[发明专利]一种磁扩频通信信号捕获电路

说明书

技术领域

本发明属于磁通信信号同步捕获和磁通信数字集成电路设计的技术领域，特别涉及一种弱磁扩频通信带通信号捕获电路。

背景技术

弱磁探测技术在军事、资源勘探、科学研究等领域有广泛的应用，近些年更获得了突飞猛进的发展，其中军事需求是主要的推动因素之一。弱磁探测采用测量地球磁场或者磁性目标磁场的方式，通过信号处理与分析获取相关信息，用于资源调查和目标探测等。

弱磁探测系统一般由磁探头模块、数据采集模块、信号处理与分析模块等部分组成，搭载在相应的平台上进行工作。其工作模式一般为，磁探头模块接收磁场信号，并将其转换为电信号，数据采集模块将模拟信号数字化，信号处理与分析模块对数字信号进行处理分析，获得目标信息。

磁通信是出现矿难、井下塌方等情况下实现磁无线通信的最可靠方式。磁通信所依赖的技术关键包括高灵敏度的磁敏元器件为核心的发送和接受模块外，还包括信息通讯模块。

磁信道是一个窄带宽、存在大而时变的传输延迟、高噪声、严重多径衰落的时变、空变信道；同时，由于磁信道的窄带宽、大而时变的延迟，使得FDMA、TDMA等组网协议不适合弱磁通信传感器网络，而CDMA成为一种有效的解决策略。因此，抗干扰性强、可有效利用带宽、可抗多径衰落、可支持CDMA组网的直接序列扩频技术成为面向磁传感器网络应用的磁通信的一个有效解决方案，成为当前磁通信的研究热点之一。

支持CDMA组网的磁直接序列扩频通信系统需要解决的关键技术之一就是基于带通信号的扩频码相位同步捕获技术。目前，直接序列扩频通信信号同步捕获通常采用相关捕获法，即计算接收端采样信号与本地副本的相关值，相关值峰值的位置确定为信号同步点。主要的相关捕获法有：1）串行搜索捕获法，硬件电路实现简单，但是当接收信号同本地副本之间失配量较大时，同步捕获的时延比较大；2）并行搜索捕获法，同步捕获的时延比较小，但这种方法是用消耗硬件资源为代价换取捕获效率，硬件资源占用比较大；3）延迟相关捕获法，又称匹配滤波器法，是一种利用匹配滤波器原理实现相关检测的捕获电路设计方法，延迟相关捕获法具有捕获时延小、误捕获率低等优势，是相关捕获电路有效的设计方法。

延迟相关捕获电路的资源占用情况跟具体实现相关，目前的各种扩频系统主要基于基带信号采用延迟相关捕获电路实现扩频码相位的同步捕获，相关运算数据量小，资源占用的问题不突出；而支持CDMA组网的磁直接序列扩频通信系统需要基于带通信号采用延迟相关捕获电路实现扩频码相位的同步捕获，相关运算数据量大，电路资源占用和电路运行功耗问题突出，需要进行规划设计。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：设计一种电路资源占用较少、电路运行功耗较低的基于现场可编程门阵列（FPGA）实现的带通信号延迟相关捕获电路实现方案，该电路可有效实现磁直接序列扩频系统带通信号的信号捕获，同时，作为一个独立模块，可方便集成到各种磁直接序列扩频通信系统中，为磁扩频通信专用芯片的设计提供基础。

本发明提出的一种流水结构的磁扩频通信带通信号捕获电路包括数据采样存储控制逻辑、采样数据缓冲区、数据读取控制逻辑、本地副本生成逻辑、乘法器阵列、加法器阵列、累加器、比较输出逻辑等模块，运算电路采用流水线结构设计，具有采样时钟和运算时钟两个工作时钟，运算时钟是采样时钟的数倍频，通过对流水运算电路的复用，实现在单个采样时钟周期内完成采样缓冲区内所有数据跟本地副本的相关运算并做出判决。

所述的采样数据缓冲区是一个同步双口RAM阵列，由多个结构相同的双口RAM模块组成，各个双口RAM模块具有相互独立的写控制信号，具有相互统一的读控制信号、写地址、读地址、写时钟、读时钟，可实现对任意单个存储单元的写操作和对多个存储单元的同时读操作。

所述的采样存储控制逻辑负责将采样数据按顺序循环写入到采样数据缓冲区中，其存储策略是：将整个双口RAM阵列统一编址，先写双口RAM模块1的第1个单元，再写双口RAM模块2的第1个单元，依次类推，写完所有双口RAM模块的第1个单元后，再依次写各个双口RAM模块的第2个单元，依次类推，写完整个双口RAM阵列后再重复上述过程，实现对采样数据缓冲区的循环存储；采样存储控制逻辑的存储指针总是指向当前采样数据缓冲区数据最老的单元，存储完最新数据后存储指针自动更新以指向当前采样数据缓冲区数据最老的单元。

所述的数据读取控制逻辑负责将采样数据缓冲区的数据读取给乘法器阵列，其通过同时产生多个双口RAM模块的读地址和读信号，在单个运算时钟周期内同时读取多个存储单元的数据给乘法器阵列。