怎么去設(shè)計(jì)一種基于FPGA的擴(kuò)頻模塊呢？

引言

擴(kuò)頻技術(shù)是通信系統(tǒng)中的重要組成部分，具有低的截獲率、信號隱蔽性強(qiáng)、易于組網(wǎng)、多用戶隨機(jī)選址能力強(qiáng)和抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。擴(kuò)頻技術(shù)是通過一個獨(dú)立的碼序列、編碼及調(diào)制的方法來實(shí)現(xiàn)的。在接收端利用相同的偽隨機(jī)序列進(jìn)行同步和解擴(kuò)，再進(jìn)行譯碼，達(dá)到恢復(fù)所傳信息數(shù)據(jù)的目的。近年來隨著超大規(guī)模集成電路和微處理技術(shù)的快速發(fā)展，使擴(kuò)頻技術(shù)在軍用及民用領(lǐng)域具有深遠(yuǎn)的意義。

本篇設(shè)計(jì)了一種基于FPGA的擴(kuò)頻模塊，并設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了信息數(shù)據(jù)的編解碼、擴(kuò)頻解擴(kuò)以及同步等功能。本設(shè)計(jì)采用漢明編碼對信息數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，編碼后加入同步頭，為接收端同步做準(zhǔn)備。加入同步頭的數(shù)據(jù)與偽隨機(jī)序列進(jìn)行異或，達(dá)到擴(kuò)寬信號帶寬的目的，再加入噪聲送入接收端。接收端產(chǎn)生和發(fā)送端相同偽隨機(jī)序列作為同步的本地參考偽隨機(jī)序列模板，接收數(shù)據(jù)與模板進(jìn)行最小二乘法計(jì)算，結(jié)果與預(yù)設(shè)閾值進(jìn)行比較，小于閾值則被斷定為對應(yīng)的數(shù)值，用來實(shí)現(xiàn)同步和解擴(kuò)，再通過漢明譯碼模塊對數(shù)據(jù)進(jìn)行譯碼和糾錯，恢復(fù)原始信息數(shù)據(jù)。

一、緒論

1.1?課題研究背景和發(fā)展現(xiàn)狀

擴(kuò)頻系統(tǒng)最早可以追溯到20世紀(jì)20年代左右，擴(kuò)頻通信就有了初步的應(yīng)用。但是一直到20世紀(jì)年代中期，擴(kuò)頻系統(tǒng)才真正應(yīng)用和發(fā)展起來。與很多的通信技術(shù)類似，擴(kuò)頻技術(shù)最初也應(yīng)用于保密通信和制導(dǎo)系統(tǒng)等軍事技術(shù)。除了在軍事通信中的應(yīng)用，擴(kuò)頻技術(shù)在無線通信領(lǐng)域也有發(fā)展。我國主要將擴(kuò)頻技術(shù)應(yīng)用在20世紀(jì)70年代后，用于建設(shè)軍用的航天器，具有較強(qiáng)的鏈路防護(hù)且具有很強(qiáng)的生存能力。建成后擴(kuò)頻技術(shù)成為軍用航天器的重要組成部分，成為軍用航天器正常運(yùn)行提供重要保障。目前擴(kuò)頻通信技術(shù)已經(jīng)在測距、衛(wèi)星通信、GPS導(dǎo)航定位、移動通信、電子對抗、跟蹤、遙控和藍(lán)牙技術(shù)等方面廣泛應(yīng)用。

擴(kuò)頻通信技術(shù)具有很多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：具有抗干擾能力強(qiáng)和截獲率低等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，而且具備碼分多址(CDMA，Code Divided Multiple Access)或稱為擴(kuò)頻多址(SSMA，Spread SpectrumMultiple Access)的能力，因此廣泛應(yīng)用于商業(yè)、銀行、賓館、能源和交通業(yè)等行業(yè)。

因?yàn)閼?yīng)用廣泛受到世界各國的特別關(guān)注，尤其是在近年來隨著超大規(guī)模的集成電路和微處理技術(shù)快速發(fā)展，使得擴(kuò)頻技術(shù)在各個行業(yè)得到更多的發(fā)展。隨著數(shù)字技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)字?jǐn)U頻技術(shù)不僅完成模擬擴(kuò)頻的所有功能，而且在性能和精度方面都有很大的優(yōu)勢，所以數(shù)字?jǐn)U頻技術(shù)將在未來被更廣泛的應(yīng)用。

1.2 課題研究意義

擴(kuò)頻通信是一種利用比原始信號本身頻帶寬的信號的通信方式，其全稱為擴(kuò)展頻譜通信(Spread Spectrum Communication)。在擴(kuò)頻通信技術(shù)中，發(fā)送端將原始信號的頻帶進(jìn)行擴(kuò)展，得到擴(kuò)頻信號，然后在接收端通過對信號進(jìn)行解擴(kuò)處理，恢復(fù)原始信號。根據(jù)通信系統(tǒng)產(chǎn)生的擴(kuò)頻方式，可以將擴(kuò)頻通信分為5類：直接序列擴(kuò)展頻譜(Direct Sequence Spread Spectrum Communication Systems)、頻率跳變擴(kuò)頻通信系統(tǒng)(Frequecy Hopping Spread Spectrum Communication Systems，F(xiàn)H-SS)、跳時擴(kuò)頻通信系統(tǒng)(Time Hopping Spectrum Communication Systems，TH-SS)、線性脈沖調(diào)頻系統(tǒng)(chirp)和混合擴(kuò)頻通信系統(tǒng)，擴(kuò)頻技術(shù)在未來無線通信技術(shù)中，仍是重要部分，很多方面需要繼續(xù)去探索，因此擴(kuò)頻技術(shù)的研究不能停滯不前。而FPGA屬于并行器件，具有速度快、靈活性好，處理能力強(qiáng)，易于擴(kuò)展等特點(diǎn)，因此，研究基于FPGA的擴(kuò)頻技術(shù)研究具有重要的意義。

二、系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)與方案論證

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

基于FPGA的擴(kuò)頻模塊設(shè)計(jì)，任務(wù)要求在10MHz的系統(tǒng)時鐘下，能夠具有以下功能：

a. 具有對發(fā)送或接收數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼譯碼功能；

b. 具有對發(fā)送或接收數(shù)據(jù)進(jìn)行擴(kuò)頻解擴(kuò)功能；

c. 具有并串之間轉(zhuǎn)換功能；

d. 具有對接收數(shù)據(jù)同步（比特同步）功能；

e. 數(shù)據(jù)發(fā)送端8bits寬度，數(shù)據(jù)接收端8bits寬度，采用fifo構(gòu)成接口（忽略PCM和頻帶調(diào)制）；

f. 邏輯資源占用率不超過80%。

2.2?系統(tǒng)整體架構(gòu)

基于FPGA擴(kuò)頻模塊主要由六大模塊組成：編碼模塊、擴(kuò)頻模塊、量化器模塊、同步模塊、解擴(kuò)模塊和譯碼模塊。系統(tǒng)大致流程為：fifo作為接口讀取原始信號后送給編碼模塊，編碼模塊對數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，加入同步頭送入擴(kuò)頻模塊進(jìn)行并串轉(zhuǎn)換和擴(kuò)頻，將擴(kuò)頻后的信號經(jīng)過量化器對其進(jìn)行量化處理，量化后的信號引入一定范圍的噪聲干擾。接收端接收到數(shù)據(jù)后，利用同步模塊采用相關(guān)同步算法或最小二乘法算法進(jìn)行同步計(jì)算后，將同步后的數(shù)據(jù)信息送入譯碼模塊進(jìn)行譯碼得到原始信號，最后通過fifo輸出。

整體架構(gòu)如圖2.1所示。?

圖2.1 ?整體架構(gòu)圖

2.3?軟件設(shè)計(jì)

軟件流程如圖2.2所示，首先獲取原始數(shù)據(jù)信號，對原始數(shù)據(jù)信號進(jìn)行編碼，對編碼后的信號進(jìn)行擴(kuò)頻，擴(kuò)頻后的數(shù)據(jù)添加同步頭，通過并串轉(zhuǎn)換成為單比特?cái)?shù)據(jù)，量化器將單比特?cái)?shù)據(jù)變成8bit有符號數(shù)據(jù)，然后對信號引入噪聲，加入噪聲的信號利用同步模塊進(jìn)行同步，識別同步頭后對信號進(jìn)行解擴(kuò)，解擴(kuò)后利用譯碼模塊對數(shù)據(jù)進(jìn)行譯碼輸出原始信號。

圖2.2??軟件流程設(shè)計(jì)圖

2.4 編碼方式方案論證

方案一：編碼模塊若采用漢明碼編碼方式。漢明碼是一種線性分組碼。漢明碼是指將數(shù)據(jù)信息碼分成為長度為m的數(shù)據(jù)段，在每一段數(shù)據(jù)后面添加n位的校驗(yàn)碼，這樣編碼方式為漢明碼；

方案二：編碼模塊若采用奇偶監(jiān)督碼方式。奇偶監(jiān)督碼分為奇數(shù)監(jiān)督碼和偶數(shù)監(jiān)督碼兩種，兩者的原理相同。在偶數(shù)監(jiān)督碼中，與數(shù)據(jù)信息位寬無關(guān)，監(jiān)督位僅1位，當(dāng)數(shù)據(jù)中的“1”的數(shù)目為偶數(shù)時，即滿足an-1^an-2^…a0=0，其中a0為監(jiān)督位；在奇數(shù)監(jiān)督碼中，和偶數(shù)監(jiān)督碼相似，當(dāng)數(shù)據(jù)中的“1”的數(shù)目為奇數(shù)時，即滿足an-1^an-2^…a0=1，其中a0為監(jiān)督位。

表2.1 ?編碼方式性能對比表

根據(jù)表2.1編碼方式性能對比表所述，漢明碼編碼方式具有糾錯能力，而奇偶監(jiān)督碼不具有糾錯能力，實(shí)踐中若出現(xiàn)編碼錯誤，漢明碼譯碼可以將錯誤信息位改正，綜合考慮選擇方案一，編碼模塊采用漢明碼編碼方式進(jìn)行編碼。

2.5 擴(kuò)頻方式方案論證

方案一：擴(kuò)頻模塊若采用直接序列擴(kuò)頻。直接序列擴(kuò)頻，簡稱直擴(kuò)擴(kuò)頻(DSSS)。在發(fā)送端傳送的數(shù)據(jù)信息需要經(jīng)過信道編碼后，與本原多項(xiàng)式產(chǎn)生的偽噪聲序列進(jìn)行模2加（異或）完成擴(kuò)頻，在接收端用相同的擴(kuò)偽隨機(jī)序列對其解擴(kuò)，解擴(kuò)后的數(shù)據(jù)進(jìn)行譯碼，達(dá)到恢復(fù)原始數(shù)據(jù)信息的目的；

方案二：擴(kuò)頻模塊若采用跳頻擴(kuò)頻。跳頻擴(kuò)頻通信系統(tǒng)簡稱跳頻通信，它是利用偽隨機(jī)序列去控制載波振蕩器的頻率，導(dǎo)致發(fā)送端的頻率發(fā)生變化。跳頻通信載波頻率可隨機(jī)進(jìn)行選擇，偽隨機(jī)序列對此可以控制載波頻率的輸出。接收端頻率可按照相同頻率跳變，產(chǎn)生參考本振信號，經(jīng)混頻后得到固定的中頻信號，可實(shí)現(xiàn)解跳過程；

方案三：擴(kuò)頻模塊采用跳時擴(kuò)頻。時間跳變是一種擴(kuò)頻技術(shù)，簡稱TDMA，與跳頻系統(tǒng)相似，跳時是使發(fā)射信號在時間軸上離散地跳變。將時間軸分成許多時隙（時片），若干個時片組合成跳時時間幀，擴(kuò)頻碼序列決定哪個時隙進(jìn)行發(fā)送數(shù)據(jù)信息。在接收端，當(dāng)接收數(shù)據(jù)信號同步后，通過開關(guān)按時的進(jìn)行解跳，就能夠正確恢復(fù)原始數(shù)據(jù)。

表2.2 ?擴(kuò)頻方式性能對比表

根據(jù)表2.2擴(kuò)頻方式性能對比表所述，直接序列擴(kuò)頻方式比其他兩個方式實(shí)現(xiàn)較容易、抗干擾能力較強(qiáng)且可以獨(dú)立使用，綜合優(yōu)缺點(diǎn)考慮，選擇方案一，擴(kuò)頻模塊采用直接序列擴(kuò)頻方式進(jìn)行擴(kuò)頻。

2.6?同步算法方案論證

方案一：同步模塊若采用最小二乘法。最小二乘法是一種數(shù)學(xué)優(yōu)化技術(shù)。它通過最小化誤差的平方來和數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配。它可以簡便地求得接收信號，并使得這些接收信號與偽隨機(jī)序列之間誤差的平方和為最小。利用接收的數(shù)據(jù)信號與模板進(jìn)行最小二乘法算法進(jìn)行計(jì)算與預(yù)先設(shè)定的閾值比較，已達(dá)到同步的目的；

方案二：同步模塊若采用線性相關(guān)法。線性相關(guān)法利用起始位置不確定范圍的PN碼信號捕獲，使本地PN碼信號與其同步。接收信號與模板進(jìn)行計(jì)算，獲得二者的相似程度，并與閾值進(jìn)行比較，用來判斷是否為信號的幀頭，確定為有用信號后，開始對信號進(jìn)行繼續(xù)捕獲。

表2.3 ?同步算法性能對比表

根據(jù)表2.3同步算法性能對比表所述，最小二乘法比線性相關(guān)法能夠接受更大的誤差范圍，能夠更準(zhǔn)確的判斷接收信號數(shù)值，綜合考慮，選擇方案一，同步模塊采用最小二乘法進(jìn)行同步。

審核編輯：劉清