基于狀態機偽碼快速捕獲的研究

摘 要:在擴頻通信系統中，長偽碼序列的快速捕獲是一個關鍵問題。針對傳統捕獲方法捕獲速度慢、消耗資源多的缺點，提出一種基于狀態機的新型偽碼快速捕獲方法，介紹了狀態機偽碼快速捕獲方法的原理并在FPGA上實現了快速捕獲。仿真結果表明，和傳統的串行捕獲方法相比，該算法在不降低捕獲速度的基礎上消耗更少的資源。 關鍵詞:擴頻通信; 快速捕獲; 狀態機; FPGA

中圖分類號:TN966文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)15-0074-03

Research on Fast Acquisition Method Based on State Machine Pseudo Code

L Zhi-guo， REN bo

(Computer and Information Department， Luoyang Institute of Science and Technology， Luoyang 471023， China)

Abstract: The fast acquisition of long pseudo code sequence is a key problem in spread spectrum communication system. A new pseudo code fast acquisition method based on state machine is proposed for solving the slow acquisition speed and more resource consumption of the conventional acquisition method. The acquisition principle， the design and FPGA implementation of the new acquisition method are introduced. The experimental results show that the method has faster acquisition speed and less resource consumption.Keywords: spread spectrum communication; fast acquisition; state machine; FPGA

收稿日期:2010-03-12

擴頻通信是指用來傳輸信息的射頻帶寬遠大于信息本身帶寬的一種通信方式，窄帶寬的信號通過與寬帶寬的偽隨機碼進行作用而實現擴頻，擴頻系統能帶來30 dB以上的信噪比改善，使干擾的影響減少了1 000倍以上。它對抗干擾影響具有重要作用，而且擴頻通信還將帶來一系列革命性的影響。 最容易理解的擴頻通信方式就是直接序列擴頻，簡稱直擴(DS)。所傳送的信息符號經偽隨機序列(或稱偽噪聲碼)編碼后對載波進行調制。偽隨機序列的速率遠大于要傳送信息的速率，因而調制后的信號頻譜寬度將遠大于所傳送信息的頻譜寬度。為了增強信息的保密性，通常要增加偽隨機碼的周期長度以增加被破解的難度，因此，偽隨機碼的周期長度不能太短。在直擴系統中，偽隨機碼快速準確的捕獲一直都是研究的重點和難點之一。常見的捕獲方法有串行和并行捕獲兩種[1-2]。

1 串行捕獲

串行捕獲的原理圖如圖1所示，首先在本地端產生一個與擴頻端相同的偽隨機碼，把收到信息序列與本地產生的偽隨機碼碼序列做相關運算，由于偽隨機碼有尖銳的自相關特性，因此只有兩個碼序列相位一致時才有高的相關值輸出。接收信號與本地偽隨機碼進行相關后的相關值送人門限比較器進行比較，若低于某一設定門限，就控制本地偽隨機碼發生器移動一個相位，再次讓本地擴頻序列與接收擴頻序列相關、比較，直至兩個相位保持一致，然后啟動跟蹤步驟使兩個序列保持相位一致[3-4]。這個過程要通過兩序列相關檢測與積分累加判決來完成。由于滑動相關法要做大量的相乘累加運算，滑動有可能遍歷整個周期長度，因此相位滑動搜索速度較慢，平均捕獲時間較長。如果偽隨機碼相位服從均勻分布，相位一次移動半個碼片，則采用串行捕獲的時間的數學期望是偽隨機碼的周期長度P。

圖1 串行捕獲原理圖

2 并行捕獲

并行捕獲的基本原理如圖2所示:假設偽隨機碼的周期長度為P。如果在接收端用2P個本地偽隨機碼，相鄰兩個偽隨機碼序列相位間隔為半個碼片，即Tc/2時間，其中Tc為一個碼元的時間。讓收到的信息序列和各個本地偽隨機碼分別同時做相關運算，哪個相關器的輸出最大，哪個相關處理器的本地序列與接收序列的相位最接近，也就找到了本地序列的同步相位，實現了信息序列的捕捉[5-6]。在并行捕獲中，只需要半個碼片的時間就可以得到信息序列的相位，捕獲時間大大縮短。如果想提高捕獲的精度，還可以設置更對的本地偽隨機碼，相鄰偽隨機碼序列的相位差更小，則捕獲的精度更高并且不增加捕獲時間。這種捕獲時間的縮短是靠增加設備的復雜性而獲得的。當偽隨機碼序列周期較大且捕獲精度要求較高時，電路設備量過大。

圖2 并行捕獲原理圖

3 FPGA串行捕獲實現

利用Altera公司的Quartus Ⅱ軟件，采用原理圖和VHDL語言相結合的方法來實現偽碼快速捕獲電路。整個過程中采用層次化設計，即先對各個模塊進行具體設計仿真，再由這些功能模塊組合成整個系統的設計方法。數字下變頻的功能是從輸入的高速數據流中去除載波，將其下變頻為數字基帶信號。假設要處理的信號就是經過數字下變頻處理的數字基帶信號。首先設計一個m序列產生器來產生偽隨機碼，再用一個串行捕獲電路來檢查收到的偽隨機碼的相位，當本地碼序列的相位和收到的碼序列的相位比較一致時輸出捕獲成功信號表示捕獲成功[7]。該系統的頂層文件如圖3所示。

圖3 串行捕獲電路頂層文件構成圖

圖3中左邊第一個模塊為m序列產生器，用來產生偽隨機碼，為了方便演示結果，采用階數較低的生成多項式為X4+X+1，生成的序列為000100110101111，周期為P=15。中間的模塊中有個固定相位的偽隨機碼序列，把收到信息序列與本地產生的偽隨機碼碼序列做異或運算并將異或結果輸出，右邊的模塊對異或結果進行判決，當異或結果中‘0’的個數大于門限值時就認為捕獲成功，輸出捕獲成功信號。仿真結果如圖4所示。

圖4 計數器捕獲結果仿真

從仿真圖中可以看出，經過一段時間后輸出管腳gout輸出捕獲成功信號。圖中bus1是異或結果總線，clk是時鐘信號。該系統消耗資源如圖所示，從圖5中可以看出共消耗33個邏輯單元。

圖5 串行捕獲電路資源消耗圖

4 FPGA狀態機捕獲實現

文獻[8-10]分別介紹了大步進、匹配濾波器、雙層循環等新的捕獲方法，但這些方法實現都比傳統的捕獲方法復雜，這里介紹一種基于狀態機的捕獲方案。狀態機捕獲電路偽隨機碼仍采捕獲電路中的m序列，偽隨機碼序列周期為P，狀態機就有P個狀態，一個狀態中碼元個數是由以下方法確定，相鄰N個碼元為一個狀態，將整個碼序列遍歷一遍沒有重復狀態的最小的那個N即為一個狀態中碼元個數。本例中將具有15個碼元的序列中相鄰4個碼元作為一個狀態。每接收1個碼元，一個狀態就有可能跳向另一個狀態(特殊情況跳向本身)，跳到某個固定狀態時輸出一個結束信號，由結束信號出現的早晚來確定輸入碼序列的相位。狀態機的仿真結果圖如圖6所示。

圖6中clk是時鐘信號，out1是捕獲結束信號，rst是重啟信號。從圖中可以看出，經過幾個周期，輸出管腳out1輸出結束信號，由重啟信號和結束信號之間的時間決定輸入碼序列的相位。該系統消耗資源如圖7所示。

圖6 狀態機偽碼捕獲結果仿真圖

圖7 狀態機捕獲電路資源消耗圖

從圖7中可看出，狀態機捕獲電路共消耗19個邏輯單元，比串行捕獲電路消耗資源少。

5 結 語

提出基于狀態機的偽碼快速捕獲方案，介紹了捕獲的原理，利用 Altera公司的QuartusⅡ軟件，采用原理圖和VHDL語言相結合的方法來實現偽碼快速捕獲系統。同時還實現了傳統的串行捕獲系統。通過兩個系統的仿真比較，驗證了狀態機捕獲電路的正確性。仿真結果表明，狀態機捕獲電路捕獲速度與串行捕獲電路相差無幾，但消耗資源比串行捕獲電路要少。系統軟件都下載到康芯公司的EP2C5T144C8硬件開發板中，實驗結果和仿真結果完全相符，證明了該方法的可行性。

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