摘要 針對(duì)一般無(wú)線通信系統(tǒng)抗干擾,、抗噪聲以及抗多徑性能力差的缺點(diǎn)，提出了一種基于FPGA的直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)設(shè)計(jì),。該設(shè)計(jì)采用63位的pn碼作為擴(kuò)頻調(diào)制的碼序列,，在發(fā)送端，對(duì)信息碼進(jìn)行擴(kuò)頻調(diào)制,；在接收端,，對(duì)收到的擴(kuò)頻調(diào)制信號(hào)進(jìn)行解擴(kuò)，增強(qiáng)了系統(tǒng)的抗干擾性和可靠性,。同時(shí)在Altera公司的QuartusⅡ軟件中,，使用硬件描述語(yǔ)言VHDL和原理圖相結(jié)合的方法進(jìn)行了電路的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)把電路下裁到Altera公司的CycloneIII的EP3C10E144C8N芯片中調(diào)試,，驗(yàn)證了擴(kuò)頻系統(tǒng)的可行性,。
關(guān)鍵詞 擴(kuò)頻；pn碼,；FPGA

    由于擴(kuò)頻通信系統(tǒng)具有抗干擾性好,、抗多徑衰落能力強(qiáng)，可高精度測(cè)量,、多址復(fù)用等優(yōu)良特性,，多年來(lái)得到了迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用。

1 直擴(kuò)系統(tǒng)基本原理
    直接擴(kuò)頻通信就是在發(fā)射端利用高速率擴(kuò)頻序列去擴(kuò)展信息數(shù)據(jù)的頻譜,，包括偽碼調(diào)制和載波調(diào)制這兩個(gè)過(guò)程,。與一般常見(jiàn)的窄帶通信方式不同，主要體現(xiàn)在信息數(shù)據(jù)經(jīng)擴(kuò)展頻譜以后成為寬帶信號(hào),，再經(jīng)過(guò)相關(guān)處理恢復(fù)成窄帶信號(hào)后解調(diào)出信息數(shù)據(jù),，因此它具有信號(hào)相關(guān)處理和偽隨機(jī)編碼調(diào)制兩大特點(diǎn),。

    直接擴(kuò)頻通信系統(tǒng)組成原理如圖1所示,，在發(fā)端輸入的信息先經(jīng)信息調(diào)制成為數(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,。在接收端將收到的寬帶射頻信號(hào)，變頻至中頻,，然后由本地產(chǎn)生的與發(fā)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,。

2 系統(tǒng)總體方案
    在發(fā)射系統(tǒng)中,，首先產(chǎn)生8位的串行信息碼data_in，然后與來(lái)自pn碼發(fā)生器的擴(kuò)頻偽碼序列進(jìn)行模2加，完成信號(hào)的頻譜擴(kuò)展,，得到擴(kuò)頻信號(hào)data_kuo,。在接收端經(jīng)過(guò)pn碼同步捕獲后，將擴(kuò)頻調(diào)制信號(hào)與本地同步擴(kuò)頻序列進(jìn)行異或運(yùn)算,，得到解擴(kuò)信號(hào)data_jie,，比較data_ kuo與data_jie波形圖，從而驗(yàn)證系統(tǒng)擴(kuò)頻解擴(kuò)的效果與可行性,。

3 系統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)
3. 1 信息碼輸入模塊的產(chǎn)生
    該模塊功能是利用8位移位寄存器,，在時(shí)鐘信號(hào)的控制下移位輸出8位信息碼。clr為裝載信號(hào),，當(dāng)clr=0時(shí),，從撥碼開(kāi)關(guān)并行讀入8位信息碼，裝入到內(nèi)部8位寄存器中,，當(dāng)clr=1時(shí),，將輸入的8位信息碼在時(shí)鐘信號(hào)的控制下實(shí)現(xiàn)串行移位輸出。
    仿真結(jié)果如圖2所示,，擴(kuò)頻前的數(shù)據(jù)信息為11000110B,。

3. 2 pn碼發(fā)生器的數(shù)字化設(shè)計(jì)
    由前所述，本系統(tǒng)的pn碼發(fā)生器采用m序列發(fā)生器,，n級(jí)線性移位寄存器的反饋邏輯可用特征多項(xiàng)式f(x)=c0+c1x+c2x2+…+cnxn表示,，m序列發(fā)生器選用6級(jí)移位寄存器，即n=6,，查表得到的反饋系數(shù)為103,，因此其對(duì)應(yīng)的特征多項(xiàng)式為f(x)=x6+x+1，由第1級(jí)和第6級(jí)引回反饋,，移位寄存器反饋原理圖如圖3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，寄存器起始序列若為全零,，輸出序列也將為全零,，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)生器可以正常工作,，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。63位pn碼仿真圖如圖4所示,。

3．3 擴(kuò)頻調(diào)制及解調(diào)模塊綜合仿真
    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，通常的做法就是用一擴(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,。
    系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)的原理圖如圖5所示，在本次系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中,，發(fā)射端和接收端都工作在數(shù)據(jù)符號(hào)同步調(diào)制模式,，也就是說(shuō)，pn碼序列與數(shù)據(jù)符號(hào)電平變化沿對(duì)齊,，且每個(gè)符號(hào)重復(fù)一次,；在接收端，也是通過(guò)一個(gè)數(shù)據(jù)符號(hào)時(shí)間內(nèi)同步一個(gè)pn碼序列,，在捕獲一個(gè)pn碼序列的同時(shí),，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)符號(hào)的同步。這樣不但可以縮短捕獲時(shí)間,，而且還可以省去一般窄帶數(shù)字通信中由鎖相環(huán)構(gòu)成的時(shí)鐘同步系統(tǒng),，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

    在本次設(shè)計(jì)中,，一個(gè)數(shù)據(jù)符號(hào)是同步一個(gè)63位的pn碼序列,，pn就是pn碼發(fā)生器模塊產(chǎn)生的63位m序列，data_in是信息碼輸入模塊產(chǎn)生的串行信息碼,，在此圖中為11000110數(shù)據(jù)符號(hào),，data_kuo是本擴(kuò)頻模塊的輸出。在發(fā)送端,，擴(kuò)頻的結(jié)果實(shí)際上是對(duì)兩者進(jìn)行時(shí)域相乘,，或者是模二和，并且實(shí)現(xiàn)了一個(gè)數(shù)據(jù)符號(hào)同步一個(gè)63位的pn碼序列,，完成了符號(hào)同步調(diào)制模式,，然后與來(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,。在接收端,，data_kuo與本地同步pn碼模二和后，成信號(hào)的解擴(kuò),，解擴(kuò)輸出信號(hào)為data_jie,。

    擴(kuò)頻解擴(kuò)綜合仿真圖如圖6所示。其中data_in為串行輸入的二進(jìn)制數(shù)11000110,，信息碼輸入的時(shí)鐘信號(hào)為clk,，pn碼發(fā)生器的時(shí)鐘信號(hào)為elk1,，pn是產(chǎn)生的63位pn碼序列,，data_kuo為擴(kuò)頻后的碼序列，data_jie解擴(kuò)后的信號(hào),，實(shí)現(xiàn)了信號(hào)的解擴(kuò),。

4 系統(tǒng)的FPGA實(shí)現(xiàn)
    系統(tǒng)選擇Ahera公司生產(chǎn)的CycloneIII系列的FPGA(EP3C10E144C8N),。Ahera公司的這款CycloneIII FPGA比上一代FPGA的功耗低75％，共有144個(gè)引腳組成,，這些I／O引腳支持6種單端信號(hào)標(biāo)準(zhǔn),、8種差分標(biāo)準(zhǔn)，含有10 kbit邏輯單元(LE),，23個(gè)數(shù)字信號(hào)處理(DSP)乘法器,，存儲(chǔ)器達(dá)400 kbit，CycloneIII系列比前一代產(chǎn)品每邏輯單元成本降低20％,，使設(shè)計(jì)人員能夠更多地在成本敏感的應(yīng)用中使用FPGA,。
    將VHDL源程序通過(guò)JTAG口下載到FPGA中，配置好FPGA引腳后,，用排針將FPGA的引腳引出,，將FPGA的輸出引腳分別與示波器的輸入相連接，觀察系統(tǒng)波形如圖7所示,。從圖中可以看出FPGA輸出波形圖與仿真圖吻合,，從而驗(yàn)證了系統(tǒng)VHDL程序的正確性與可行性。另外,，由于系統(tǒng)時(shí)鐘頻率較高,，波形存在較為較為明顯的過(guò)沖現(xiàn)象。

5 結(jié)束語(yǔ)
    提出了一種基于FPGA的直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)的設(shè)計(jì),，旨在使無(wú)線通信系統(tǒng)具有較強(qiáng)的抗干擾性和可靠性,。在Altera公司的Quartus II軟件平臺(tái)上，利用了硬件描述語(yǔ)言VHDL和原理圖相結(jié)合的方法進(jìn)行了電路的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn),，并將程序下載到FPGA中,，利用示波器觀察輸出波形，通過(guò)輸出波形結(jié)果觀察本系統(tǒng)的擴(kuò)頻解擴(kuò)性能,。