擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的FPGA實(shí)現(xiàn)

1、擴(kuò)頻通信自上世紀(jì) 50 年代中期被美國(guó)軍方開始研究以來 ,一直為軍事通信所獨(dú)占 , 廣泛應(yīng)用于軍事通信、電子對(duì)抗以及導(dǎo)航、測(cè)量等各個(gè)領(lǐng)域。進(jìn)入上世紀(jì)90 年代以后,擴(kuò)頻通信又開始向各種民用通信領(lǐng)域發(fā)展 ,典型的如 CDMA 和 GPS等。應(yīng) 用最廣的是直接序列擴(kuò)頻方式 (DSSS)。它是將待傳送的信息數(shù)據(jù)被偽隨機(jī)碼調(diào)制 實(shí)現(xiàn)頻譜擴(kuò)展后再傳輸 ,接收端則采用相同的編碼進(jìn)行解調(diào)及相關(guān)處理 ,恢復(fù)原始 信息數(shù)據(jù)。 本文采用 VHDL 語言、 Altera公司的集成開發(fā)環(huán)境 QuartusII 6.0和 Cyclone系列芯片 EPlC3T144C8 以及 Prote199se完成對(duì)直接序列擴(kuò)頻發(fā)射系

2、統(tǒng)和 接收系統(tǒng)的軟件仿真和硬件電路設(shè)計(jì)。擴(kuò)頻通信系統(tǒng)發(fā)送端設(shè)計(jì) 擴(kuò)頻通信可以顯著提高通信系統(tǒng)抗下擾的能力 ,特別是頻率選擇性衰落和多徑干 擾。為此在發(fā)端輸入的信息先經(jīng)信息調(diào)制形成數(shù)字信號(hào) ,然后由擴(kuò)頻碼發(fā)生器產(chǎn)生 的擴(kuò)頻碼序列去調(diào)制數(shù)字信號(hào)以展寬信號(hào)的頻譜。展寬后的信號(hào)再調(diào)制到射頻發(fā) 送出去。一般的擴(kuò)頻通信系統(tǒng)都要進(jìn)行三次調(diào)制：一次調(diào)制為信息調(diào)制,二次調(diào)制為擴(kuò)頻調(diào)制,三次調(diào)制為射頻調(diào)制 ,如圖 1 所示。擴(kuò)頻碼序列 在擴(kuò)展頻譜通信中需要用高碼率的窄脈沖序列 ,現(xiàn)在實(shí)際當(dāng)中用得最多的是偽隨機(jī) 碼或稱 PN 碼。 這類碼序列最重要的特性是具有近似于隨機(jī)信號(hào)的性能。因?yàn)樵?聲具有完全的隨機(jī)性 ,也可

3、以說具有近似于噪聲的特性。但是 ,真正的隨機(jī)信號(hào)和 噪聲是不能重復(fù)再現(xiàn)和產(chǎn)生的。我們只能產(chǎn)生一種類周期性的脈沖信號(hào)來近似隨 機(jī)噪聲特性。二元 M 序列是一種偽隨機(jī)序列。構(gòu)造一個(gè)產(chǎn)生 M 序列的線性移位寄存器 ,首先要確定本原多項(xiàng)式 ,本電路設(shè)計(jì)中 ,我 們構(gòu)造的 M序列： n=4,周期p=15,PN碼為： 如圖 2所示。D1、D2、D3、D4 為四級(jí)移位寄存器 ,求和符號(hào)為模二加法器。移位寄存器的作用 為在時(shí)鐘脈沖驅(qū)動(dòng)下 ,能將所暫存的 "1" 和"0" 逐級(jí)向右移。模二加法器的作用為異 或運(yùn)算。在時(shí)鐘脈沖的驅(qū)動(dòng)下 ,四級(jí)移位寄仔器的暫存數(shù)據(jù)按順序改變

4、,輸出序列 在時(shí)鐘脈沖作用下做周期性的重復(fù)。我們通過 Altera 公司的集成開發(fā)環(huán)境 QuartusII 6.0對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)證 ,如圖 3 所示。 Reset為復(fù)位信號(hào) ,code為發(fā)送的信息 ,pn 為產(chǎn)生的 M 序列。 擴(kuò)頻通信系統(tǒng)接收端設(shè)計(jì) 在接收端收到的寬帶射信號(hào) , 變頻到中頻 ,然后由本地產(chǎn)生的與發(fā)送端相同的擴(kuò)頻 碼序列去相關(guān)解擴(kuò)。再經(jīng)信息解調(diào)、恢復(fù)成原始信息輸出。接收框圖如圖 4 所 示。 同步系統(tǒng)是擴(kuò)頻通信接收端的關(guān)鍵技術(shù)。它的作用就是要實(shí)現(xiàn)本地產(chǎn)生的PN 碼與接收到的信號(hào)中的 PN 碼同步 ,即頻率上相同 ,相位上一致。同步過程一般說來包 含兩個(gè)階段。(1) 接收機(jī)在一開始

5、并不知道對(duì)方足否發(fā)送了信號(hào) ,因此,需要有一個(gè)搜捕階段 ,即在 一定的頻率和時(shí)間范圍內(nèi)搜索和捕獲用信號(hào) ,即所謂的粗同步。(2) 完成搜捕過程后 ,則進(jìn)入跟蹤過程 ,即繼續(xù)保持同步 ,如果收發(fā)兩端的頻率和相位 發(fā)偏移 ,同步系統(tǒng)能加以調(diào)整 ,使收發(fā)信號(hào)仍然保持同步 ,即所謂的細(xì)同步。 在接收端設(shè)計(jì)中分析了傳統(tǒng)的滑動(dòng)相關(guān)法滑動(dòng)速度慢搜獲時(shí)間長(zhǎng)的缺點(diǎn),提出了捕獲速度快且具有碼序列識(shí)別功能的匹配濾波搜捕法。匹配濾波搜捕法直接序列擴(kuò)頻解擴(kuò)系統(tǒng)中 ,數(shù)字匹配濾波器的捕獲思路是以接收端擴(kuò)頻碼序列作為 數(shù)字 FIR 濾波器的抽頭系數(shù) ,對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行相關(guān)濾波。原理如圖 5 所示。 濾波輸出結(jié)果進(jìn)入門限判

6、決器進(jìn)行門限判決 ,如果超過了設(shè)定門限 ,就表明此刻本 地序列碼的相位與接收擴(kuò)頻序列碼的相位達(dá)到同步。如果未超過設(shè)定門限,則表明此刻本地序列碼的相位與接收到的擴(kuò)頻序列碼的相位不同步,需要再次重復(fù)相關(guān)運(yùn)算,直到同步為止。數(shù)字匹配濾波器由移位寄存器、乘法器和累加器三部分組成,這只是一個(gè) FIR 濾波器的結(jié)構(gòu)形式 ,只不過偽碼寄存器中的系數(shù)為 -1 或+1,實(shí)際并不是真正意義上的乘 法。偽碼寄存器中的數(shù)據(jù)可以由一個(gè)偽隨機(jī)序列發(fā)生器產(chǎn)生。數(shù)字匹配濾波器的表達(dá)式為其中,x(n)為輸入信號(hào) ;h(-i)為濾波系數(shù) ,由接收端擴(kuò)頻碼決定 ,取值 -1 或+1,M 序列碼 元為 1,取值為+1,M序列碼元為

7、0,取值為-1。匹配濾波器的長(zhǎng)度 N等于擴(kuò)頻比 ,也 就是對(duì)于每一信息符號(hào)的擴(kuò)頻碼元數(shù) ,即 TbTc。當(dāng)輸入信號(hào)缸 x(n) 與本地?cái)U(kuò)頻 碼h(-i) 匹配時(shí),此時(shí)輸出 z達(dá)到最大 ,將超出預(yù)先設(shè)定的門限 ,表示捕獲成功。具 體電路由 DSP Builder 工具實(shí)現(xiàn)如圖 6 所示。再由 DSP Builder工具自帶的 Complier 功能,將電路描述轉(zhuǎn)化成 VHDL 語言,供下 載到 FPGA中進(jìn)行調(diào)試。 我們通過 Altera 公司的集成開發(fā)環(huán)境 QuartusII 6.0對(duì)設(shè) 計(jì)進(jìn)行驗(yàn)證。如圖 7 所示。M_initial 為輸入到反饋寄存器的初始狀態(tài) ,r_en運(yùn)算允許位 ,r

8、為捕獲標(biāo)志位。 數(shù)字跟蹤環(huán)路實(shí)現(xiàn) 當(dāng)擴(kuò)頻接收機(jī)與接收信號(hào)粗同步后 ,就必須使它這樣工作下去：應(yīng)保持鎖定 ,即使 用本地碼準(zhǔn)確地跟蹤輸人信號(hào)的偽隨機(jī)碼相位和載波頻率 ,為解擴(kuò)提供必要的 ;對(duì) 同步不斷檢測(cè) ,一旦發(fā)現(xiàn)失鎖 ,應(yīng)返回捕獲狀態(tài) ,重新同步。這就是跟蹤需要完成的 任務(wù)。噪比境 ,要完成載波解調(diào)是非常閑難的 ,而采用這種類環(huán)路不要求在跟蹤過程中產(chǎn) 生相關(guān)載波。早遲門跟蹤環(huán)路通常由超前一滯后相關(guān)器、碼鑒相器、碼環(huán)路濾波器和碼 NCO 等部分組成。具體工作過程如圖 8 所示。結(jié)束語該設(shè)計(jì)在 Cyclone 系列芯片 EPlC3T144C8 芯片上實(shí)現(xiàn)了直接序列擴(kuò)頻發(fā)射和接收 系統(tǒng)的硬件調(diào)試。 PN 碼長(zhǎng)度 127 位,碼片速率 1.5Ms,晶振頻率 30M,經(jīng)倍頻系統(tǒng) 工作在 248M,擴(kuò)頻增益為 35dB,