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1、基于FPGA的IRIG-B码基带产生电路的设计与实现 中文摘要基于FPGA的IRIG-B码基带产生电路的设计与实现中文摘要本论文的主要目的是设计用于将接收到的时间信息进行IRIG-B编码的电路，实现基于直接序列扩频通信原理以及相对相移键控调制的基带信号的数字信号处理。编码电路主要由时间接收单元、预处理单元和IRIG-B编码器构成。发送电路主要由基带处理单元和频带处理单元构成。用Verilog HDL语言完成整个电路所有模块的设计，然后连接所有电路模块，最后通过SignalTap II Logical Analysis tool进行功能仿真。所有工作在Altera公司的Cyclone E系列FP
2、GA（现场可编程门阵列）芯片中实现。论文首先提出了一种适用于时间接收与发送的基于FPGA的IRIG-B码基带产生电路。然后讨论了整个电路中各模块的理论依据以及详细的实现方法。其中编码部分主要包括GPS接收模块、时间预处理模块、IRIG-B编码器，发送部分主要模块包括差分编码器、直接序列扩频模块和BPSK调制模块。最后编译工程, 并将程序下载到DE0开发板(Altera 公司的)上进行仿真验证，并给出了各部分的模块验证仿真结果。由仿真结果可知：电路工作结果准确，整体性能稳定，占用相对较少的资源，符合最初的设计要求。关键词：GPS；FPGA；IRIG-B码；扩频通信 IDesign and Imp
3、lementation of IRIG-B Code basebandCircuit based on FPGAAbstractThe main purpose of this paper istodesignIRIG-Bcode circuit for the received time information, then implement the direct sequence spread spectrumand theDBPSK signal modulationbased on digital signal processing.Codingcircuit is mainly co
4、nstitutedby thetimereceiving unit,processingunit and IRIG-Bencoder.And the transmitting circuitis mainly composed ofbasebandprocessing unit and theband processingunit.All modules of the whole project are completed with Verilog HDL language,and thenconnect allmodules of the system,and finally got fun
5、ctional simulation through the SignalTaptool.All the work is completed onAltera,CycloneIII E series FPGA(field programmable gate array)chip. Firstly the paper proposes an IRIG-B Code baseband circuit applied to time receiving, processing and sending based on FPGA. And then discusses the theoretical
6、basis ofeachmodulecircuitas well as thedetailed realization method.The codingpart mainly includesGPS module,timepre-processing module andIRIG-B encoder,and the sendingpart includes differential encoder,direct sequence spread spectrummodule andBPSK module.All the modulesare given the simulation wavef
7、orms,and finally compiled and downloaded to theAlteras DE0 development boardfor simulation.The simulation results show thatthesystem works correctly,stable performance,occupies relatively less resource,fully meet the design requirements.Keywords:GPS;FPGA;IRIG-B code;spread spectrum communication 基于F
8、PGA的IRIG-B码基带产生电路的设计与实现第一章 绪论第一章 绪论1.1课题研究背景意义随着现代导弹和航天事业的不断发展及其地位的与日俱增，导弹和航天试验地域更加广阔，甚至涉及到了全球和太空深处。但是由于仅靠一台设备无法完成测控任务，所以需要多台系统与设备。因此在试验中，要确保所有设备同步工作，得到精准、可靠的信息，就需要一个统一的时间参考系统1 。“时间统一系统”的概念因此被提了出来2 。在靶场，我们把为常规武器实验、航天器的发射以及测控系统等提供基准时间信号和基准频率脉冲信号的一套电子设备称为时间统一系统，简称“时统” 。即靶场时统系统是使整个靶场“同步”工作的基准时间，测控设备都要通
9、过接收时统信号，来使自己的测量数据与其它设备协同工作。时统系统主要有以下几个作用：实现时统控制发射系统的自动点火，建立靶场统一的发射零点；向发射控制器、测量控制器等提供时间基准、标准脉冲频率以及设备所需的控制信号；校准各个测控站之间、国家授时台与不同测控站之间的时间及基准脉冲信号的同步。此外，为了能够准确控制程序的中断系统，进行实时数据采集、控制处理、信号传输等，时统系统同时也向控制中心的指挥控制计算机提供标准时钟脉冲。时间统一系统是提供标准时间信号和标准时钟脉冲的设备。时间统一系统从最初的电子管、晶体管过渡到小规模集成电路以及如今的中规模、大规模集成电路。早先的时统系统精度很低、结构庞大、而
10、且使用起来复杂，而随着可编程逻辑和EDA技术的不断发展，时统设备的工作可靠性和稳定性也在不断的提高。FPGA（Field Programmable Gate Array）的快速发展，为时统技术的研发带来了新的生机，它对时统设备进行高度集成，从而实现时统设备大规模、高速度、低成本、低设计周期、电路简单、容易检测和高可靠性的目标。因而成为时统设备快速发展的必然趋势3 。 虽然时间统一系统是由于航天事业、导弹实验等的需要而得到快速发展的新兴工程学科，但随着科学技术的进步，时间同步的应用越来越广泛。而作为一种很重要的时间同步传输方式，IRIG-B时间码以其良好的性能，成为备受青睐的时间统一设备标准时间
11、码型4 。广泛的应用到现代通信、军事情报、天文探测、大地测量、地震探测、电调、导航等研究领域。由于随着时间的变化，时钟振荡器会产生一定的漂移，因而需要标准的授时系统作校正修复。目前广泛应用的有GPS（全球定位系统）和IRIG-B（美国靶场间仪器组），其中，GPS时钟采用的是世界协调时（UTC） 5 。GPS 卫星上装载着与 UTC 时间同步的氢钟或者铯原子，使之成为空间的一种标准时间。这样，地面上的设备就可以通过接收 GPS的时间信号来校准本地时钟，使之与 GPS 时钟同步，我们称这一过程为 GPS 授时6，7 。GPS卫星导航系统已经成为为设备提供年月日等日期信息、时间信息、地点等精准定位信
12、息的系统。而作为一种标准化的时间码，IRIG-B码每秒发送一个时帧脉冲和基准时钟，实现系统的时钟同步。在测控系统中，时统信息既是各分系统工作的基础，还是子系统进行测控时计算射程以及其它一些复杂逻辑运算不可或缺的信息。国内包括靶场测量、计算通信、气象探测、工业控制等很多领域的测试设备都采用IRIG-B时间码作为时间同步的标准。B码是串行的时间格式码，可以分为直流 (DC) 码和交流(AC) 码两种，在下文中将会具体介绍其相关概念以及编码原理。本文介绍一种基于FPGA的IRIG-B标准的编码技术以及基带信号产生电路的设计与实现，由于电路的较高的集成性，所以与基于DSP和数字逻辑电路实现的编码方法相
13、比，基于FPGA的设计在很大程度上降低了系统的设计难度，从而降低成本，提高B码的可靠性以及系统的灵活性。1.2课题主要研究内容本文用于设计实现一个基于FPGA的IRIG-B码基带产生电路，该电路采用FPGA作为控制逻辑，开发板自身的50M时钟作为标准时钟源，利用锁相环输出10000 pps的信号，然后分频分别产生100pps和1pps两个信号作为IRIG-B编码模块的触发信号，完成B码编码。在DC码的基础上，通过与伪随机序列模二加实现了IRIG-B码的数字调制，同时设计正弦载波调制输出电路。整个电路的所有功能都由硬件逻辑实现，并采用Verilog HDL进行全数字电路设计。其中，预处理功能模块
14、，保证了B码的绝对时间准准。现场运行结果以及软件仿真的结果观测表明，电路设计达到了预期目标，时间码产生精确可靠。1.3国内外研究现状中国的时间统一设备历经了一个从国外引进到工业化、从非标准到标准化的历程。50年代末，国内第一代战略武器试验的要求，引入了第一套时统设备。为满足不同型号战略设备试验的需求，在60年代到80年代，国内先后自行研制了多种型号的时统设备。为满足我国航天试验和第二代战略武器的需要，从80年代中期起，我国借鉴国外的靶场经验，结合我国靶场的实际，开始组织标准化时统设备的研制与论证，并在80年代末研制出我国第一套标准化时统设备，并通过了样机鉴定。我国载人航天工程以及武器战略的不断
15、推行，对时统系统标准化提出了更加紧迫的要求。为了实现时统设备的标准化，时统设备必须向接收设备发送标准化的时间信息。参照前两套靶场时间统一系统的使用情况以及武器实验、载人航天技术的要求，时间信号标准化应满足的条件如下4:(1) 选用串行码，主要是为了简化用户接口终端与时统设备的接口； (2) 包含足够多的时间信息，导弹、航天实验需要有天、时、分、秒等时间信息；(3)使用户接口终端能与时统设备保持高度时间同步的标准时间信号，如1pps信号；(4)为满足距离较远的时统设备的接收设备的使用，应适合于远距离信道传输。在当今社会，各个领域对于“时间统一系统”设备的要求越来越严格，利用分立元件或单片机等完成的传统的时统设备已不能满足人们的设计要求。而随着可编程逻辑和EDA （Electronic Design Automation）技术的发展，时统设备的工作可靠
