扩频通信芯片STEL-2000A的FPGA实现

扩频通信因其很好的保密性、隐蔽性、抗干扰性以及抗多径效应等优势得到了快速发展和广泛应用。因此，许多公司推出了各种型号的扩频集成电路，典型的有STEL-2000A，该芯片因外围电路简单而得到了广泛应用。
然而，由于该芯片是基于专用集成电路(ASIC)技术，其内部电路和大部分功能已经固化，对不同的场合缺乏灵活性，对以后系统升级也造成很大困难。而现场可编程门阵列(FPGA)内部资源丰富，功能强大，并且可重复编程，现场可修改设计，加之其相应的EDA软件功能完善，仿真能力好，有丰富的IP核资源，在成本和灵活性等方面都有很大优势，使得利用FPGA进行复杂数字系统的设计已成为主流。
近几年来国内外有许多学者利用FPGA对扩频通信系统中的某一个模块进行设计，如：数控振荡器、PN码发生器、匹配滤波器。也有学者尝试对整个系统进行设计，但这些努力大多仅限于软件上的功能仿真，并且对一些关键模块缺乏清晰的描述。
本文对扩频芯片关键模块的实现方法进行了阐述，并推导出详细参数，基于ISE 10．1实现了整个系统，最后下载到FPGA芯片中调试成功。

1 STEL-2000A系统的整体框架
1．1 发射子系统
在发射子系统中，如图1所示，输入的串行二进制数据序列首先进行串并转换，分成两路(I路和Q路)速率减半的序列，由于采用QPSK调制方式，为了避免相位模糊问题，在串并转换后进行差分编码，然后将差分编码器的输出序列与PN码生成器输出的伪随机序列进行异或运算，完成信号的频谱扩展，再将扩频输出的两路数据分别与数控振荡器(NumericallyContmlkd Oscillator，NCO)的两路正交载波输出各自相乘，最后将相乘后的结果相加，这样就实现了DQPSK调制，输出的是数字化的已调信号。

1．2 接收子系统
接收系统要完成数字中频信号到基带信号的转换、信号的捕获、同步、解扩、差分解调以及并串转换等功能，如图2所示。进入接收系统的是经正交采样(Quadraturc Samping)后的数字中频信号，经下变频器生成基带信号，再将其输出送入匹配滤波器。在匹配滤波器中，主要实现信号的同步与解扩。解扩后的数据进行差分解调，差分解调过程中的中间结果送入自动频率控制(Automatic Frequency Control，AF-C)模块以生成校正信号来自动调整NCO的输出频率，最后将解调输出数据经并串转换便得到原始数据序列。

2 关键模块分析与实现
2．1 NCO模块
NCO采用Xilinx公司提供的直接数字式频率合成器(Direct Digital Synthesizer，DDS)IP核，DDS的工作原理如图3所示，在参考时钟的驱动下，N位加法器对频率控制字K和N位累加寄存器中的值进行相加，相加后的结果存入累加寄存器中，以累加寄存器中的值为地址将波形存储器里相应地址的数据读出，即输出正弦或余弦信号的幅度值。

累加寄存器长度为N，则波形存储器2N用个样点来表示正弦波的一个周期，地址每次累加K相当于每隔K个点输出一次，输出一个完整的正弦波需要时间，则DDS的输出频率fout满足关系式。当K取1时输出频率为最大频率分辨率。参数设置主时钟为100 MHz，△f=1．0 Hz，可得N=27，由于要求的输出频率为2 MHz，可得：K=2 684 355。据此对DDS IP核进行元件例化程序如下：