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基于FPGA的BPSK+costas环实现,包含testbench,分析不同信噪比对costas环性能影响

article 2025/1/21 18:22:42

1.算法仿真效果

2.算法涉及理论知识概要

3.Verilog核心程序

4.完整算法代码文件获得

1.算法仿真效果

本作品是之前作品的改进和扩展：

1.m基于FPGA的BPSK调制解调通信系统verilog实现,包含testbench,包含载波同步_csdn基于fpga的bpsk-CSDN博客

2.m基于FPGA的costas环载波同步verilog实现,包含testbench,可以修改频偏大小_基于fpga的载波同步技术-CSDN博客

在上述两个作品的基础上做了如下的改进：

第一、优化了环路滤波器，使得costas环收敛曲线接近理论曲线；

第二、增加了awgn信道模块，可以修改SNR，分析不同噪声对costas环的锁定性能影响；

vivado2019.2仿真结果如下（完整代码运行后无水印）：

局部放大：

仿真操作步骤可参考程序配套的操作视频。

2.算法涉及理论知识概要

Costas环是一种用于载波同步的常见方法，特别是在调制解调中，它被广泛用于解调相位调制信号，如二进制调相（BPSK）或四进制调相（QPSK）信号。它的目的是估计和追踪接收信号的相位偏移，以便正确解调数据。

其基本结构如下图所示：

Costas环结构：

如上图所示Costas环包括两个主要部分：一个偏移90度的本地振荡器（Local Oscillator，LO）和一个相移解调器。这两个部分协同工作来估计信号的相位偏移。

Costas环包括以下主要组件：

本地振荡器（Local Oscillator，LO）： LO产生一个本地参考信号，其频率与接收信号的载波频率相同。这个本地参考信号通常包括正弦和余弦两路信号，相位相差90度。这两路信号将与接收信号相位进行比较。

相位解调器（Phase Detector）：相位解调器用于测量接收信号和本地振荡器之间的相位差。它的输出是一个带有相位信息的信号。

环路滤波器（Loop Filter）：环路滤波器对相位差信息进行滤波和处理，以生成一个控制电压。这个电压将用于调整本地振荡器的频率和相位，以最小化相位差。

本地振荡器控制单元：这个单元接收来自环路滤波器的控制电压，并相应地调整本地振荡器的频率和相位。

输出： Costas环的输出是本地振荡器的相位信息，该信息已经被调整，以与接收信号的相位保持同步。这个输出可以用于解调接收信号。

Costas环原理：

Costas环的原理是利用接收信号和LO之间的相位差异来估计信号的相位偏移。当信号的相位偏移接近0或180度时，乘积信号的幅值最大，而当相位偏移接近90或270度时，乘积信号的幅值最小。因此，通过测量乘积信号的幅值，可以估计相位偏移。

设调制信号为m ( t ) ，m ( t ) 中无直流分量，则抑制载波的双边带信号为：

和接收信号相乘后，得到的信号为

滤波之后得到：

乘法鉴相器输出得到

当频偏较小时，上述公式近似为：

3.Verilog核心程序

`timescale 1ns / 1ps
//
// Company: 
// Engineer: 
// 
// Create Date: 2025/01/19 01:40:07
// Design Name: 
// Module Name: tops_costas
// Project Name: 
// Target Devices: 
// Tool Versions: 
// Description: 
// 
// Dependencies: 
// 
// Revision:
// Revision 0.01 - File Created
// Additional Comments:


module tops_costas(
input            i_clk,
input            i_rst,
input signed[7:0]i_SNR,
input signed[1:0]i_msg,
output signed[7:0]o_msg_filter,
output  signed[15:0]o_msg_mod,
output  signed[15:0]o_msg_modn,
output signed[15:0]o_low_filter,
output signed[31:0]o_delta_fre
);
    
    
T_mod T_mod_u(
.i_clk        (i_clk),
.i_rst        (i_rst),
.i_msg        (i_msg),
.o_msg_filter (o_msg_filter),
.o_msg_mod    (o_msg_mod)
);

 
awgns awgns_u(
    .i_clk(i_clk), 
    .i_rst(i_rst), 
    .i_SNR(i_SNR), //这个地方可以设置信噪比，数值大小从-10~50，
    .i_din(o_msg_mod), 
    .o_noise(),
    .o_dout(o_msg_modn)
    );


R_demod R_demodu(
.i_clk        (i_clk),
.i_rst        (i_rst),
.i_mod        (o_msg_modn),
.o_low_filter (o_low_filter),
.o_delta_fre  (o_delta_fre)
);
    
    
    
endmodule
0sj_055m