【正文】 ..............................................................................................26 分頻器 fd127的源代碼 ...........................................................................26 異或門 sxor 模塊的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn) .......................................................................27 設(shè)計(jì)思路 .......................................................................................................27 sxor 的源代碼 ...............................................................................28 本地 m 序列模塊的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn) .......................................................................29 第 6 章 Quartus II 對系統(tǒng)的仿真結(jié)果與分析 .......................................... 30 發(fā)送端和接收端偽碼序列失步情況下的仿真波形 ..................................30 發(fā)送端和接收端偽碼序列同步過程的仿真波形 ........................................30 發(fā)送端和接收端偽碼序列達(dá)到同步的仿真波形 ........................................31 第 7 章 系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析 .................................................................................... 32 FPGA 設(shè)計(jì)分析 .....................................................................................................32 的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法 .......................................................................32 面積和速度平衡原則 ...............................................................................32 VHDL 語言的使用經(jīng)驗(yàn) ......................................................................................32 同步設(shè)計(jì)分析 .........................................................................................................33 第 8 章 結(jié)論 .................................................................................................... 35 第 9 章 謝辭 .................................................................................................... 36 參考文獻(xiàn) ......................................................................................................... 37 東華 理工大學(xué) 1 第 1 章 緒論 本章作為全文的緒論，首先簡單介紹了 CDMA 的同步技術(shù)，接著介紹同步技術(shù)的歷史、研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，使讀者對 CDMA 的同步技術(shù)的總體情況有相應(yīng)的了解。 本論文正是采用基于 FPGA 硬件平臺(tái)來實(shí)現(xiàn)了一個(gè)直接序列擴(kuò)頻通信基帶系統(tǒng)，該系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)涉及擴(kuò)頻通信和有關(guān) FPGA 的相關(guān)知識，以及實(shí)現(xiàn)這些模塊的 VHDL硬件描述語言和 Quartus II 開發(fā)平臺(tái)，目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)一個(gè)集成度高、靈活性強(qiáng)、并具有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力的擴(kuò)頻通信基帶系統(tǒng)。東華 理工大學(xué) I 基于 FPGA 設(shè)計(jì)的 CDMA 擴(kuò)頻通信同步技術(shù) 摘要 擴(kuò)頻通信技術(shù)因?yàn)榫哂休^強(qiáng)的抗干擾、抗噪聲、抗多徑衰落能力、較好的保密性、較強(qiáng)的多址能力和高精度測量等優(yōu)點(diǎn)，在軍事抗干擾和個(gè)人通信業(yè)務(wù)中得到了很大的發(fā)展。 本論文中首先對擴(kuò)頻通信的基礎(chǔ)理論做了探討，著重對直序擴(kuò)頻的理論進(jìn)行了分析；其次根據(jù)理論分析，設(shè)計(jì)了全數(shù)字直接序列擴(kuò)頻基帶系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，完成了擴(kuò)頻序列的產(chǎn)生、信息碼的輸入和擴(kuò)頻。最后，總結(jié)丁作者本科階段的主要科研情況及本文的主要工作。擴(kuò)頻技術(shù)在未來無線系統(tǒng)中的應(yīng)用也再次成為人們關(guān)注的重點(diǎn)。隨著人們對無線通信設(shè)備需求的增多，無線頻帶越來越擁擠，空間的各種 干擾也隨之增強(qiáng)。通常的超短波 (VHF／ UHF)通信， 10w 電臺(tái)能傳播 20~30km遠(yuǎn)，而擴(kuò)頻通信設(shè)備， 10w 能傳播 30~50km，也就是說擴(kuò)頻系統(tǒng)能帶來30dB 以上的信噪比改善。 擴(kuò)頻技術(shù)在發(fā)展的初始階段，就己經(jīng)實(shí)現(xiàn)了理論和技術(shù)上的重大突破；在此后的發(fā)展過程中主要是硬件的改善和性能的提高；發(fā)展到現(xiàn)在，跳頻系統(tǒng)主要在軍事通信中對抗故意干擾，在衛(wèi)星通信中也用于保密通信，直擴(kuò)系統(tǒng)則主要是一種民用技術(shù)。 為了不斷適應(yīng)這一新技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展，使廣大高校師生了解和掌握擴(kuò)頻通信相關(guān)理論，更全面地了解擴(kuò)頻系統(tǒng)，因此本論文將 CDMA 直接序列擴(kuò)頻實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)作為研究目標(biāo)，結(jié)合 PLD 設(shè)計(jì)的相關(guān)知識，實(shí)現(xiàn)信號的擴(kuò)頻調(diào)制、射頻調(diào)制、解擴(kuò)和解調(diào)。而真正實(shí)用的擴(kuò)頻通信系統(tǒng)是在 50 年代中期發(fā)展起來的。 自從擴(kuò)頻通信的概念在 50 年代開始成熟以后，此后的二十多年擴(kuò)頻通信技術(shù)仍得到很大的發(fā)展，但都只是局部的發(fā)展，如硬件的改進(jìn)和應(yīng)用領(lǐng)域的拓展。1993 年， Qualeomm公司提出的碼分多址數(shù)字蜂窩通信系統(tǒng)建議和標(biāo)準(zhǔn)被采用，成為 IS95。 1. 在軍事通信中的應(yīng)用 擴(kuò)頻通信系統(tǒng)是在 50 年代中期產(chǎn)生的，其最初的應(yīng)用包括軍事抗干擾通信、導(dǎo)航系統(tǒng)、抗多徑實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)以及其它方面。跳頻通信的思路就是在這段時(shí)期出現(xiàn)的：如果對窄帶信號使用編碼的頻率控制，則可以使其在任何時(shí)間占據(jù)寬頻段中的任何一部分，這樣敵人要進(jìn)行干擾就必須維持很寬的頻段。第一個(gè)跳頻擴(kuò)頻通信系統(tǒng) BLADES 也在這段時(shí)期研制成功，在該系統(tǒng)中第一次利用移位寄存序列實(shí)現(xiàn)糾錯(cuò)編碼。 2. 在民用通信中的應(yīng)用 一直到 80 年代初期，擴(kuò)頻通信的概念都只是在軍事通信系統(tǒng)中得到應(yīng)用，這種狀況到了80 年代中期才得到改變。 而真正使擴(kuò)頻通信技術(shù)成為當(dāng)今通信領(lǐng)域研究熱點(diǎn)的原因是碼分多址（ CDMA）的應(yīng)用。要為 PCS 分配可用的頻段就只有 2 種方案：一是為 PCS 分配一段專用頻譜，使正在使用該頻譜的用戶換到其它的頻段；另一種辦法就是讓 PCS 與其它用戶 共享一段頻譜。使用擴(kuò)頻技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)碼分多址，即在多用戶通信系統(tǒng)中所有用戶共享同一頻段，但是通過給每個(gè)用戶分配不同的擴(kuò)頻碼實(shí)現(xiàn)多址通信。 隨著 PCS 以及蜂窩移動(dòng)通信的發(fā)展， CDMA 技術(shù)已經(jīng)成為不可或缺的關(guān)鍵技術(shù)。 對跳頻系統(tǒng)的分析，現(xiàn)在仍集中在其對抗各種干擾的性能方面，如對抗部分邊帶干擾以及多頻干擾等。因此 CDMA 技術(shù)成為目前擴(kuò)頻技術(shù)中研究最多的對象，其中又以碼捕獲技術(shù)和多用戶檢測（ MUD）技術(shù)代表了目前擴(kuò)頻技術(shù)研究的現(xiàn)狀。目前的研究主要集中在碼捕獲過程。在串行捕獲方案中，雙停頓時(shí)間搜索法和序貫檢測法都是縮短捕獲時(shí)間的有效方 法，利用一些新的搜索算法進(jìn)一步改進(jìn)這些系統(tǒng)的性能成為研究的熱點(diǎn) 。通過對所有用戶的聯(lián)合譯碼可以極大地改善 CDMA 系統(tǒng)的性能。前者包括解相關(guān)檢測器、最小均方誤差序列檢測器等；后者則包括多級檢測器、判決反饋檢測器、順序干擾撤銷和并行干擾撤銷檢測器等。 擴(kuò) 頻技術(shù)的展望 擴(kuò)頻技術(shù)的發(fā)展趨勢 從擴(kuò)頻技術(shù)的歷史可以看出，每一次技術(shù)上的大發(fā)展都是由巨大的需求驅(qū)動(dòng)的。而對于 3G 以后的發(fā)展，不同的研究者有不同的觀點(diǎn)。前者關(guān)注新技術(shù)的應(yīng)用，例如多載波調(diào)制技術(shù)，即 OFDM，是一種傳輸高速數(shù)據(jù)的有效調(diào)制方案，被認(rèn)為有望成為 4G 的標(biāo)準(zhǔn)調(diào)制技術(shù)。 超寬帶技術(shù) 衡量擴(kuò)頻系統(tǒng)的重要指標(biāo)是擴(kuò)頻增益，在一定的傳輸帶寬下，要提高有效數(shù)據(jù)的傳輸速率就要降低擴(kuò)頻增益，而擴(kuò)頻增益的下降也意味著擴(kuò)頻系統(tǒng)性能的降低，因此要提高傳輸數(shù)據(jù)速率，而且不降低擴(kuò)頻系統(tǒng)的性能（即保證一定的擴(kuò)頻增益），就只有提高傳輸帶寬。目前的短距離無線設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)主要是基于 IEEE 802 系列無線標(biāo)準(zhǔn)的 WLANs/WPANs，但是這些網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備都是獨(dú)立工作的，它們要么單獨(dú)地工作在室內(nèi)和辦公室環(huán)境，要么單獨(dú)地工作在開闊的公共地區(qū)，完全沒有考慮它們之間的互連問題。 與現(xiàn)有的各種無線通信技術(shù)相比， UWB 有著明顯不同的工作原理和應(yīng)用特性。但是 UWB系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)還有很多關(guān)鍵技術(shù)需要突破，因此可以說 UWB 技術(shù)的發(fā)展是機(jī)遇和挑戰(zhàn)并存。由于瑞利信道的突發(fā)特性，一些鄰近的符號可能會(huì)由于衰落而受到嚴(yán)重的破壞。降低符號間隔使得系統(tǒng)更容易受到延時(shí)擴(kuò)展的干擾。在典型的并行數(shù)據(jù)系統(tǒng)中，整個(gè)信號頻譜分解成 N 個(gè)頻率不重疊的子信道。 MCCDMA 的發(fā)射機(jī)在頻域使用一定的擴(kuò)頻碼將原始數(shù)據(jù)擴(kuò)展到不同的子載波進(jìn)行傳輸。對這些多載波調(diào)制方案的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)、檢測 算法以及誤碼性能都有較詳細(xì)的研究比較。雖然從市場的角度考慮，采用一種標(biāo)準(zhǔn)更為經(jīng)濟(jì)，但是亞洲、歐洲和美國之間的競爭決定了未來的移動(dòng)通信系統(tǒng)很難確定唯一的標(biāo)準(zhǔn)。軟件無線電通過使用自適應(yīng)的軟件和靈活的硬件平臺(tái)，能夠解 決無線產(chǎn)業(yè)不斷演變和技術(shù)革新帶來的很多問題。目前雖然軟件無線電還有很多關(guān)鍵技術(shù)需要突破，但是其在無線通信系統(tǒng)中的應(yīng)用成果也是顯著的，用軟件無線電技術(shù) 來實(shí)現(xiàn)擴(kuò)頻系統(tǒng)的研究也一直在繼續(xù)。 第 3 章 主要介紹偽隨機(jī)碼序列同步系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)，重點(diǎn)介紹為隨機(jī)碼序列的相關(guān)檢測 的原理和過程。 第 6 章 對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行 了功能仿真，從 波形圖 中可以看到，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了直接序列擴(kuò)頻通信中信號的收發(fā)， 偽碼同步方案能獲得良好的性能。 碼分多址（ CDMA）技術(shù)概述 碼分多址技術(shù)的概念 在介紹 CDMA技術(shù)概念前，先回顧一下頻分多址（ FDMA）、時(shí)分多址（ TDMA）技術(shù) ,然后引出碼分多址 (CDMA)的概念。 時(shí)分多址是發(fā)送端對所發(fā)信號的時(shí)間參量進(jìn)行正交分割，形成許多互不重疊的時(shí)隙。在接收端利用碼型的（準(zhǔn)）正交性，通過地址識別（相關(guān)檢測）從混合信號中選擇出相應(yīng)的信號。 圖 21 三種多址方式 碼分多址技術(shù)基礎(chǔ)原理 在碼分多址通信系統(tǒng)中利用自相關(guān)性很強(qiáng)而互相關(guān)值為 0 或很小的周期性碼序列作為地址碼，與用戶信息數(shù)據(jù)相乘（或模 2 加），經(jīng)過相應(yīng)的信道傳輸后，在接收端以本地產(chǎn)生的已知地址碼為參考，根據(jù)相關(guān)性的差異對收到的所有信號進(jìn)行鑒別，從中將地址碼與本地地址碼一致的信號選出，把不一致的信號除掉（稱之為相關(guān)檢測）。 圖 ， Mi(t)是消息； i=1,2,3,…N ； Pi(t)是擴(kuò)頻函數(shù)； C(t)載頻 ， Gp=(Tm/Tp)=一般 103左右 。圖中 d1~dN 分別是 N 個(gè)用戶的信息數(shù)據(jù)，其對應(yīng)的地址碼分別為 W1~WN，為了簡明起見，假定系統(tǒng)有 4 個(gè)用戶（即 N=4），各自的地址碼為： W1={1,1,1,1}， W2={1， 1,1， 1} W3={1,1， 1， 1}， W4={1， 1， 1,1} （ ） 假設(shè)在某一時(shí)刻用戶信息數(shù)據(jù)分別為： d1={1},d2={1},d3={1},d4={1} （ ） 與式（ ）和式（ ）相應(yīng)的波形如圖 24 所示。如果本地產(chǎn)生的地址碼與用戶 2 的地址碼相同（ Wk=W2），經(jīng)過相乘、積分電路后，產(chǎn)生的波形 J1~J4 如圖 211 所示，即： J1={0},J2={1},J3={0},J4={0} 也就是在采樣、判決電路前的信號是： 0+（ 1） +0+0。此時(shí)，雖然解調(diào)輸出 R 端的波形是S1~S4 的疊加，但是，因?yàn)橐邮艿氖怯脩?3 的信息數(shù)據(jù)，本地產(chǎn)生的地址碼與用戶 3 的地址碼相同，經(jīng)過相關(guān)檢測后，用戶 4 所發(fā)出的信號加到采樣、判決電路前的信號是 0，對信號的采樣、判決沒有影響。實(shí)際上，碼分多址移動(dòng)通信系統(tǒng)并不是這樣簡單，而是要復(fù)雜得多。用本地碼對到的全部信號進(jìn)行相關(guān)檢測，從中選出所需要的信號。為了把各用戶之間的相互干擾降到最低限度，并且使各個(gè)用戶的信號占用相同的帶寬，碼分系統(tǒng)必須與擴(kuò)展頻譜（簡稱擴(kuò)頻）技術(shù)相