行相关，同时完成频偏的搜索，将传统的二维搜索转换为并行的一维搜索，从而能快速实现长码捕获。 GPS信号十分微弱，灵敏度低，在战场环境下，GPS接收机会面临各种人为的干扰。如何从复杂的干扰信号中实现对GPS信号的捕获，即抗干扰技术的研究，是GPS也是本文研究一个的方面。第四章即研究了GPS接收机干扰抑制算法，在强干扰环境下，需要借助信号处理技术在不增加信号带宽的条件下提高系统的抗干扰能力，以保证后续捕获跟踪模块有充足的处理增益。 本文在第五章给出了GPS接收机长码捕获以及干扰抑制的FPGA实现方案，并对各主要子模块进行了详细地分析。基本型接收机中长码捕获采用频域方法，选用Altera StratixⅡ EP2S180芯片实现；抗干扰型接收机中选用Xilinx xc4vlx100芯片。实现了各模块的单独测试和整个系统的联调，通过联调验证，本文提出的长码直接捕获方法正确、可行。 本文提出的长码直捕方法可以在不需要C/A码辅助捕获下完成对长码的直接捕获，可以应用于GPS接收机，监测站接收机的同步等，对我国自主研发导航定位接收机也有重大的现实及经济意义。
上传时间： 2013-06-18
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普通GPS接收机在特殊环境下，如在高楼林立的城市中心，林木遮挡的森林公路，特别是在隧道和室内环境的情况下，由于卫星信号非常微弱，载噪比（Carrier Noise Ratio，C/No）通常都在34dB-Hz以下，很难有效捕获到卫星信号，导致无法正常定位。恶劣条件下的定位有广阔的发展和应用前景，特别是在交通事故、火灾和地震等极端环境下，快速准确定位当事者所处位置对于降低事态损失和营救受伤者是极为重要的。欧美和日本等发达国家也都制定了相应的提高恶劣条件下高灵敏度定位能力的发展政策。而高灵敏度GPS接收机定位的关键在于GPS微弱信号的处理。 本课题的主要研究内容是针对GPS微弱信号改进处理方法。针对传统GPS接收机信号捕获中的串行搜索方法提出了基于批处理的微弱信号捕获方法,来提高低信噪比情况下微弱信号的捕获能力，实现快速高灵敏度的准确捕获；针对捕获微弱信号处理大量数据导致的运算量激增，运用双块零拓展(Double Block Zero Padding，DBZP)处理方法减少运算量同时缩短捕获时间。针对传统GPS接收机延迟锁相环跟踪算法提出了基于卡尔曼滤波的新型捕获算法，减小延迟锁相环失锁造成的信号跟踪丢失概率，来提高恶劣环境下低信噪比信号的跟踪能力，实现微弱信号的连续可靠跟踪。通过提高GPS微弱信号的捕获与跟踪能力，进而使GPS接收机在恶劣环境下卫星信号微弱时能够实现较好的定位与导航。 通过拟合GPS接收机实际接收到的原始数据，构造出不同载噪比的数字信号，分别对提出的针对微弱信号的捕获与跟踪算法进行仿真比较验证，结果表明，对接收机后端信号处理部分作出的算法改进使得GPS接收机可以更好的处理微弱信号，并且具有较高的灵敏度和精度。文章同时针对提出的数据处理特征使用FPGA技术对算法主要的数据处理部分进行了初步的构架实现并进行了板级验证，结果表明，利用FPGA技术可以较好的实现算法的数据处理功能。文章最后给出了结论，通过提出的基于批处理和基于DBZP方法的捕获算法以及基于卡尔曼滤波的信号跟踪算法，可以有效地解决微弱GPS信号处理的难题，进而实现微弱信号环境下的定位与导航。
上传时间： 2013-05-31
上传用户：cccole0605
码元定时恢复(位同步)技术是数字通信中的关键技术。位同步信号本身的抖动、错位会直接降低通信设备的抗干扰性能，使误码率上升，甚至会使传输遭到完全破坏。尤其对于突发传输系统，快速、精确的定时同步算法是近年来研究的一个焦点。本文就是以Inmarsat GES/AES数据接收系统为背景，研究了突发通信传输模式下的全数字接收机中位同步方法，并予以实现。 本文系统地论述了位同步原理，在此基础上着重研究了位同步的系统结构、码元定时恢复算法以及衡量系统性能的各项指标，为后续工作奠定了基础。 首先根据卫星系统突发信道传输的特点分析了传统位同步方法在突发系统中的不足，接下来对Inmarsat系统的短突发R信道和长突发T信道的调制方式和帧结构做了细致的分析，并在Agilent ADS中进行了仿真。 在此基础上提出了一种充分利用报头前导比特信息的，由滑动平均、阈值判断和累加求极值组成的快速报头时钟捕获方法，此方法可快速精准地完成短突发形式下的位同步，并在FPGA上予以实现，效果良好。 在长突发形式下的报头时钟捕获后还需要对后续数据进行位同步跟踪，在跟踪过程中本论文首先用DSP Builder实现了插值环路的位同步算法，进行了Matlab仿真和FPGA实现。并在插值环路的基础上做出改进，提出了一种新的高效的基于移位算法的位同步方案并予以FPGA实现。最后将移位算法与插值算法进行了性能比较，证明该算法更适合于本项目中Inmarsat的长突发信道位同步跟踪。 论文对两个突发信道的位同步系统进行了理论研究、算法设计以及硬件实现的全过程，满足系统要求。
上传时间： 2013-04-24
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扩频通信系统与常规的通信系统相比，具有很强的抗窄带干扰，抗多径干扰，抗人为干扰的能力，并具有信息隐蔽、多址保密通信等优点。在近年来得到了迅速的发展。本论文主要讨论和实现了基于FPGA的直接序列扩频信号的解扩解调处理。论文对该直扩通信系统和FPGA设计方法进行了相关研究，最后用Altera公司的最新的FPGA开发平台Quarus Ⅱ5.0实现了相关设计。 整个系统分为两个部分，发送部分和接收部分。发送部分主要有串并转换、差分卷积编码、PN码扩频、QPSK调制、成型滤波等模块。接收部分主要有前端抗干扰、数字下变频、解扩解调等模块。 论文首先介绍了扩频通信系统的特点以及相关技术的国内外发展现状，并介绍了本论文的研究思路和内容。 然后，论文分析了几种常用的窄带干扰抑制、载波同步及PN码同步算法，结合实际需要，设计了一种零中频DSSS解调解扩方案。给出了抗窄带干扰、PN码捕获及跟踪以及载波同步的算法分析，采用了基于数字外差调制的自适应陷波器来进行前端窄带干扰抑制处理，用基于自适应门限技术的滑动相关捕获和分时复用单相关器跟踪来改善PN码同步的性能，用基于硬判决的COSTAS(科斯塔斯)环来减少载波提取的算法复杂度，用改进型CORDIC算法实现NCO来方便的进行扩展。 接着，论文给出了系统总体设计和发送及接受子系统的各个功能模块的实现分析以及在Quartus Ⅱ5.0上的实现细节，给出了仿真结果。 然后论文介绍了整个系统的硬件电路设计和它在真实系统中连机调试所得到的测试结果，结果表明该系统具有性能稳定，灵活性好，生产调试容易，体积小，便于升级等特点并且达到课题各项指标的要求。 最后是对论文工作的一些总结和对今后工作的展望。
上传时间： 2013-05-23
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