擴頻通信系統(tǒng)的FPGA實現(xiàn)

1、擴頻通信自上世紀 50 年代中期被美國軍方開始研究以來 ,一直為軍事通信所獨占 , 廣泛應(yīng)用于軍事通信、電子對抗以及導航、測量等各個領(lǐng)域。進入上世紀90 年代以后,擴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頻方式 (DSSS)。它是將待傳送的信息數(shù)據(jù)被偽隨機碼調(diào)制 實現(xiàn)頻譜擴展后再傳輸 ,接收端則采用相同的編碼進行解調(diào)及相關(guān)處理 ,恢復原始 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完成對直接序列擴頻發(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。擴頻通信系統(tǒng)發(fā)送端設(shè)計 擴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 ,然后由擴頻碼發(fā)生器產(chǎn)生 的擴頻碼序列去調(diào)制數(shù)字信號以展寬信號的頻譜。展寬后的信號再調(diào)制到射頻發(fā) 送出去。一般的擴頻通信系統(tǒng)都要進行三次調(diào)制：一次調(diào)制為信息調(diào)制,二次調(diào)制為擴頻調(diào)制,三次調(diào)制為射頻調(diào)制 ,如圖 1 所示。擴頻碼序列 在擴展頻譜通信中需要用高碼率的窄脈沖序列 ,現(xiàn)在實際當中用得最多的是偽隨機 碼或稱 PN 碼。 這類碼序列最重要的特性是具有近似于隨機信號的性能。因為噪 聲具有完全的隨機性 ,也可

3、以說具有近似于噪聲的特性。但是 ,真正的隨機信號和 噪聲是不能重復再現(xiàn)和產(chǎn)生的。我們只能產(chǎn)生一種類周期性的脈沖信號來近似隨 機噪聲特性。二元 M 序列是一種偽隨機序列。構(gòu)造一個產(chǎn)生 M 序列的線性移位寄存器 ,首先要確定本原多項式 ,本電路設(shè)計中 ,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 為四級移位寄存器 ,求和符號為模二加法器。移位寄存器的作用 為在時鐘脈沖驅(qū)動下 ,能將所暫存的 "1" 和"0" 逐級向右移。模二加法器的作用為異 或運算。在時鐘脈沖的驅(qū)動下 ,四級移位寄仔器的暫存數(shù)據(jù)按順序改變

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

5、并不知道對方足否發(fā)送了信號 ,因此,需要有一個搜捕階段 ,即在 一定的頻率和時間范圍內(nèi)搜索和捕獲用信號 ,即所謂的粗同步。(2) 完成搜捕過程后 ,則進入跟蹤過程 ,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)信號仍然保持同步 ,即所謂的細同步。 在接收端設(shè)計中分析了傳統(tǒng)的滑動相關(guān)法滑動速度慢搜獲時間長的缺點,提出了捕獲速度快且具有碼序列識別功能的匹配濾波搜捕法。匹配濾波搜捕法直接序列擴頻解擴系統(tǒng)中 ,數(shù)字匹配濾波器的捕獲思路是以接收端擴頻碼序列作為 數(shù)字 FIR 濾波器的抽頭系數(shù) ,對接收到的信號進行相關(guān)濾波。原理如圖 5 所示。 濾波輸出結(jié)果進入門限判

6、決器進行門限判決 ,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頻序列碼的相位達到同步。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頻序列碼的相位不同步,需要再次重復相關(guān)運算,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 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)可以由一個偽隨機序列發(fā)生器產(chǎn)生。數(shù)字匹配濾波器的表達式為其中,x(n)為輸入信號 ;h(-i)為濾波系數(shù) ,由接收端擴頻碼決定 ,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。匹配濾波器的長度 N等于擴頻比 ,也 就是對于每一信息符號的擴頻碼元數(shù) ,即 TbTc。當輸入信號缸 x(n) 與本地擴頻 碼h(-i) 匹配時,此時輸出 z達到最大 ,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中進行調(diào)試。 我們通過 Altera 公司的集成開發(fā)環(huán)境 QuartusII 6.0對設(shè) 計進行驗證。如圖 7 所示。M_initial 為輸入到反饋寄存器的初始狀態(tài) ,r_en運算允許位 ,r

8、為捕獲標志位。 數(shù)字跟蹤環(huán)路實現(xiàn) 當擴頻接收機與接收信號粗同步后 ,就必須使它這樣工作下去：應(yīng)保持鎖定 ,即使 用本地碼準確地跟蹤輸人信號的偽隨機碼相位和載波頻率 ,為解擴提供必要的 ;對 同步不斷檢測 ,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)計在 Cyclone 系列芯片 EPlC3T144C8 芯片上實現(xiàn)了直接序列擴頻發(fā)射和接收 系統(tǒng)的硬件調(diào)試。 PN 碼長度 127 位,碼片速率 1.5Ms,晶振頻率 30M,經(jīng)倍頻系統(tǒng) 工作在 248M,擴頻增益為 35dB,