摘　要：同步系統(tǒng)工作的好壞，在很大程度上決定了通信系統(tǒng)的質(zhì)量。GPS接收機將天線接收到的衛(wèi)星信號經(jīng)射頻前端處理后變成了數(shù)字中頻信號，接收機對GPS衛(wèi)星的信號處理過程，可依次分為捕獲、跟蹤、位同步和幀同步四個階段。針對GPS信號的BPSK調(diào)制和強度微弱等特點，模擬GPS 接收機基帶數(shù)字信號處理過程，首先介紹了科斯塔斯（Costas）接收機的工作原理，分析研究了基于FPGA的軟件無線電載波同步技術的實現(xiàn)方法，并采用Costas 環(huán)實現(xiàn)了載波同步，性能測試驗證了設計的正確性和可行性。

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接收機對GPS衛(wèi)星的信號處理過程，可以依次分為捕獲、跟蹤、位同步和幀同步四個階段。由于位同步、幀同步均需要以數(shù)據(jù)解調(diào)為前提條件，除了幅度調(diào)制及頻率調(diào)制可以采用非相干解調(diào)外，大部分調(diào)制方式都采用相干解調(diào)以獲取更好的性能，而進行相干解調(diào)，接收端就必須提取相干載波。載波同步的性能直接影響著通信系統(tǒng)的性能。針對GPS信號的BPSK 調(diào)制和強度微弱等特點，GPS 接收機鎖相環(huán)通常采用I/Q 解調(diào)法來幫助完成對輸入信號的下變頻、鑒相和數(shù)據(jù)解調(diào)等任務。自同步法是工程上廣泛應用的一種載波同步方式。自同步法主要有鎖相環(huán)、平方環(huán)、Costas環(huán)和判決反饋環(huán)等。目前工程上最常用的抑制載波跟蹤環(huán)是平方環(huán)和Costas環(huán)等。由于Costas 環(huán)不需要對接收信號進行平方變換，也不需要對鎖相環(huán)路中DDS 輸出的載波信號進行分頻處理，因此實現(xiàn)復雜度更小些，所耗費的硬件資源也更少。模擬GPS 接收機基帶數(shù)字信號處理過程，首先介紹了科斯塔斯（Costas）接收機的工作原理，分析研究了基于FPGA 的軟件無線電載波同步技術的實現(xiàn)方法，并采用Costas 環(huán)實現(xiàn)了載波同步，性能測試驗證了設計的正確性和可行性，對實際應用具有一定的指導價值。

１　Costas接收機的工作原理

目前的載波同步技術有多種電路，其中最常用的有平方環(huán)、Costas 環(huán)（同相―正交環(huán)）、判決反饋環(huán)等。J.P. Costas在１９５６ 年首先提出采用同相―正交環(huán)來恢復載波信號，隨后Riter 證明跟蹤低信噪比的抑制載波信號的最佳裝置是Costas 環(huán)及平方環(huán)。傳統(tǒng)的模擬Costas 環(huán)因存在同相支路與正交支路的不平衡性從而使環(huán)路的性能受到一定影響，且模擬電路還存在直流零點漂移、難以調(diào)試等缺點，而采用全數(shù)字的實現(xiàn)方式，則可以有效避免這些問題。

Costas環(huán)的工作原理如圖１ 所示，主要由數(shù)字頻率合成器（DDS）、數(shù)字鑒相器（乘法器）、偽碼發(fā)生器（pn_gen）、低通濾波器（LPF 和環(huán)路濾波器（LF）組成。由于它是由輸入信號分別乘以同相和正交兩路載波信號，因此常稱這種環(huán)路為同相―正交環(huán)，亦稱科斯塔斯環(huán)（Costas）。輸入信號經(jīng)上、下支路分別乘以同相和正交載波，然后再與偽碼進行相乘，并通過低通濾波器后再相乘，完成鑒相功能，最后經(jīng)環(huán)路濾波器輸出控制本地振蕩器的誤差電壓。

２　系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

２．１　參數(shù)選取
全數(shù)字載波環(huán)系統(tǒng)參數(shù)設計如下：
數(shù)據(jù)速率：４ＭＨｚ；偽碼速率：10ＭＨｚ；
載波頻率：70ＭＨｚ；系統(tǒng)時鐘：１00ＭＨｚ；
中頻采樣后的載波頻率：6ＭＨｚ；
信道帶寬：20ＭＨｚ；調(diào)制方式：BPSK。

２．２　系統(tǒng)設計
１）直接數(shù)字頻率合成器的設計與實現(xiàn)直接數(shù)字頻率合成器的基本工作原理框圖如圖２ 所示。

圖２　ＤＤＳ 基本工作原理框圖

直接數(shù)字頻率合成器（direct digital frequency synthesizers,DDS，用于產(chǎn)生頻率及相位可控的正、余弦信號。DDS 的基本工作原理是在時鐘信號的驅(qū)動下讀取三角函數(shù)表。在FPGA實現(xiàn)中，通常采用ISE工具提供的DDS 核來實現(xiàn)。