基于FPGA的混合擴頻發(fā)射機設(shè)計與實現(xiàn)

摘要：以Alter公司的FPGA為硬件平臺，以QuartusⅡ為設(shè)計工具，來實現(xiàn)該直擴／跳頻混合發(fā)射系統(tǒng)。頂層采用圖形設(shè)計方式，各個模塊均采用Verilog語言進行設(shè)計。編碼模塊采用了RS(255，223)碼與卷積碼(2，1，7)相結(jié)合，擴頻模塊采用GOLD碼序列進行擴頻，調(diào)制模塊采用MSK調(diào)制。仿真結(jié)果表明：各個仿真模塊均滿足設(shè)計的要求，整個系統(tǒng)輸出穩(wěn)定無毛刺，達到了預(yù)期的效果。
關(guān)鍵詞：直擴／跳頻；發(fā)射機；Verilog HDL；MSK

0 引言
    擴頻通信是將待傳輸?shù)男畔?shù)據(jù)用偽隨機序列進行調(diào)制，實現(xiàn)頻譜擴展后再發(fā)射出去進行傳輸。在接收端，使用與發(fā)射端相同的偽隨機碼對接收到的信號進行相關(guān)處理，恢復出原來的信息。直擴／跳頻(DS／FH)混合模式是一種有效的方法，它結(jié)合了直擴擴頻與跳頻擴頻的優(yōu)點，消除了直擴擴頻與跳頻擴頻的局限性，可廣泛應(yīng)用于軍事通信中，達到更好的抗干擾效果。
    該設(shè)計以FPGA為硬件平臺，以QuartusⅡ為設(shè)計工具來實現(xiàn)直擴／跳頻(DS／FH)發(fā)射機的。頂層采用圖形設(shè)計方式，各個模塊均采用Veri log語言進行設(shè)計，編碼模塊采用了RS(255，223)碼與卷積碼(2，1，7)相結(jié)合，擴頻模塊采用GOLD碼序列進行擴頻，調(diào)制模塊采用MSK調(diào)制。

1 發(fā)射系統(tǒng)的總體框圖
    所設(shè)計的發(fā)射機系統(tǒng)主要包括：信道編碼器、組幀電路、直擴部分、成形電路、調(diào)制器、數(shù)／模轉(zhuǎn)換器、頻率合成器、RS碼產(chǎn)生器、混頻器、功放、天線等。組成框圖如圖1所示。

    射頻部分主要采用跳頻技術(shù)將中頻信號進行頻譜搬移，通過跳頻調(diào)制和高頻混頻兩步完成，用到頻率合成技術(shù)和濾波等，這主要通過硬件實現(xiàn)?；鶐Р糠謩t完成FPGA的設(shè)計，下面將詳細介紹。
    主要可以劃分為以下幾個模塊：編碼模塊、組幀模塊、擴頻模塊、調(diào)制模塊。編碼模塊完成信息的RS編碼和卷積編碼；組幀模塊在經(jīng)過編碼的數(shù)據(jù)前面添加位同步和幀同步信息；直接序列擴頻模塊將信號頻譜擴展到一個很寬的頻段上；MSK調(diào)制模塊利用擴頻序列去調(diào)制載波，將擴頻調(diào)制信號搬移到射頻上去，然后經(jīng)過功率放大，D／A變換發(fā)送出去。

2 各個發(fā)射模塊的功能介紹及設(shè)計
2．1 編碼模塊設(shè)計
    整個編碼實現(xiàn)由4級組成，分別是RS編碼、交織、并／串轉(zhuǎn)換和卷積編碼，如圖2所示。

2．2 組幀模塊設(shè)計
    在信息發(fā)送端，經(jīng)過編碼的數(shù)據(jù)插入狀態(tài)標識組成數(shù)據(jù)幀。再加上同步序列、幀同步，組成1幀。組幀器的設(shè)計思路：首先將輸入數(shù)據(jù)放入一個寄存器，輸出12 b的同步序列，以及幀同步碼——巴克碼；之后，將保存的部分狀態(tài)標識數(shù)據(jù)依次輸出；最后，通過移位法將輸人數(shù)據(jù)依次移位輸出，輸完之后加上幀尾。設(shè)計結(jié)果如圖3所示。

    圖3中：
    clk：時鐘采樣信號，組幀器在其上升沿處數(shù)據(jù)采樣，并進行組幀運算。
    reset_n：組幀器異步復位控制信號。定義為1表示不進行復位操作，采樣數(shù)據(jù)有效，組幀器正常操作；定義為0表示進行復位操作，采樣數(shù)據(jù)寄存器清零，組幀器清零。
    data_in：信啟、數(shù)據(jù)的輸入端口，其位寬為1 b。
    state_in：狀態(tài)標識輸入比特。
    valid：輸入數(shù)據(jù)的有效位。
    data_out：組幀后碼字輸出端口，其位寬為1 b。
    outvalid：輸出數(shù)據(jù)的有效位。
2．3 擴頻模塊設(shè)計
    GOLD碼序列產(chǎn)生器的設(shè)計結(jié)果如圖4所示。在整個模塊中分為2個進程。一是在時鐘上升沿到來并且復位結(jié)束時，進行m序列優(yōu)選對的算法，分別將兩個31位的m序列值存入寄存器中，初值都為“11111”。另一個進程通過輸入位valid進行判斷。通過valid=1，進行對位異或運算，計算GOLD碼，產(chǎn)生一組碼后，將其保存，然后在連續(xù)零處添加1個零，然后輸出，其余的碼組通過移位實現(xiàn)，這樣就生成了32 b×32 b的GOLD碼，串行輸出。

    圖4中：
    clk：時鐘采樣信號，GOLD碼編碼器在其上升沿處數(shù)據(jù)采樣，并進行產(chǎn)生GOLD碼運算。
    reset_n：GOLD碼編碼器異步復位控制信號。定義為1表示不進行復位操作，數(shù)據(jù)有效，GOLD碼編碼器正常操作；定義為0表示進行復位操作，數(shù)據(jù)寄存器清零，并進行初值賦值。
    valid：開啟計算GOLD碼的開關(guān)。
    out：GOLD碼輸出端口，其位寬為1 b。
    outvalid：輸出數(shù)據(jù)的有效位。
2．4 調(diào)制模塊設(shè)計
    根據(jù)MSK的基本原理，并且根據(jù)公式改變頻率控制字的值即可改變NCO的輸出頻率。其中FCW為用二進制初碼表示的頻率控制字。fin為NCO的采樣頻率，n為頻率控制字的位數(shù)，相當為輸入二進制初碼的位數(shù)。即為輸出所要求的頻率。
    MSK調(diào)制器的實現(xiàn)需要3個必要條件。一是在碼元轉(zhuǎn)換時刻，進行FPGA中控制NCO的頻率輸出的切換。二是相位連續(xù)。由于NCO輸出信號的相位始終能保持連續(xù)，滿足了條件。三是在一個符號周期內(nèi)必須包含1／4載波周期的整數(shù)倍。根據(jù)必要條件三，可以得出下式：
   
    因此，當fs=4 MHz，即輸入MSK調(diào)制器的符號采樣率為4 MHz，當n=20時，則fc為20 MHz，即載波頻率為20 MHz。因此，便完成了MSK調(diào)制器的FPGA實現(xiàn)。
    根據(jù)上面的實現(xiàn)方式，需要一個開關(guān)，根據(jù)輸入碼字“1”或“0”來改變NCO輸入頻率字，分別輸出頻率24 MHz與16 MHz。于是設(shè)計的MSK調(diào)制器如圖5所示，前面部分是開關(guān)，后面部分是NCO。

    圖5中clk：時鐘采樣信號，MSK調(diào)制器的開關(guān)在其上升沿處數(shù)據(jù)采樣。
    clk_sample：時鐘信號，NCO時鐘采樣信號。
    data_in：MSK調(diào)制器的字符輸入端口，其位寬為1b。
    reset_n：MSK調(diào)制器異步復位控制信號。定義為1表示不進行復位操作，數(shù)據(jù)有效，MSK調(diào)制器正常操作；定義為0表示進行復位操作，數(shù)據(jù)寄存器清零，MSK調(diào)制器清零。
    valid：開啟MSK調(diào)制器的開關(guān)。
    out：MSK調(diào)制器輸出端口，其位寬為16b。
    outvalid：輸出數(shù)據(jù)的有效位。

3 驗證與實現(xiàn)
    下面詳細敘述采用CycloneⅡ開發(fā)板進行編碼、組幀、擴頻、調(diào)制模塊的驗證結(jié)果。
3．1 編碼模塊的驗證
    首先驗證RS編碼模塊。采用輸入信號為1～223，這223個十進制數(shù)。通過Matlab仿真，輸出的校正位應(yīng)該是104，237，65，17，239，22，155，184，61，164，225，240，171，17，31，251，196，2，221，208，31，239，17，192，196，214，197，41，87，190，41，120。QuartusⅡ測試結(jié)果由圖6所示。從圖中可以看出，設(shè)計符合要求。

    其次驗證交織編碼模塊。輸入數(shù)據(jù)為上面RS編碼器的輸出。輸出數(shù)據(jù)為1，17，33，…；2，18，34，…；3，19，35，…；…；16，32，48，…。仿真結(jié)果如圖7所示。由于數(shù)據(jù)太長無法顯示，只顯示部分。

    最后驗證卷積編碼，同時達到驗證整個編碼器的功能的目的。輸入數(shù)據(jù)為上述編碼輸入的數(shù)據(jù)。根據(jù)Matlab的仿真，輸出的數(shù)據(jù)為1，1，1，0，1，1，1，1，0，0，0，1，1，1，0，0，1，1，1，0，…。仿真結(jié)果如圖8所示，參考時鐘為clk16。

3．2 組幀模塊的驗證
    組幀模塊比較簡單，狀態(tài)標識通過外界輸入，且長度要求為31b。此模塊的輸入數(shù)據(jù)為上面編碼模塊的輸出數(shù)據(jù)。仿真結(jié)果如圖9所示，從frame_valid為高電平開始，輸出12 b的“1”的導頻碼；后面是7 b的幀同步碼——巴克碼；之后，將部分狀態(tài)標識數(shù)據(jù)與卷積編碼器的輸出數(shù)據(jù)1，1，1，0，1，1，1，1，0，0，0，1，1，1，0，0，1，1，1，0，…依次輸出；最后輸出剩余狀態(tài)標識數(shù)據(jù)。
3．3 擴頻模塊的驗證
    擴頻實現(xiàn)原理：輸入數(shù)據(jù)與擴頻碼進行異或運算，需要一個異或運算器，如圖10所示。

    圖10中clk：時鐘信號，異或運算器在其上升沿處數(shù)據(jù)采樣。
    frame_data：異或運算器的數(shù)據(jù)輸入端口，其位寬為1b。
    frame_valid：輸入數(shù)據(jù)的有效標志位。
    gold_valid：GOLD碼輸出有效標志位。
    gold_data：GOLD碼。
    goldout_valid：輸出數(shù)據(jù)有效標志位。
    gold_out：異或運算器輸出端口，其位寬為1b。
    擴頻模塊的輸入數(shù)據(jù)為組幀模塊輸出的數(shù)據(jù)，碼為GOLD碼。仿真結(jié)果如圖11所示，clk16_31是采樣時鐘，frame_out是數(shù)據(jù)輸入，gold是GOLD碼輸入，out為輸出。

3．4 調(diào)制模塊的驗證
    由于是驗證模塊的正確性，因此時鐘與數(shù)據(jù)都是隨便取的。將程序下載到FPGA平臺上，通過SignalTapⅡ捕捉數(shù)據(jù)。結(jié)果如圖12所示，clk1M是輸入數(shù)據(jù)，out是MSK調(diào)制的輸出結(jié)果。

4 結(jié)語
    FPGA是整個發(fā)射機的核心，且FPGA的可編程性使電路的設(shè)計更具靈活性。本文即是以FPGA為硬件設(shè)計平臺，QuartusⅡ為設(shè)計工具設(shè)計實現(xiàn)的一種直擴／跳頻混合擴頻發(fā)射系統(tǒng)。給出了發(fā)射機的系統(tǒng)模型，以及各個模塊的設(shè)計原理和仿真波形。仿真結(jié)果表明該FPGA設(shè)計是正確可行的，加入了擴頻模塊，使得整個系統(tǒng)具有較高的性能指標，輸出穩(wěn)定無毛刺。