直序擴(kuò)頻的研究與FPGA實(shí)現(xiàn)

摘要 直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)以強(qiáng)抗噪聲、低截獲性和多址通信等特點(diǎn)，在軍事及民用移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中得到廣泛應(yīng)用。文中對(duì)直序擴(kuò)頻的FPGA實(shí)現(xiàn)技術(shù)進(jìn)行了研究。以QuartusII為開(kāi)發(fā)工具，建立了一個(gè)初步的直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)。設(shè)計(jì)了發(fā)射模塊和接收模塊，發(fā)射模塊包括PN碼產(chǎn)生器、擴(kuò)頻調(diào)制器、接收模塊包括匹配濾波器和解擴(kuò)器；給出了上述模塊的實(shí)現(xiàn)電路及仿真結(jié)果。
關(guān)鍵詞 直序擴(kuò)頻；FPGA；PN碼；匹配濾波器

    擴(kuò)頻通信是現(xiàn)代通信系統(tǒng)中的一種獨(dú)特的通信方式，其擁有較強(qiáng)的抗干擾、抗多徑性能以及頻譜利用率高、多址通信等諸多優(yōu)點(diǎn)。直接序列擴(kuò)頻被許多現(xiàn)存的和未來(lái)的蜂窩通信系統(tǒng)采用，并廣泛應(yīng)用在軍事通信網(wǎng)絡(luò)與系統(tǒng)中。
    隨著微電子制造工藝的發(fā)展，可編程邏輯器件取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。可以完成超大規(guī)模的復(fù)雜組合邏輯與時(shí)序邏輯的現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯器件(FPGA)，在電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。
    以Quartus II軟件為開(kāi)發(fā)工具，利用FPGA實(shí)現(xiàn)了一個(gè)基帶直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)，其包括發(fā)送模塊和接收模塊兩部分。

1 直序擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的基本原理
    直接序列擴(kuò)展頻譜系統(tǒng)(Direct Sequece Spread Spectrum Communication Systems，DS-SS)，簡(jiǎn)稱(chēng)直擴(kuò)系統(tǒng)，是用待傳輸?shù)男畔⑿盘?hào)與高速率的偽隨機(jī)碼波形相乘，去調(diào)制射頻信號(hào)的某個(gè)參量，來(lái)擴(kuò)展傳輸信號(hào)的帶寬。原理如圖1所示。

    在發(fā)信機(jī)端，待傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信號(hào)與偽隨機(jī)碼波形相乘形成的復(fù)合碼對(duì)載波進(jìn)行調(diào)制，然后由天線(xiàn)發(fā)射。在收信機(jī)端，要產(chǎn)生一個(gè)和發(fā)信機(jī)中的偽隨機(jī)碼同步的本地參考偽隨機(jī)碼，對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行解擴(kuò)。解擴(kuò)后的信號(hào)送到解調(diào)器解調(diào)，恢復(fù)出傳送的信息。

2 直序擴(kuò)頻通信系統(tǒng)發(fā)送模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
    發(fā)射子系統(tǒng)主要包括信息碼的輸入模塊、擴(kuò)頻偽隨機(jī)碼的產(chǎn)生模塊及擴(kuò)頻模塊。
2．1 信息碼輸入模塊
    該模塊提供系統(tǒng)仿真及調(diào)試用的輸入數(shù)據(jù)源，數(shù)據(jù)固化在ROM中。設(shè)置為200字長(zhǎng)、1位寬。設(shè)計(jì)ROM的地址控制模塊，以給定的時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)一個(gè)計(jì)數(shù)器來(lái)循環(huán)產(chǎn)生地址信息，使得ROM中存儲(chǔ)的待發(fā)射信息循環(huán)不斷的輸出。
    利用Verilog語(yǔ)言設(shè)計(jì)地址控制模塊，利用QuartusⅡ提供的LPM定制ROM模塊，用原理圖設(shè)計(jì)生成頂層實(shí)體，可得如圖2所示的電路及圖3所示仿真結(jié)果。

    從結(jié)果可以看出，在時(shí)鐘控制下，地址輸入端循環(huán)產(chǎn)生地址信息使ROM中的數(shù)據(jù)循環(huán)輸出。
2．2 PN碼發(fā)生器的數(shù)字化設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)的PN碼發(fā)生器采用m序列發(fā)生器，本設(shè)計(jì)中m序列發(fā)生器選用6級(jí)移位寄存器，即n=6，其對(duì)應(yīng)的特征多項(xiàng)式為f(x)=x6+x+1，由第1和第6級(jí)引回反饋，序列發(fā)生器結(jié)構(gòu)如圖4所示。

    6級(jí)m序列發(fā)生器可產(chǎn)生周期為63的PN碼序列，因?yàn)榧拇嫫髌鹗夹蛄腥羧悖敵鲂蛄幸矊槿?。這樣會(huì)造成PN碼發(fā)生器進(jìn)入死鎖狀態(tài)。因此要使PN碼發(fā)生器正常工作，產(chǎn)生預(yù)期的PN序列，必須保證在起始時(shí)寄存器中至少有一個(gè)為1。設(shè)計(jì)發(fā)射端的PN碼寄存器初始狀態(tài)取“111111”。
    利用VHDL程序?qū)崿F(xiàn)PN碼發(fā)生器，可以采用結(jié)構(gòu)化描述方式，也可采用寄存器傳輸描述方式，兩種方式的仿真結(jié)果相同。設(shè)計(jì)采用寄存器傳輸描述方式，便于設(shè)計(jì)中修改寄存器的初始狀態(tài)。仿真結(jié)果如圖5所示。

2．3 擴(kuò)頻調(diào)制的實(shí)現(xiàn)
    在實(shí)際應(yīng)用中，為達(dá)到數(shù)據(jù)符號(hào)擴(kuò)頻的目的，通常的做法是用一擴(kuò)頻碼序列與待發(fā)射的信號(hào)相乘，并且擴(kuò)頻序列具有比數(shù)據(jù)比特窄得多的時(shí)寬，從而使擴(kuò)頻序列具有比數(shù)據(jù)序列高得多的頻帶。
2．4 發(fā)射子系統(tǒng)的綜合仿真
    結(jié)合前幾個(gè)模塊，整個(gè)發(fā)射子系統(tǒng)部分將存儲(chǔ)在ROM中的信息以取出后與來(lái)自PN碼發(fā)生器的偽碼序列進(jìn)行模2加，完成信號(hào)的頻譜擴(kuò)展。系統(tǒng)電路圖和仿真結(jié)果分別如圖6和圖7所示。仿真結(jié)果中，clk為全局時(shí)鐘，clk4為讀數(shù)時(shí)鐘，clk204為PN碼發(fā)生器時(shí)鐘，data為輸入數(shù)據(jù)，kuopinout為擴(kuò)頻輸出數(shù)據(jù)。從結(jié)果可以看出，實(shí)現(xiàn)了擴(kuò)頻調(diào)制的功能。

    從仿真波形圖可以看出，設(shè)計(jì)的發(fā)送端按要求完成了m序列的產(chǎn)生及擴(kuò)頻調(diào)制等功能.
3 接收模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
    相對(duì)于發(fā)射子系統(tǒng)，接收子系統(tǒng)是個(gè)復(fù)雜的數(shù)字信號(hào)處理過(guò)程，它主要完成數(shù)字基帶信號(hào)的同步捕獲和解擴(kuò)。
3．1 本地PN碼發(fā)生器的設(shè)計(jì)
    本地PN碼發(fā)生器與發(fā)射子系統(tǒng)中的PN碼發(fā)生器結(jié)構(gòu)完全相同。也采用m序列發(fā)生器，這里不再敘述。
3．2 同步捕獲模塊的FPGA設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
    擴(kuò)頻通信系統(tǒng)解擴(kuò)的關(guān)鍵技術(shù)是擴(kuò)頻信號(hào)的同步，其性能的好壞直接影響到系統(tǒng)的性能和可靠性，而同步的關(guān)鍵又在PN碼捕獲方法。
    擴(kuò)頻碼的同步捕獲是要解決在工程上實(shí)用的問(wèn)題，包含兩方面的內(nèi)容：簡(jiǎn)單的同步捕獲設(shè)備和短的同步捕獲時(shí)間。盡管設(shè)備簡(jiǎn)單是任何一個(gè)系統(tǒng)都追求的指標(biāo)，但擴(kuò)頻通信系統(tǒng)中這個(gè)指標(biāo)更顯得重要。在不增加或少增加設(shè)備量的情況下，如何縮短擴(kuò)頻碼的同步捕獲時(shí)間是擴(kuò)頻碼同步捕獲的主要研究?jī)?nèi)容。
    擴(kuò)頻碼同步捕獲一般有以下幾個(gè)步驟：(1)確定要搜索的擴(kuò)頻碼相位的區(qū)域。(2)調(diào)整本地參考擴(kuò)頻碼的相位。(3)求解擴(kuò)頻碼的相關(guān)函數(shù)值。(4)對(duì)所求相關(guān)值進(jìn)行判決。
    在綜合考慮以上因素的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了數(shù)字基帶匹配濾波器的捕獲電路。匹配濾波器捕獲的最大優(yōu)點(diǎn)是捕獲時(shí)間短，可以快速完成擴(kuò)頻信號(hào)的解擴(kuò)和解調(diào)。在理想情況下，數(shù)字匹配濾波器(DMF)捕獲系統(tǒng)最多只需要一個(gè)擴(kuò)頻序列周期的時(shí)間，就可檢測(cè)出同步相位，實(shí)現(xiàn)擴(kuò)頻序列的捕獲。
    在匹配濾波器中，用PN碼序列與通道的待解擴(kuò)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，并計(jì)算出相關(guān)運(yùn)算的和，由于PN碼的重要特性就是它的自相關(guān)系數(shù)高，而互相關(guān)系數(shù)低，所以只要相關(guān)的兩路信號(hào)的PN碼一致，就可以獲得相關(guān)積分的峰值。這意味著解擴(kuò)的成功。用于PN碼同步捕捉的匹配濾波器一般采用延遲線(xiàn)匹配濾波器，在捕捉過(guò)程中，接收信號(hào)與本地偽碼序列連續(xù)地進(jìn)行相關(guān)處理，任何時(shí)刻的相關(guān)結(jié)果都與一個(gè)門(mén)限相比較，如果超過(guò)了門(mén)限，則表明此時(shí)刻本地PN碼序列的相位與接收碼序列相位是同步，同步過(guò)程即告完成，同時(shí)還完成了擴(kuò)頻信號(hào)的解擴(kuò)。由于PN碼的自相關(guān)特性，在一個(gè)碼周期內(nèi)總會(huì)出現(xiàn)一個(gè)相關(guān)峰，在僅T=NTC時(shí)間內(nèi)，序列所有可能的相位都被搜索了一遍，具有較高的相位搜索速度，因此它的捕捉時(shí)間很短。然而當(dāng)擴(kuò)頻碼周期較長(zhǎng)時(shí)，采用常規(guī)方法就需要較多抽頭的FIR濾波器，這樣的濾波器實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較困難，而且占用資源較大，其硬件復(fù)雜度會(huì)隨著擴(kuò)頻碼的長(zhǎng)度成倍增長(zhǎng)。因此，將匹配濾波器在FPGA中以一種簡(jiǎn)單有效的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)是關(guān)鍵。
    基于上述思想，用FPGA來(lái)實(shí)現(xiàn)的數(shù)字匹配濾波器由兩組延遲移位寄存器、乘法器、算術(shù)累加器和一組系數(shù)寄存器構(gòu)成，結(jié)構(gòu)示意圖如圖8所示。

    在圖8中，序列移位寄存器主要用于存放高速時(shí)鐘采集的輸入擴(kuò)頻數(shù)據(jù)，并經(jīng)過(guò)固定的延時(shí)單元后將數(shù)據(jù)送入乘法器中與預(yù)存的PN碼做相關(guān)運(yùn)算。移位寄存器組構(gòu)成匹配濾波器陣列，目的在于完成擴(kuò)頻信號(hào)與本地偽碼的匹配。
    數(shù)字基帶匹配濾波器的仿真結(jié)果如圖9所示。

3．3 解擴(kuò)模塊的FPGA實(shí)現(xiàn)
    對(duì)于直擴(kuò)系統(tǒng)，只有在完成擴(kuò)頻序列的同步后，才能用同步的PN碼序列對(duì)接收的擴(kuò)頻信號(hào)進(jìn)行相關(guān)解擴(kuò)，對(duì)于基頻信號(hào)來(lái)說(shuō)，解擴(kuò)的方法與擴(kuò)頻相同，通常的做法就是用本地同步的PN碼序列與接收到的擴(kuò)頻信號(hào)相乘，即可把擴(kuò)頻的寬帶信號(hào)恢復(fù)成窄帶信號(hào)，以解調(diào)出傳送的信息數(shù)據(jù)。
3．4 基帶系統(tǒng)綜合仿真
    結(jié)合以上模塊進(jìn)行基帶綜合功能仿真，仿真圖如圖10和圖11所示。

    發(fā)射子系統(tǒng)中，發(fā)送PN碼產(chǎn)生器為63位序列，用它對(duì)信息碼進(jìn)行擴(kuò)頻。接收子系統(tǒng)中，本地PN碼發(fā)生器也為63位序列，頻率和碼字與發(fā)送端都相同，但相位不同。同步捕獲采用匹配濾波器法，將本地PN碼與接收信號(hào)中的PN碼進(jìn)行相關(guān)匹配，實(shí)現(xiàn)同步捕獲后，啟動(dòng)本地PN碼進(jìn)行同步相位移動(dòng)，送入解擴(kuò)模塊中進(jìn)行解擴(kuò)。
    系統(tǒng)仿真結(jié)果如圖11所示。

    從結(jié)果可以看出，在捕獲到PN碼的情況下，系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)正確的解擴(kuò)功能。

4 結(jié)束語(yǔ)
    研究了直序擴(kuò)頻的基本原理，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于FPGA的直序擴(kuò)頻系統(tǒng)，給出系統(tǒng)的設(shè)計(jì)電路和仿真結(jié)果，通過(guò)結(jié)果驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的正確性和可行性。