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《擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的FPGA實(shí)現(xiàn).docx》由會(huì)員上傳分享，免費(fèi)在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在行業(yè)資料-天天文庫(kù)。
1、擴(kuò)頻通信自上世紀(jì)50年代中期被美國(guó)軍方開(kāi)始研究以來(lái),一直為軍事通信所獨(dú)占,廣泛應(yīng)用于軍事通信、電子對(duì)抗以及導(dǎo)航、測(cè)量等各個(gè)領(lǐng)域。進(jìn)入上世紀(jì)90年代以后,擴(kuò)頻通信又開(kāi)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(kuò)頻方式(DSSS)。它是將待傳送的信息數(shù)據(jù)被偽隨機(jī)碼調(diào)制,實(shí)現(xiàn)頻譜擴(kuò)展后再傳輸,接收端則采用相同的編碼進(jìn)行解調(diào)及相關(guān)處理,恢復(fù)原始信息數(shù)據(jù)?！ ”疚牟捎肰HDL語(yǔ)言、Altera公司的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境QuartusII6.0和Cyclone系列芯片EPlC3T144C8以及
2、Prote199se完成對(duì)直接序列擴(kuò)頻發(fā)射系統(tǒng)和接收系統(tǒng)的軟件仿真和硬件電路設(shè)計(jì)。擴(kuò)頻通信系統(tǒng)發(fā)送端設(shè)計(jì) 擴(kuò)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(hào),然后由擴(kuò)頻碼發(fā)生器產(chǎn)生的擴(kuò)頻碼序列去調(diào)制數(shù)字信號(hào)以展寬信號(hào)的頻譜。展寬后的信號(hào)再調(diào)制到射頻發(fā)送出去?！ ∫话愕臄U(kuò)頻通信系統(tǒng)都要進(jìn)行三次調(diào)制：一次調(diào)制為信息調(diào)制,二次調(diào)制為擴(kuò)頻調(diào)制,三次調(diào)制為射頻調(diào)制,如圖1所示。 ?擴(kuò)頻碼序列 在擴(kuò)展頻譜通信中需要用高碼率的窄脈沖序列,現(xiàn)在實(shí)際當(dāng)
3、中用得最多的是偽隨機(jī)碼或稱(chēng)PN碼?！ ∵@類(lèi)碼序列最重要的特性是具有近似于隨機(jī)信號(hào)的性能。因?yàn)樵肼暰哂型耆碾S機(jī)性,也可以說(shuō)具有近似于噪聲的特性。但是,真正的隨機(jī)信號(hào)和噪聲是不能重復(fù)再現(xiàn)和產(chǎn)生的。我們只能產(chǎn)生一種類(lèi)周期性的脈沖信號(hào)來(lái)近似隨機(jī)噪聲特性。二元M序列是一種偽隨機(jī)序列?！ ?gòu)造一個(gè)產(chǎn)生M序列的線性移位寄存器,首先要確定本原多項(xiàng)式,本電路設(shè)計(jì)中,我們構(gòu)造的M序列：n=4,周期p=15,PN碼為：1000．如圖2所示?！? D1、D2、D3、D4為四級(jí)移位寄存器,求和符號(hào)為模二加法器。移位寄存器的作用
4、為在時(shí)鐘脈沖驅(qū)動(dòng)下,能將所暫存的"1"和"0"逐級(jí)向右移。模二加法器的作用為異或運(yùn)算。在時(shí)鐘脈沖的驅(qū)動(dòng)下,四級(jí)移位寄仔器的暫存數(shù)據(jù)按順序改變,輸出序列在時(shí)鐘脈沖作用下做周期性的重復(fù)?！ ∥覀兺ㄟ^(guò)Altera公司的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境QuartusII6.0對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)證,如圖3所示?！ eset為復(fù)位信號(hào),code為發(fā)送的信息,pn為產(chǎn)生的M序列。擴(kuò)頻通信系統(tǒng)接收端設(shè)計(jì) 在接收端收到的寬帶射信號(hào),變頻到中頻,然后由本地產(chǎn)生的與發(fā)送端相同的擴(kuò)頻碼序列去相關(guān)解擴(kuò)。再經(jīng)信息解調(diào)、恢復(fù)成原始信息輸出。接收框圖如圖4
5、所示。 同步系統(tǒng)是擴(kuò)頻通信接收端的關(guān)鍵技術(shù)。它的作用就是要實(shí)現(xiàn)本地產(chǎn)生的PN碼與接收到的信號(hào)中的PN碼同步,即頻率上相同,相位上一致。同步過(guò)程一般說(shuō)來(lái)包含兩個(gè)階段。(1)接收機(jī)在一開(kāi)始并不知道對(duì)方足否發(fā)送了信號(hào),因此,需要有一個(gè)搜捕階段,即在一定的頻率和時(shí)間圍搜索和捕獲用信號(hào),即所謂的粗同步。(2)完成搜捕過(guò)程后,則進(jìn)入跟蹤過(guò)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(hào)仍然保持同步,即所謂的細(xì)同步?！ ≡诮邮斩嗽O(shè)計(jì)中分析了傳統(tǒng)的滑動(dòng)相關(guān)法滑動(dòng)速度慢搜獲時(shí)間長(zhǎng)的缺點(diǎn),
6、提出了捕獲速度快且具有碼序列識(shí)別功能的匹配濾波搜捕法。匹配濾波搜捕法 直接序列擴(kuò)頻解擴(kuò)系統(tǒng)中,數(shù)字匹配濾波器的捕獲思路是以接收端擴(kuò)頻碼序列作為數(shù)字FIR濾波器的抽頭系數(shù),對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行相關(guān)濾波。原理如圖5所示?！? 濾波輸出結(jié)果進(jìn)入門(mén)限判決器進(jìn)行門(mén)限判決,如果超過(guò)了設(shè)定門(mén)限,就表明此刻本地序列碼的相位與接收擴(kuò)頻序列碼的相位達(dá)到同步。如果未超過(guò)設(shè)定門(mén)限,則表明此刻本地序列碼的相位與接收到的擴(kuò)頻序列碼的相位不同步,需要再次重復(fù)相關(guān)運(yùn)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
7、,這只是一個(gè)FIR濾波器的結(jié)構(gòu)形式,只不過(guò)偽碼寄存器中的系數(shù)為-1或+1,實(shí)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(gè)偽隨機(jī)序列發(fā)生器產(chǎn)生?！ ?shù)字匹配濾波器的表達(dá)式為? 其中,x(n)為輸入信號(hào);h(-i)為濾波系數(shù),由接收端擴(kuò)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0,取值為-1。匹配濾波器的長(zhǎng)度N等于擴(kuò)頻比,也就是對(duì)于每一信息符號(hào)的擴(kuò)頻碼元數(shù),即Tb／Tc。當(dāng)輸入信號(hào)缸{x(n)}與本地?cái)U(kuò)頻碼{h(-i)}匹配時(shí),此時(shí)輸出z達(dá)到最大,將超出預(yù)先設(shè)定的門(mén)限,表示
8、捕獲成功。具體電路由DSPBuilder工具實(shí)現(xiàn)如圖6所示。? 再由DSPBuilder工具自帶的Complier功能,將電路描述轉(zhuǎn)化成VHDL語(yǔ)言,供下載到FPGA中進(jìn)行調(diào)試。我們通過(guò)Altera公司的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境QuartusII6.0對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)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(yùn)算允許位,r為捕獲標(biāo)志位。數(shù)字跟蹤環(huán)路實(shí)現(xiàn) 當(dāng)擴(kuò)頻接收機(jī)與接收信號(hào)粗同步后,就必須使它這樣工
