基于FPGA的迭代消息传递快速捕获算法的实现

论文摘要

海洋无线电导航系统利用直达的地波信号进行导航与定位,但在海洋无线电波传播环境中,存在着严重的天波干扰,这将严重影响接收机的正常工作。因此为了去除天波的干扰,需要一个能够实时跟踪天波变化的快速同步算法,在这种背景下,本文提出了基于IMPA(迭代消息传递算法)的伪随机码快速捕获算法。该方法来源于对编码理论中迅速发展的迭代译码算法。论文详细介绍了IMPA算法的原理,包括因子图理论和基于因子图上的消息传递理论,为从理论上理解IMPA打下基础。根据迭代消息传递算法的理论,为了实现伪随机码的捕获,需要将解调后的码片级信道信息在反映局部约束关系的因子图上进行反复的迭代运算,最终得到接收序列的最大后验估计。论文给出了基于IMPA算法的PN码快速捕获方法的实现方案和具体的运算步骤,并将该算法进行了性能的仿真与分析。仿真与分析结果表明,基于IMPA的PN码快速捕获方法能够出色地完成快速捕获天波干扰信号的任务。本文完成了将该PN码快速捕获算法在FPGA上实现的任务。该算法计算量大,占用资源多,但其可并行处理的特点使其十分适合于在FPGA上实现。本算法的FPGA实现是基于Verilog HDL的,代码风格采用Altera推荐的编写方法,并采用业界流行的综合、仿真与设计工具来进行设计。本文将整个算法分三个模块分别进行实现,详细给出了每个模块的技术实现方案和仿真结果,并给出了整个设计的实现方法。后仿真结束后通过了板级调试,证明了该算法硬件可实现性,表明了该算法的有效性和实用性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 选题的意义与背景
• 1.1.1 扩展频谱技术
• 1.1.2 海洋电波传播环境
• 1.1.3 天波干扰的消除
• 1.2 国内外关于伪码捕获方法的研究现状
• 1.3 IMPA的来源及其在PN码捕获中的应用
• 1.4 论文研究内容
• 第2章 算法的开发工具与开发方法
• 2.1 FPGA器件简介
• 2.1.1 用FPGA进行数字信号处理的特点
• 2.1.2 Stratix Ⅱ系列芯片简介
• 2.2 基于Verilog HDL的FPGA开发
• 2.2.1 Verilog HDL语言简介
• 2.2.2 Altera推荐的Coding Style
• 2.2.3 可编程逻辑基本设计原则
• 2.3 FPGA开发工具与开发流程
• 2.3.1 Quartus Ⅱ软件简介
• 2.3.2 Synplify Pro综合工具
• 2.3.3 仿真的概念与ModelSim仿真工具
• 2.3.4 单模块系统的开发流程
• 2.3.5 LogicLock设计方法
• 2.4 本章小结
• 第3章 消息传递算法
• 3.1 基本概率知识
• 3.1.1 全概率公式、Bayes法则和马尔可夫链
• 3.1.2 内在概率、外概率和后验概率
• 3.2 基于因子图理论的消息传递算法
• 3.2.1 正规图与消息传递算法
• 3.2.2 单节点模型正规图的消息传递
• 3.2.3 双节点模型正规图的消息传递
• 3.3 本章小结
• 第4章 基于IMPA的伪码快速捕获方法
• 4.1 信号模型
• 4.2 m-序列的图模型和PN码捕获的IMPA算法
• 4.3 算法仿真与性能分析
• 4.3.1 算法仿真条件及流程
• 4.3.2 算法仿真结果及性能分析
• 4.4 本章小结
• 第5章 IMPA快速捕获算法的FPGA设计与实现
• 5.1 系统总体开发方案设计
• 5.1.1 IMPA算法快速捕获系统的总体实现功能
• 5.1.2 系统模块划分
• 5.2 多时钟的设计
• 5.3 解调与积分模块的设计与实现
• 5.3.1 解调与积分模块的接口信号
• 5.3.2 解调与积分模块的关键技术设计
• 5.3.3 综合与实现结果
• 5.4 IMPA算法模块的设计与实现
• 5.4.1 IMPA算法模块的接口信号
• 5.4.2 IMPA算法模块的关键技术设计
• 5.4.3 综合与实现结果
• 5.5 相关与判决模块的设计与实现
• 5.5.1 相关与判决模块的接口信号
• 5.5.2 相关与判决模块的关键技术设计
• 5.5.3 综合与实现结果
• 5.6 顶层模块的实现
• 5.6.1 子模块设计信息的导出
• 5.6.2 顶层模块的搭建与实现
• 5.7 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢