基于FPGA的CDMA調(diào)制/解調(diào)技術的研究與實現(xiàn)

張金金+李欣

摘 要： 基于水聲通信系統(tǒng)的需求，設計了基于FPGA的CDMA技術的調(diào)制/解調(diào)模塊，選用m序列作擴頻碼，BPSK作為調(diào)制方式。該設計在EP3C10E144C8N芯片上，實現(xiàn)了各個功能模塊，完成了CDMA調(diào)制/解調(diào)功能，仿真結(jié)果表明該設計功能正常并且工作穩(wěn)定。CDMA調(diào)制/解調(diào)模塊將應用于水聲通信系統(tǒng)。

關鍵詞： 水聲通信； CDMA； BPSK； FPGA

中圖分類號： TN76?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）07?0009?03

Research and implementation of CDMA modulation/demodulation technology

based on FPGA

ZHANG Jin?jin， LI Xin

（College of Information Science and Engineering， Ocean University of China， Qingdao 266100， China）

Abstract： In order to meet the needs of underwater acoustic communication system， the modulation/ demodulation module of CDMA technology based on FPGA was designed. The m sequence is used as spread spectrum code and BPSK is taken as the modulation mode. Each functional module was achieved and CDMA modulation / demodulation function was completed on EP3C10e144c8n. The simulation results show that the system works properly and stably. The CDMA modulation / demodulation module will be applied to underwater acoustic communication system.

Keywords： underwater acoustic communication； CDMA； BPSK； FPGA

0 引 言

任何信息需要借助聲、光、電信號進行傳遞，由于光信號和電信號在海水中的衰減比較嚴重，而聲波是人類迄今為止已知的惟一能在水中遠距離傳播的能量形勢，因此，近些年海洋中的水聲通信系統(tǒng)的研究以及開發(fā)成了熱點。水聲通信是指利用水聲信道進行通信雙方數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ畔到y(tǒng)，水聲通信系統(tǒng)構(gòu)成與傳統(tǒng)的無線電通信系統(tǒng)構(gòu)成具有極大的相似性，但是水聲通信系統(tǒng)是將電信號轉(zhuǎn)換成聲信號，攜載信息的聲信號在水中進行傳播完成系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸。

1 水聲通信系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

基于CDMA的水聲通信調(diào)制/解調(diào)系統(tǒng)的設計框圖如圖1所示，整個設計系統(tǒng)主要實現(xiàn)了信號的CDMA調(diào)制/解調(diào)、控制DAC以及ADC進行數(shù)字采集，模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)模轉(zhuǎn)換由專用的集成芯片來實現(xiàn)。功率放大器的功能是實現(xiàn)對調(diào)制信號的放大，信號放大與調(diào)理是功率放大的逆過程；發(fā)射水聲換能器實現(xiàn)將經(jīng)過放大器產(chǎn)生的電磁能轉(zhuǎn)化為聲能，接收水聲換能器是將接收到的聲信號轉(zhuǎn)化為電信號。

圖1 水聲通信系統(tǒng)基本模型

設計的水聲通信系統(tǒng)電路原理框圖如圖2所示。系統(tǒng)的主控制芯片是Altera公司的Cyclone Ⅲ系列的EP3C10E144C8N，內(nèi)部主要包括通信模塊、擴頻模塊、BPSK調(diào)制模塊及相應的解調(diào)模塊；外圍電路包括整個系統(tǒng)的供電電路、實現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換的ADS7800芯片、實現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換的TY5639芯片、為整個系統(tǒng)提供時鐘信號的的晶振電路、實現(xiàn)TTL電平與CMOS電平兼容的電平轉(zhuǎn)換芯片74HC245A、用于燒寫目標程序的JTAG接口，另外還包括數(shù)據(jù)傳輸?shù)碾娐返取?/p>

圖2 水聲通信系統(tǒng)的電路設計框圖

該系統(tǒng)的工作過程：首先是上位機模擬發(fā)射端，將要發(fā)送的數(shù)字信號經(jīng)串行口發(fā)送給FPGA芯片，通信模塊接收數(shù)字信息后依次傳送給擴頻模塊BPSK調(diào)制模塊，至此將接收到的數(shù)字信息進行調(diào)制后產(chǎn)生的信號經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成模擬電信號，然后該電信號經(jīng)水聲換能器轉(zhuǎn)換成聲信號發(fā)送出去，攜載了發(fā)送方發(fā)送信息的聲信號在水下環(huán)境進行傳播。其次是接收端，接收端同樣有一個水聲換能器負責將接收到的聲信號轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器后，所得數(shù)據(jù)信號經(jīng)同步后進行BPSK解調(diào)，最后將解調(diào)出來的數(shù)字信號經(jīng)通信模塊傳給串行口，從而發(fā)送給接收端，一次水聲通信過程完成。

2 系統(tǒng)的FPGA實現(xiàn)

CDMA又稱碼分多址，是以擴頻通信為基礎的一種調(diào)制和多址方式，擴頻通信技術是一種信息傳輸方式，要求信號所占有的頻帶寬度遠大于所傳信息所必需的最小帶寬；頻帶的展寬是通過編碼及調(diào)制的方法實現(xiàn)的，并與所傳信息數(shù)據(jù)無關；在接收端則用相同的擴頻碼進行相關解調(diào)來解擴及恢復所傳信息數(shù)據(jù)。其理論依據(jù)是信息論中的香農(nóng)公式[1]：

[C=Blog2（1+SN）] （1）

式中：[C]為信道可能傳輸?shù)淖畲笮畔⑺俾剩硎拘诺廊萘?；[B]表示信道帶寬；[S]表示信號的平均功率；[N]表示噪聲功率。

從式（1）中可以看出：在信噪比很小的情況下，可以使用增加帶寬的辦法來提高系統(tǒng)的抗干擾性能，以保證信道容量不變。換句話說，在信道容量相同的條件下，寬帶系統(tǒng)比窄帶系統(tǒng)的抗干擾性能要好，所以當信噪比太小而且不能保證通信質(zhì)量時，可以采用增加帶寬的方法來改善通信質(zhì)量[2]。

圖3，圖4為直擴系統(tǒng)的工作原理圖[3]，由信號源輸出的信息碼與偽隨機碼產(chǎn)生器產(chǎn)生的偽隨機碼進行模2加或相乘，產(chǎn)生以速率與偽隨機碼速率相同的擴頻序列，然后再用載波去調(diào)制擴頻序列，就得到已擴頻調(diào)制的射頻信號。接收端解擴的過程與擴頻過程相同，用本地的偽隨機序列對接收信號進行相關解擴后進行解調(diào)。

圖3 發(fā)射單元原理圖

圖4 接收單元原理圖

2.1 發(fā)射單元設計

發(fā)射單元主要包括偽隨機序列碼模塊（PN碼發(fā)生器），擴頻模塊，BPSK調(diào)制模塊[4]。

2.1.1 PN碼發(fā)生器

PN碼發(fā)生器采用m序列發(fā)生器的原理[5]，m序列式最長線性移位寄存器，是由移位寄存器加反饋后形成的。一個線性反饋移存器能產(chǎn)生m序列的充分必要條件為：期特征多項式為本原多項式。本設計設計了一個7級周期為127的發(fā)生器，所選用的本原多項式為[f（x）=1+x+x2+x6，]使用VHDL語言編寫。

2.1.2 擴頻模塊

將PN碼發(fā)生器生成的m序列與輸入的數(shù)字信號進行異或，完成擴頻功能。擴頻模塊的RTL圖如圖5所示。

圖5 擴頻模塊RTL圖

2.1.3 BPSK調(diào)制模塊

調(diào)制模塊選擇了具有恒包絡特性的BPSK調(diào)制，它是通過基帶信號控制載波的相位，使得載波相位發(fā)生跳變的一種調(diào)制方式。當碼元為‘1時，調(diào)制后相位變?yōu)?80°，當碼元為‘0，時，調(diào)制后相位變?yōu)?°，為此設計了BPSK調(diào)制模塊，設計例化了兩個ROM，通過Matlab生成.mif文件用來存放0°和180°的數(shù)據(jù)，另外還有地址選擇器，數(shù)據(jù)選擇器。

整個發(fā)射端的仿真圖如圖6所示，clk為系統(tǒng)時鐘，clk_bpsk為進行BPSK調(diào)制的時鐘，datain為輸入數(shù)據(jù)，m_out為生成的m序列，spre_out為擴頻后的波形，bpsk_out為BPSK調(diào)制后的輸出。從結(jié)果可以明顯地看出輸出信號有兩次相位變化，一次是從0°～180°的跳變，另一次是從180°～0°的跳變，可以看到數(shù)據(jù)被正確的調(diào)制。

圖6 發(fā)射單元仿真圖

2.2 接收單元設計

為了驗證設計系統(tǒng)的可行性，系統(tǒng)里設計了BPSK 解調(diào)和解擴模塊，并將發(fā)射端調(diào)制好的數(shù)據(jù)直接作為接收端的輸入數(shù)據(jù)。BPSK 解調(diào)模塊里同樣例化了一個ROM[6] ，存儲了相位為0°的數(shù)據(jù)，將通過載波同步后的數(shù)據(jù)與ROM的輸出數(shù)據(jù)進行相乘，然后進行抽樣判決，判決結(jié)果如圖7所示，圖中spre_out為發(fā)射端擴頻完的數(shù)據(jù)，sam_out為進行抽樣判決后并延時了70個clk_bpsk，目的是為了將數(shù)據(jù)恰好在數(shù)據(jù)始終的上升沿，p_out表示開始進行解調(diào)輸出，從圖中可以看出判決延時后的數(shù)據(jù)恰好與擴頻后的數(shù)據(jù)完全相同，只是延時了一段時間表示解調(diào)時間。

圖7 BPSK解調(diào)模塊結(jié)果圖

假設解擴模塊里已進行PN碼的同步，此處只是進行了一定時間的延時，使其恰好與發(fā)射端PN 碼相同，然后與 BPSK 解調(diào)后的數(shù)據(jù)進行異或，得到輸出數(shù)據(jù)，結(jié)果如8所示，sp_end 為解擴完的數(shù)據(jù)，p_end 為標志位表示開始進行解擴，datain 為輸入的原始數(shù)據(jù)，從圖中可以看出解擴的數(shù)據(jù)域最初的原始輸入數(shù)據(jù)相同，只是有一段時間的延時，可看出系統(tǒng)進行了正確的解調(diào)。

圖8 解調(diào)仿真圖

3 結(jié) 語

本文設計了一個基于FPGA的直接序列擴頻系統(tǒng)的水聲通信調(diào)制/解調(diào)系統(tǒng)，目的在于使水聲無線通信中具有更強的抗干擾性和保密性，系統(tǒng)中包含了信號的擴頻及BPSK調(diào)制以及相應的解調(diào)模塊，并且在Modelsim仿真軟件上驗證成功。雖然BPSK調(diào)制相對于2FSK，2ASK具有帶寬窄、頻率高、抗干擾性強等優(yōu)點，廣泛的應用于中高速通信中[7]。但是在更高速的通信系統(tǒng)中，BPSK調(diào)制已經(jīng)不能滿足頻帶利用率和系統(tǒng)的有效性等要求，故基本采用多進制調(diào)相系統(tǒng)。此外，絕對調(diào)相系統(tǒng)會產(chǎn)生倒相現(xiàn)象，因此應該考慮采用相對相位調(diào)相系統(tǒng)，基于該思路的水聲無線通信一定會有更好的應用前景。

參考文獻

[1] PROAKIS J G. Digital communications [M]. Fourth Edition. New York： McGraw?hill， 2001： 169?269.

[2] 郭黎利，李北明，竇崢.擴頻通信系統(tǒng)的FPAG設計[M].北京：國防工業(yè)出版社，2013.

[3] 陳曦，邱志成，張鵬，等.基于Verilog HDL的通信系統(tǒng)設計[M].北京：中國水利水電出版社，2009.

[4] 張桂林.直接序列擴頻系統(tǒng)的仿真及FPGA的實現(xiàn)設計[D].太原：太原理工大學，2012.

[5] 周炯槃，龐沁華，續(xù)大我，等.通信原理[M].北京：北京郵電大學出版社，2009.

[6] 孟紹良，張海柱，劉述防，等.基于FPGA的直序擴頻通信系統(tǒng)設計[J].哈爾濱理工大學學報，2012（6）：15?18.

[7] 馮慶玉，杜汪洋.一種基于FPGA的2PSK調(diào)制器的軟硬件設計方法[J].中國傳媒大學學報，2008，15（2）：67?70.

圖3，圖4為直擴系統(tǒng)的工作原理圖[3]，由信號源輸出的信息碼與偽隨機碼產(chǎn)生器產(chǎn)生的偽隨機碼進行模2加或相乘，產(chǎn)生以速率與偽隨機碼速率相同的擴頻序列，然后再用載波去調(diào)制擴頻序列，就得到已擴頻調(diào)制的射頻信號。接收端解擴的過程與擴頻過程相同，用本地的偽隨機序列對接收信號進行相關解擴后進行解調(diào)。

圖3 發(fā)射單元原理圖

圖4 接收單元原理圖

2.1 發(fā)射單元設計

發(fā)射單元主要包括偽隨機序列碼模塊（PN碼發(fā)生器），擴頻模塊，BPSK調(diào)制模塊[4]。

2.1.1 PN碼發(fā)生器

PN碼發(fā)生器采用m序列發(fā)生器的原理[5]，m序列式最長線性移位寄存器，是由移位寄存器加反饋后形成的。一個線性反饋移存器能產(chǎn)生m序列的充分必要條件為：期特征多項式為本原多項式。本設計設計了一個7級周期為127的發(fā)生器，所選用的本原多項式為[f（x）=1+x+x2+x6，]使用VHDL語言編寫。

2.1.2 擴頻模塊

將PN碼發(fā)生器生成的m序列與輸入的數(shù)字信號進行異或，完成擴頻功能。擴頻模塊的RTL圖如圖5所示。

圖5 擴頻模塊RTL圖

2.1.3 BPSK調(diào)制模塊

調(diào)制模塊選擇了具有恒包絡特性的BPSK調(diào)制，它是通過基帶信號控制載波的相位，使得載波相位發(fā)生跳變的一種調(diào)制方式。當碼元為‘1時，調(diào)制后相位變?yōu)?80°，當碼元為‘0，時，調(diào)制后相位變?yōu)?°，為此設計了BPSK調(diào)制模塊，設計例化了兩個ROM，通過Matlab生成.mif文件用來存放0°和180°的數(shù)據(jù)，另外還有地址選擇器，數(shù)據(jù)選擇器。

整個發(fā)射端的仿真圖如圖6所示，clk為系統(tǒng)時鐘，clk_bpsk為進行BPSK調(diào)制的時鐘，datain為輸入數(shù)據(jù)，m_out為生成的m序列，spre_out為擴頻后的波形，bpsk_out為BPSK調(diào)制后的輸出。從結(jié)果可以明顯地看出輸出信號有兩次相位變化，一次是從0°～180°的跳變，另一次是從180°～0°的跳變，可以看到數(shù)據(jù)被正確的調(diào)制。

圖6 發(fā)射單元仿真圖

2.2 接收單元設計

為了驗證設計系統(tǒng)的可行性，系統(tǒng)里設計了BPSK 解調(diào)和解擴模塊，并將發(fā)射端調(diào)制好的數(shù)據(jù)直接作為接收端的輸入數(shù)據(jù)。BPSK 解調(diào)模塊里同樣例化了一個ROM[6] ，存儲了相位為0°的數(shù)據(jù)，將通過載波同步后的數(shù)據(jù)與ROM的輸出數(shù)據(jù)進行相乘，然后進行抽樣判決，判決結(jié)果如圖7所示，圖中spre_out為發(fā)射端擴頻完的數(shù)據(jù)，sam_out為進行抽樣判決后并延時了70個clk_bpsk，目的是為了將數(shù)據(jù)恰好在數(shù)據(jù)始終的上升沿，p_out表示開始進行解調(diào)輸出，從圖中可以看出判決延時后的數(shù)據(jù)恰好與擴頻后的數(shù)據(jù)完全相同，只是延時了一段時間表示解調(diào)時間。

圖7 BPSK解調(diào)模塊結(jié)果圖

假設解擴模塊里已進行PN碼的同步，此處只是進行了一定時間的延時，使其恰好與發(fā)射端PN 碼相同，然后與 BPSK 解調(diào)后的數(shù)據(jù)進行異或，得到輸出數(shù)據(jù)，結(jié)果如8所示，sp_end 為解擴完的數(shù)據(jù)，p_end 為標志位表示開始進行解擴，datain 為輸入的原始數(shù)據(jù)，從圖中可以看出解擴的數(shù)據(jù)域最初的原始輸入數(shù)據(jù)相同，只是有一段時間的延時，可看出系統(tǒng)進行了正確的解調(diào)。

圖8 解調(diào)仿真圖

3 結(jié) 語

本文設計了一個基于FPGA的直接序列擴頻系統(tǒng)的水聲通信調(diào)制/解調(diào)系統(tǒng)，目的在于使水聲無線通信中具有更強的抗干擾性和保密性，系統(tǒng)中包含了信號的擴頻及BPSK調(diào)制以及相應的解調(diào)模塊，并且在Modelsim仿真軟件上驗證成功。雖然BPSK調(diào)制相對于2FSK，2ASK具有帶寬窄、頻率高、抗干擾性強等優(yōu)點，廣泛的應用于中高速通信中[7]。但是在更高速的通信系統(tǒng)中，BPSK調(diào)制已經(jīng)不能滿足頻帶利用率和系統(tǒng)的有效性等要求，故基本采用多進制調(diào)相系統(tǒng)。此外，絕對調(diào)相系統(tǒng)會產(chǎn)生倒相現(xiàn)象，因此應該考慮采用相對相位調(diào)相系統(tǒng)，基于該思路的水聲無線通信一定會有更好的應用前景。

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[7] 馮慶玉，杜汪洋.一種基于FPGA的2PSK調(diào)制器的軟硬件設計方法[J].中國傳媒大學學報，2008，15（2）：67?70.

圖3，圖4為直擴系統(tǒng)的工作原理圖[3]，由信號源輸出的信息碼與偽隨機碼產(chǎn)生器產(chǎn)生的偽隨機碼進行模2加或相乘，產(chǎn)生以速率與偽隨機碼速率相同的擴頻序列，然后再用載波去調(diào)制擴頻序列，就得到已擴頻調(diào)制的射頻信號。接收端解擴的過程與擴頻過程相同，用本地的偽隨機序列對接收信號進行相關解擴后進行解調(diào)。

圖3 發(fā)射單元原理圖

圖4 接收單元原理圖

2.1 發(fā)射單元設計

發(fā)射單元主要包括偽隨機序列碼模塊（PN碼發(fā)生器），擴頻模塊，BPSK調(diào)制模塊[4]。

2.1.1 PN碼發(fā)生器

PN碼發(fā)生器采用m序列發(fā)生器的原理[5]，m序列式最長線性移位寄存器，是由移位寄存器加反饋后形成的。一個線性反饋移存器能產(chǎn)生m序列的充分必要條件為：期特征多項式為本原多項式。本設計設計了一個7級周期為127的發(fā)生器，所選用的本原多項式為[f（x）=1+x+x2+x6，]使用VHDL語言編寫。

2.1.2 擴頻模塊

將PN碼發(fā)生器生成的m序列與輸入的數(shù)字信號進行異或，完成擴頻功能。擴頻模塊的RTL圖如圖5所示。

圖5 擴頻模塊RTL圖

2.1.3 BPSK調(diào)制模塊

調(diào)制模塊選擇了具有恒包絡特性的BPSK調(diào)制，它是通過基帶信號控制載波的相位，使得載波相位發(fā)生跳變的一種調(diào)制方式。當碼元為‘1時，調(diào)制后相位變?yōu)?80°，當碼元為‘0，時，調(diào)制后相位變?yōu)?°，為此設計了BPSK調(diào)制模塊，設計例化了兩個ROM，通過Matlab生成.mif文件用來存放0°和180°的數(shù)據(jù)，另外還有地址選擇器，數(shù)據(jù)選擇器。

整個發(fā)射端的仿真圖如圖6所示，clk為系統(tǒng)時鐘，clk_bpsk為進行BPSK調(diào)制的時鐘，datain為輸入數(shù)據(jù)，m_out為生成的m序列，spre_out為擴頻后的波形，bpsk_out為BPSK調(diào)制后的輸出。從結(jié)果可以明顯地看出輸出信號有兩次相位變化，一次是從0°～180°的跳變，另一次是從180°～0°的跳變，可以看到數(shù)據(jù)被正確的調(diào)制。

圖6 發(fā)射單元仿真圖

2.2 接收單元設計

為了驗證設計系統(tǒng)的可行性，系統(tǒng)里設計了BPSK 解調(diào)和解擴模塊，并將發(fā)射端調(diào)制好的數(shù)據(jù)直接作為接收端的輸入數(shù)據(jù)。BPSK 解調(diào)模塊里同樣例化了一個ROM[6] ，存儲了相位為0°的數(shù)據(jù)，將通過載波同步后的數(shù)據(jù)與ROM的輸出數(shù)據(jù)進行相乘，然后進行抽樣判決，判決結(jié)果如圖7所示，圖中spre_out為發(fā)射端擴頻完的數(shù)據(jù)，sam_out為進行抽樣判決后并延時了70個clk_bpsk，目的是為了將數(shù)據(jù)恰好在數(shù)據(jù)始終的上升沿，p_out表示開始進行解調(diào)輸出，從圖中可以看出判決延時后的數(shù)據(jù)恰好與擴頻后的數(shù)據(jù)完全相同，只是延時了一段時間表示解調(diào)時間。

圖7 BPSK解調(diào)模塊結(jié)果圖

假設解擴模塊里已進行PN碼的同步，此處只是進行了一定時間的延時，使其恰好與發(fā)射端PN 碼相同，然后與 BPSK 解調(diào)后的數(shù)據(jù)進行異或，得到輸出數(shù)據(jù)，結(jié)果如8所示，sp_end 為解擴完的數(shù)據(jù)，p_end 為標志位表示開始進行解擴，datain 為輸入的原始數(shù)據(jù)，從圖中可以看出解擴的數(shù)據(jù)域最初的原始輸入數(shù)據(jù)相同，只是有一段時間的延時，可看出系統(tǒng)進行了正確的解調(diào)。

圖8 解調(diào)仿真圖

3 結(jié) 語

本文設計了一個基于FPGA的直接序列擴頻系統(tǒng)的水聲通信調(diào)制/解調(diào)系統(tǒng)，目的在于使水聲無線通信中具有更強的抗干擾性和保密性，系統(tǒng)中包含了信號的擴頻及BPSK調(diào)制以及相應的解調(diào)模塊，并且在Modelsim仿真軟件上驗證成功。雖然BPSK調(diào)制相對于2FSK，2ASK具有帶寬窄、頻率高、抗干擾性強等優(yōu)點，廣泛的應用于中高速通信中[7]。但是在更高速的通信系統(tǒng)中，BPSK調(diào)制已經(jīng)不能滿足頻帶利用率和系統(tǒng)的有效性等要求，故基本采用多進制調(diào)相系統(tǒng)。此外，絕對調(diào)相系統(tǒng)會產(chǎn)生倒相現(xiàn)象，因此應該考慮采用相對相位調(diào)相系統(tǒng)，基于該思路的水聲無線通信一定會有更好的應用前景。

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