直序擴頻的研究與FPGA實現(xiàn)

王道平，郭 峰 ，韓 溟

(第二炮兵工程學院基礎部，陜西西安 710025)

擴頻通信是現(xiàn)代通信系統(tǒng)中的一種獨特的通信方式，其擁有較強的抗干擾、抗多徑性能以及頻譜利用率高、多址通信等諸多優(yōu)點。直接序列擴頻被許多現(xiàn)存的和未來的蜂窩通信系統(tǒng)采用，并廣泛應用在軍事通信網(wǎng)絡與系統(tǒng)中[1]。

隨著微電子制造工藝的發(fā)展，可編程邏輯器件取得了長足的進步?？梢酝瓿沙笠?guī)模的復雜組合邏輯與時序邏輯的現(xiàn)場可編程邏輯器件(FPGA)，在電子系統(tǒng)的設計中得到越來越廣泛的應用。

以Quartus II軟件為開發(fā)工具，利用FPGA實現(xiàn)了一個基帶直接序列擴頻通信系統(tǒng)，其包括發(fā)送模塊和接收模塊兩部分。

1 直序擴頻通信系統(tǒng)的基本原理

直接序列擴展頻譜系統(tǒng)(Direct Sequece Spread Spectrum Communication Systems，DS-SS)，簡稱直擴系統(tǒng)，是用待傳輸?shù)男畔⑿盘柵c高速率的偽隨機碼波形相乘，去調(diào)制射頻信號的某個參量，來擴展傳輸信號的帶寬。原理如圖1所示。

在發(fā)信機端，待傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信號與偽隨機碼波形相乘形成的復合碼對載波進行調(diào)制，然后由天線發(fā)射。在收信機端，要產(chǎn)生一個和發(fā)信機中的偽隨機碼同步的本地參考偽隨機碼，對接收信號進行解擴。解擴后的信號送到解調(diào)器解調(diào)，恢復出傳送的信息[2-3]。

圖1 直擴系統(tǒng)組成框圖

2 直序擴頻通信系統(tǒng)發(fā)送模塊的設計與實現(xiàn)

發(fā)射子系統(tǒng)主要包括信息碼的輸入模塊、擴頻偽隨機碼的產(chǎn)生模塊及擴頻模塊。

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。設置為200字長、1位寬。設計ROM的地址控制模塊，以給定的時鐘驅(qū)動一個計數(shù)器來循環(huán)產(chǎn)生地址信息，使得ROM中存儲的待發(fā)射信息循環(huán)不斷的輸出。

利用Verilog語言設計地址控制模塊，利用Quartus II提供的LPM定制ROM模塊，用原理圖設計生成頂層實體[4]，可得如圖2所示的電路及圖3所示仿真結(jié)果。

圖2 信息碼輸入模塊電路圖

圖3 數(shù)據(jù)碼輸入模塊仿真結(jié)果

從結(jié)果可以看出，在時鐘控制下，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)字化設計

系統(tǒng)的PN碼發(fā)生器采用m序列發(fā)生器，本設計中m序列發(fā)生器選用6級移位寄存器，即n=6，其對應的特征多項式為f(x)=x6+x+1，由第1和第6級引回反饋[5]，序列發(fā)生器結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 6級m序列PN碼生成器結(jié)構(gòu)圖

6級m序列發(fā)生器可產(chǎn)生周期為63的PN碼序列，因為寄存器起始序列若全零，輸出序列也將為全零。這樣會造成PN碼發(fā)生器進入死鎖狀態(tài)。因此要使PN碼發(fā)生器正常工作，產(chǎn)生預期的PN序列，必須保證在起始時寄存器中至少有一個為1。設計發(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。設計采用寄存器傳輸描述方式，便于設計中修改寄存器的初始狀態(tài)。仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 PN碼生成器仿真結(jié)果

2.3 擴頻調(diào)制的實現(xiàn)

在實際應用中，為達到數(shù)據(jù)符號擴頻的目的，通常的做法是用一擴頻碼序列與待發(fā)射的信號相乘，并且擴頻序列具有比數(shù)據(jù)比特窄得多的時寬，從而使擴頻序列具有比數(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)合前幾個模塊，整個發(fā)射子系統(tǒng)部分將存儲在ROM中的信息以取出后與來自PN碼發(fā)生器的偽碼序列進行模2加，完成信號的頻譜擴展。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為全局時鐘，clk4為讀數(shù)時鐘，clk204為PN碼發(fā)生器時鐘，data為輸入數(shù)據(jù)，kuopinout為擴頻輸出數(shù)據(jù)。從結(jié)果可以看出，實現(xiàn)了擴頻調(diào)制的功能。

圖6 發(fā)射端電路圖

圖7 發(fā)送端的仿真波形圖

從仿真波形圖可以看出，設計的發(fā)送端按要求完成了m序列的產(chǎn)生及擴頻調(diào)制等功能。

3 接收模塊的設計與實現(xiàn)

相對于發(fā)射子系統(tǒng)，接收子系統(tǒng)是個復雜的數(shù)字信號處理過程，它主要完成數(shù)字基帶信號的同步捕獲和解擴[6]。

3.1 本地PN碼發(fā)生器的設計

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設計與實現(xiàn)

擴頻通信系統(tǒng)解擴的關鍵技術是擴頻信號的同步，其性能的好壞直接影響到系統(tǒng)的性能和可靠性，而同步的關鍵又在PN碼捕獲方法[7]。

擴頻碼的同步捕獲是要解決在工程上實用的問題，包含兩方面的內(nèi)容:簡單的同步捕獲設備和短的同步捕獲時間。盡管設備簡單是任何一個系統(tǒng)都追求的指標，但擴頻通信系統(tǒng)中這個指標更顯得重要。在不增加或少增加設備量的情況下，如何縮短擴頻碼的同步捕獲時間是擴頻碼同步捕獲的主要研究內(nèi)容。

擴頻碼同步捕獲一般有以下幾個步驟:(1)確定要搜索的擴頻碼相位的區(qū)域。(2)調(diào)整本地參考擴頻碼的相位。(3)求解擴頻碼的相關函數(shù)值。(4)對所求相關值進行判決。

在綜合考慮以上因素的基礎上設計了數(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)點是捕獲時間短，可以快速完成擴頻信號的解擴和解調(diào)。在理想情況下，數(shù)字匹配濾波器(DMF)捕獲系統(tǒng)最多只需要一個擴頻序列周期的時間，就可檢測出同步相位，實現(xiàn)擴頻序列的捕獲[8]。

在匹配濾波器中，用PN碼序列與通道的待解擴數(shù)據(jù)進行相關運算，并計算出相關運算的和，由于PN碼的重要特性就是它的自相關系數(shù)高，而互相關系數(shù)低，所以只要相關的兩路信號的PN碼一致，就可以獲得相關積分的峰值。這意味著解擴的成功。用于PN碼同步捕捉的匹配濾波器一般采用延遲線匹配濾波器，在捕捉過程中，接收信號與本地偽碼序列連續(xù)地進行相關處理，任何時刻的相關結(jié)果都與一個門限相比較，如果超過了門限，則表明此時刻本地PN碼序列的相位與接收碼序列相位是同步，同步過程即告完成，同時還完成了擴頻信號的解擴。由于PN碼的自相關特性，在一個碼周期內(nèi)總會出現(xiàn)一個相關峰，在僅T=NTC時間內(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，因此它的捕捉時間很短。然而當擴頻碼周期較長時，采用常規(guī)方法就需要較多抽頭的FIR濾波器，這樣的濾波器實現(xiàn)起來比較困難，而且占用資源較大，其硬件復雜度會隨著擴頻碼的長度成倍增長。因此，將匹配濾波器在FPGA中以一種簡單有效的方法來實現(xiàn)是關鍵。

基于上述思想，用FPGA來實現(xiàn)的數(shù)字匹配濾波器由兩組延遲移位寄存器、乘法器、算術累加器和一組系數(shù)寄存器構(gòu)成[9]，結(jié)構(gòu)示意圖如圖8所示。

圖8 數(shù)字基帶匹配濾波器結(jié)構(gòu)圖

在圖8中，序列移位寄存器主要用于存放高速時鐘采集的輸入擴頻數(shù)據(jù)，并經(jīng)過固定的延時單元后將數(shù)據(jù)送入乘法器中與預存的PN碼做相關運算。移位寄存器組構(gòu)成匹配濾波器陣列，目的在于完成擴頻信號與本地偽碼的匹配。

數(shù)字基帶匹配濾波器的仿真結(jié)果如圖9所示。

圖9 數(shù)字基帶匹配濾波器捕獲結(jié)果仿真

3.3 解擴模塊的FPGA實現(xiàn)

對于直擴系統(tǒng)，只有在完成擴頻序列的同步后，才能用同步的PN碼序列對接收的擴頻信號進行相關解擴，對于基頻信號來說，解擴的方法與擴頻相同，通常的做法就是用本地同步的PN碼序列與接收到的擴頻信號相乘，即可把擴頻的寬帶信號恢復成窄帶信號，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，用它對信息碼進行擴頻。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碼與接收信號中的PN碼進行相關匹配，實現(xiàn)同步捕獲后，啟動本地PN碼進行同步相位移動，送入解擴模塊中進行解擴。

圖10 基帶系統(tǒng)綜合電路圖

系統(tǒng)仿真結(jié)果如圖11所示。

圖11 基帶系統(tǒng)仿真結(jié)果

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

4 結(jié)束語

研究了直序擴頻的基本原理，設計并實現(xiàn)了基于FPGA的直序擴頻系統(tǒng)，給出系統(tǒng)的設計電路和仿真結(jié)果，通過結(jié)果驗證了設計的正確性和可行性。

[1]蘇珊.直接序列擴頻通信原理的VHDL實現(xiàn)[D].長沙:湖南大學，2008.

[2]田日才.擴頻通信[M].北京:清華大學出版社，2007.

[3]曾興雯，劉乃安，孫獻璞.擴展頻譜通信及其多址技術[M].西安:西安安電子科技大學出版社，2009.

[4]馬建國，孟憲源.FPGA現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)設計[M].北京:清華大學出版社，2010.

[5]趙巖.基于Verilog的直序擴頻通信系統(tǒng)設計[J].網(wǎng)絡與通信，2007，23(7):132-134.

[6]劉芳.基于FPGA的擴頻通信基帶系統(tǒng)的研究與設計[D].大連:大連海事大學，2005.

[7]李曉梅.基于FPGA的直擴通信系統(tǒng)的同步設計與實現(xiàn)[D].大連:大連理工大學，2009.

[8]代敏，禹思敏，羅玉玲.匹配濾波器同步捕獲技術FPGA設計[J].通信技術，2010，43(5):13-16.

[9]陳榮，周旭，張士強.擴頻信號的捕獲與跟蹤[J].無線電工程，2010，40(5):33-35.