毕业设计(论文)课题名称匹配滤波器的研究与设计学生姓名刘燕学号**********系、年级专业信息工程系、通信工程指导教师陈延雄职称工程师2009年5月22日摘要本文针对扩频接收机中伪码捕获部分为研究重点，分析了几种基匹配滤波器实现方于FPGA的常用案，其中包括：直接形式的匹配滤波器、转置结构的匹配滤波器、采用分布式算法的匹配滤波器和折叠式匹配滤波器。
通过比较这些方案的优缺点，最终选定了以折叠式匹配滤波器为最优方案来进行设计。
折叠式匹配滤波器实际上就是以静止的本地扩频码作为累加器的系数，匹配滤波器相关过程就相当于接收信号滑过本地序列，当滑动到两个序列相位对齐时，就必有一个相关峰值输出。
该匹配滤波器采用VHDL语言，通过模块划分来进行设计，整个过程都在Xilinx公司开发的ISE集成软件系统中完成，最后在Modelsim仿真软件上进行了各个模块的仿真。
本论文所设计的折叠式匹配滤波器，能够根据实际需要来设置不同的扩频码长度，很好的完成伪码的相关捕获效果。
该折叠式匹配滤波器结构能够节省FPGA资源，提高伪码捕获时间和效率，有很好的实际效果。
关键词：匹配滤波器；M序列；伪码捕获；折叠式FIR结构；FPGAABSTRACTBased on this background , making the PN code capture part as a point of the spread spectrum receiver , this paper analyze several common used Matched Filter programs on FPGA , including : the direct form of matched filter , the transposed structure of matched filter , the distributed arithmetic structure of matched filter , and folded structure of matched filter . Compared with the advantages and the disadvantages of these programs , finally we choose the folded structure of matched filter as the best one to complete this design . The folded filter is actually using the PN code as the accumulator coefficients , and then , matched filter correlation process is equivalent to the receiving signal spreading the PN code . When the sliding of two phase sequence is the same , this implies that making a result of correlation . The designs of the matched filter using VHDL and modules . The whole process completed in the development of the company Xilinx ISE Integrated Software System . Finally , every modules simulated in the Modelsim simulation software . The design on this paper , according to the actual need , can set up a different PN code length , and make a good effect on the PN code capture of the spread spectrum receiver . The folded matched filter can reduce the cost on FPGA resources or the PN code capture time , and improve the efficiency of the capture process , it also can make a very good practical effects .Key words:Matched filter ；M series；Acquisition of Pseudo-code；Folded FIR structure；Transposed FIR structure；FPGA目录摘要 (I)ABSTRACT (II)目录 (III)第1章绪论 (1)1.1课题来源及研究意义 (1)1.2匹配滤波器的发展及研究现状 (1)1.3本文的主要工作 (2)第2章匹配滤波器理论 (3)2.1匹配滤波器概述 (3)2.2匹配滤波器在扩频接收机中的应用 (5)第3章扩频接收机中匹配滤波器的FPGA设计 (15)3.1方案采用说明 (15)3.2匹配滤波器模块划分 (18)3.3匹配滤波器各个模块的实现 (24)第4章电路综合与仿真结果分析 (37)4.1仿真综述 (37)4.2M ODELSIM仿真操作流程 (37)4.3匹配滤波器各个模块的仿真数据分析 (40)4.4匹配滤波器整体系统性能 (45)总结 (47)参考文献 (49)致谢 (51)附录 (52)附录Ⅰ (52)附录Ⅱ (56)附录Ⅲ (57)第1章绪论1.1 课题来源及研究意义本课题来源于指导老师给于的课题：匹配滤波器的研究与设计。
数字匹配滤波器能方便实现扩频号的解扩处理，是扩频接收机的核心部分[1]。
利用FPGA的高速并行处理能力和硬件实现的特点，采用VHDL与原理图相结合，完成了扩频接收机中数字匹配波器的软件仿真和硬件电路设计。
测试结果表明，电路工作稳定可靠，提高了理速度，减少了硬件延时。
目前，在卫星导航中码分多址（CDMA）技术得到了广泛的应用，各颗卫星都工作在同一频段，为了将它们区分开来而采用了不同的伪码序列。
伪码序列相位的捕获与跟踪是扩频通信系统中数字接收机设计的关键，对伪码序列相位的捕获显得尤为重要。
而对于伪码扩频信号相位的捕获通常采用匹配滤波的方法，是因为匹配滤波器在具有实现简单、捕获速度快和不受采样点限制的良好的性质，所以研究匹配滤波器具有一定的实用价值。
本文正是基于此，结合现场可编程技术给出了数字匹配滤波器在硬件上的实现，这种实现可以直接应用在实际的接收机中。
本课题主要是围绕扩频接收机匹配滤波器的实现提出一个先进的方案，该方案能够减少FPGA 资源的使用，大大提高运行效率，有利于实际应用。
1.2 匹配滤波器的发展及研究现状匹配滤波器概念的提出已有半个世纪，70年代到80年代，声表面波延迟线和大规模集成电路工艺的发展才使其走向应用。
但当时是以声表面波器件为主，数字匹配滤波器仍然代价昂贵，只针对于抗干扰等某些特殊用途。
从90年代初开始，美、日等国的多家公司先后开始研制DS宽带扩频芯片，随着CDMA移动通信技术的不断发展，匹配滤波码捕获技术作为同步信道的一项关键技术已广泛地被国外各大公司所研究和采用，例如：移动通信中，正向信道在移动台由于某种原因失去连接以及在反向信道中都需要用匹配滤波器来做快速码捕获。
在第三代移动通信宽带CDMA技术当中，数字匹配滤波器仍然是其中的一项关键技术。
由于匹配滤波法捕获时间短的特点,扩频通信中采用了匹配滤波法。
扩频通信由于其抗干扰强,保密性好等特点,广泛应用于军事通信、电子对抗以及导航、测量等各个领域。
同步技术是扩频通信中的关键技术,同步的作用就是要实现本地产生的PN码与接收到的信号中的PN码同步,即频率上相同,相位上一致。
同步分两个过程:搜捕和跟踪。
搜捕的作用就是在频率和时间(相位)不确定的范围内捕获有用的PN码信号使本地PN码信号与其同步。
大多数搜捕方法都利用非相干检测。
所有的搜捕方法的共同特点是用本地信号与收到的信号相乘(即相关运算),获得二者相似性的量度,并与一门限值相比较,以判断其是否捕获到有用信号。
如果确认为捕获到有用信号,则开始跟踪过程,使系统保持同步。
否则又开始继续搜捕。
目前搜捕的方法主要有滑动相关和匹配滤波法[2]。
匹配滤波器是实现本地伪码和采集信号相关运算的重要部件，它完成了信号的并行处理，捕获速度快（小于一个伪码周期），因此被广泛应用于扩频接受机之中。
现在，大规模可编程逻辑器件为数字信号处理提供了一种新的实现方案。
很多数字信号处理可以很好地在FPGA(Field Programmable Gate Array)中实现，然而却不能有效的在DSP处理器中实现，所以采用FPGA 来实现FIR数字滤波器有着很好的发展前景[3]。
采用现场可编程门阵列FPGA来实现FIR数字滤波器，既兼顾ASIC器件(固定功能DSP专用芯片)的实时性，又具有DSP处理器的灵活性。
FPGA和DSP技术的结合能够更进一步提高集成度、加快速度和扩展系统功能。
用FPGA设计的产品还具有体积小、速度快、重量轻、功耗低、可靠性高、仿制困难、上批量成本低等优点[4]。
1.3 本文的主要工作本文主要对匹配滤波器的原理进行了研究，并提出了一种可行且高效的基于FPGA 实现的折叠式匹配滤波器方案。
主要工作有：（1）本设计主要是基于Xilinx公司开发的一系列芯片上进行的，这些芯片使用频率高，是目前大规模数字逻辑设计的应用趋势。
首先要对该公司的硬件和配套的软件进行熟悉，能够熟练掌握基本的数字逻辑电路设计流程。
（2）在数字信号处理中，能够对FIR数字滤波器的结构和各种实现方法有一定的了解，懂得使用MATLAB软件设计各种参数的FIR滤波器。
（3）本设计主要是用硬件描述语言VHDL来实现整个设计的。
所以要学会整个自顶向下的系统设计方法、VHDL编程、ISE编程工具、Modelsim仿真工具等。
（4）本课题中扩频接收机匹配滤波器的设计主要是采用折叠式来实现该数字匹配滤波器，主要是在扩频接收机中的应用。
所以要对整个折叠算法有一个清除的认识。
最后能够通过仿真得出该滤波器的可实现性。
第2章 匹配滤波器理论2.1 匹配滤波器概述2.1.1匹配滤波器的定义在数字通信系统中，滤波器是其中重要部件之一， 滤波器特性的选择直接影响数字信号的恢复。