【導(dǎo)讀】PALGAL相比FPGA的規(guī)模較大，可以替代幾十甚至幾千塊通用的IC芯片。擴(kuò)頻通信是目前第三代移動(dòng)通信的核心技術(shù)。擴(kuò)頻通信以其抗干擾能力強(qiáng)、抗多徑。衰落強(qiáng)、保密性好、可碼分多址通信等諸多優(yōu)點(diǎn)在現(xiàn)代通信系統(tǒng)中占據(jù)了強(qiáng)有力的地位，成為現(xiàn)代高技術(shù)通信傳輸方式。中完成了電路的仿真和時(shí)序分析，給出了各模塊的電路圖或者硬件描述。的方法和實(shí)現(xiàn)過(guò)程，該同步系統(tǒng)發(fā)送端和接收端的PN碼發(fā)生器采用同一個(gè)時(shí)鐘控制，

　　

【正文】 頻信號(hào)解擴(kuò)以后，寬帶信號(hào)恢復(fù)成窄帶信息，功率譜密度上升；相對(duì)與信息信號(hào)，脈沖干擾只經(jīng)過(guò)了一次被模二相加 的調(diào)制過(guò)程，頻譜被擴(kuò)展，功率譜密度下降，從而使有用信息在噪聲干擾中被提取出來(lái) . CDMA 擴(kuò)頻通信特點(diǎn) 擴(kuò)頻通信具有許多窄帶通信難以替代的優(yōu)良性能，使得它能迅速推廣到各種公用和專(zhuān)用通信網(wǎng)絡(luò)之中。 各種形式人為的干擾 (如電子對(duì)抗中 )或其他窄帶或?qū)拵?(擴(kuò)頻 )系統(tǒng)的干擾，只要波形、時(shí)間和碼元稍有差異，解擴(kuò)后仍然保持其寬帶性，而有用信號(hào)將被壓縮。對(duì)于脈沖干擾， 由于在信號(hào)的接收過(guò)程中，它是一個(gè)被一次 模二相加 過(guò)程，可以看成是一個(gè)被擴(kuò)頻過(guò)程，其帶寬將被擴(kuò)展，而有用信號(hào)卻是一個(gè)被二次 模二相加 過(guò)程， 是一個(gè)解擴(kuò)過(guò)程，其信號(hào)被恢復(fù) (壓縮 )后，保證高于干擾。由于擴(kuò)頻系統(tǒng)這一優(yōu)良性能，其誤碼率很低，遠(yuǎn)高于普通的微波通信（如通常所說(shuō)的一點(diǎn)多址）的效果，完全能滿(mǎn)足目前國(guó)內(nèi) SCADA 系統(tǒng)對(duì)通信傳輸質(zhì)量的要求。應(yīng)該說(shuō)，抗干擾性能強(qiáng)是擴(kuò)頻通信的最突出的優(yōu)點(diǎn) : 湖南科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 1) 抗干擾性強(qiáng)，誤碼率低 如上所述，擴(kuò)頻通信系統(tǒng)由于在發(fā)送端擴(kuò)展信號(hào)頻譜，在接收端解擴(kuò)還原信息，產(chǎn)生了擴(kuò)頻增益，從而大大地提高了抗干擾容限。根據(jù)擴(kuò)頻增益不同，甚至在負(fù)的信噪比條件下，也可以將信號(hào)從噪聲的淹沒(méi)中提取出來(lái)，在目前商用的通信系統(tǒng)中，擴(kuò)頻通信是唯一能 夠工作于負(fù)信噪比條件下的通信方式。 2) 易于同頻使用，提高了無(wú)線(xiàn)頻譜利用率 無(wú)線(xiàn)頻譜十分寶貴，雖然從長(zhǎng)波到微波都已得到開(kāi)發(fā)利用，仍然滿(mǎn)足不了社會(huì)的需求。為此，世界各地都設(shè)計(jì)了頻譜管理機(jī)構(gòu)，用戶(hù)只能使用申請(qǐng)獲得的頻率，依靠頻道劃分來(lái)防止信道之間發(fā)生干擾。 由于擴(kuò)頻通信采用了相關(guān)接收這一高技術(shù)，信號(hào)發(fā)送功率極低（一般為 1100mW），且可工作在信道噪聲和熱噪聲背景中，易于在同一地區(qū)重復(fù)使用同一頻率，也可以與現(xiàn)今各種窄帶通信共享同一頻率資源 。 3) 抗多徑干擾 在無(wú)線(xiàn)通信中，抗 多徑干擾問(wèn)題一直是難以解決的問(wèn)題，利用擴(kuò)頻編碼之間的相關(guān)特性；在接收端可以用相關(guān)技術(shù)從多徑信號(hào)中提取分離出最強(qiáng)的有用信號(hào)，也可把多個(gè)路徑來(lái)的同一碼序列的波形相加使之得到加強(qiáng)，從而達(dá)到有效的抗多徑干擾。 擴(kuò)頻通信是數(shù)字通信，特別適合數(shù)字話(huà)音和數(shù)據(jù)同時(shí)傳輸，擴(kuò)頻通信自身具有加密功能，保密性強(qiáng)，便于開(kāi)展各種通信業(yè)務(wù)。擴(kuò)頻通信容易采用碼分多址、語(yǔ)音壓縮等多項(xiàng)新技術(shù)，更加適用于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)以及數(shù)字化的話(huà)音、圖像信息傳輸；擴(kuò)頻通信絕大部分是數(shù)字電路，設(shè)備高度集成，安裝簡(jiǎn)便，易于維護(hù)，也十分小巧可靠，便于安裝， 便于擴(kuò)展，平均無(wú)故障率時(shí)間也很長(zhǎng)；另外，擴(kuò)頻設(shè)備一般采用積木式結(jié)構(gòu)，組網(wǎng)方式靈活，方便統(tǒng)一規(guī)劃，分期實(shí)施，利于擴(kuò)容，有效地保護(hù)前期投資。 CDMA 擴(kuò)頻通信系統(tǒng)中的同步 任何數(shù)字通信系統(tǒng)都是離散信號(hào)的傳輸，要求收發(fā)兩端信號(hào)在頻率上相同和相位上一致，才能正確地解調(diào)出信息。擴(kuò)頻通信系統(tǒng)也不例外。一個(gè)相干擴(kuò)頻數(shù)字通信系統(tǒng)，接收端與發(fā)送端必須實(shí)現(xiàn)信息碼元同步、 PN 碼碼元和序列同步和射頻載頻同步。只有實(shí)現(xiàn)了這些同步，直擴(kuò)系統(tǒng)才能正常的工作?？梢哉f(shuō)沒(méi)有同步就沒(méi)有擴(kuò)頻通信系統(tǒng)。同步系統(tǒng)是擴(kuò)頻通信的關(guān)鍵技術(shù)。在上述幾 種同步中，信息碼元時(shí)鐘可以和 PN 碼元時(shí)鐘聯(lián)系起來(lái)，有固定的關(guān)系，一個(gè)實(shí)現(xiàn)了同步，另一個(gè)自然也就同步了。對(duì)于載頻同步來(lái)說(shuō)，主要是針對(duì)相于解調(diào)的相位同步而言。常見(jiàn)的載頻提取和跟蹤的方法都可采用，例如用跟蹤鎖相環(huán)來(lái)實(shí)現(xiàn)載頻同步。因此，這里我們只重點(diǎn)討論 PN 碼碼元和序列的同步。 擴(kuò)頻通信中 發(fā)射機(jī)和接收機(jī)采用高精確度和高穩(wěn)定度的時(shí)鐘頻率源，以保證頻率和相位的穩(wěn)定性。但在實(shí)際應(yīng)用中，存在許多事先無(wú)法估計(jì)的不確定因素，如收發(fā)時(shí)鐘不穩(wěn)定、發(fā)射時(shí)刻不確定、信道傳輸時(shí)延及干擾等，尤其在移動(dòng)通信中，這些不確定因素湖南科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 都有隨機(jī)性，不能 預(yù)先補(bǔ)償，只能通過(guò)同步系統(tǒng)消除。因此，在 CDMA 擴(kuò)頻通信中，同步系統(tǒng)必不可少。 PN 碼序列同步是擴(kuò)頻系統(tǒng)特有的，也是擴(kuò)頻技術(shù)中的難點(diǎn)。 CDMA 系統(tǒng)要求接收機(jī)的本地偽隨機(jī)碼與接收到的 PN 碼在結(jié)構(gòu)、頻率和相位上完全一致，否則就不能正常接收所發(fā)送的信息，接收到的只是一片噪聲。若實(shí)現(xiàn)了收發(fā)同步但不能保持同步，也無(wú)法準(zhǔn)確可靠地獲取所發(fā)送的信息數(shù)據(jù)。因此， PN 碼序列的同步是 CDMA 擴(kuò)頻通信的關(guān)鍵技術(shù)。 CDMA 系統(tǒng)中的 PN碼同步過(guò)程分為 PN 碼捕獲（精同步）和 PN碼跟蹤（細(xì)同步）兩部分。 PN 碼捕獲是精調(diào)本地 PN 碼的頻率 和相位，使本地產(chǎn)生的 PN 碼與接收到的PN 碼間定時(shí)誤差小于 1 個(gè)碼片間隔 Tc，可采用基于滑動(dòng)相關(guān)的串行捕獲方案或基于時(shí)延估計(jì)問(wèn)題的并行捕獲方案。 PN 碼跟蹤則自動(dòng)調(diào)整本地碼相位，進(jìn)一步縮小定時(shí)誤差，使之小于碼片間隔的幾分之一，達(dá)到本地碼與接收 PN 碼頻率和相位精確同步。典型的PN 碼跟蹤環(huán)路分基于遲早門(mén)定時(shí)誤差檢測(cè)器的延遲鎖定環(huán)及 τ 抖動(dòng)環(huán)兩種。 接收信號(hào)經(jīng)寬帶濾波器后，在乘地器中與本地 PN 碼進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算。捕獲器件調(diào)整壓控時(shí)鐘源，用以調(diào)整 PN 碼發(fā)生器產(chǎn)生的本地 PN 碼序列的頻率和相位，捕獲有用信號(hào)。一旦捕獲到有用信號(hào)，啟 動(dòng)跟蹤器件，用以調(diào)整壓控鐘源，使本地 PN 碼發(fā)生器與外來(lái)信號(hào)保持精確同步。如果由于某種原因引起失步，則重新開(kāi)始新一輪捕獲和跟蹤。 同步過(guò)程包含捕獲和跟蹤兩個(gè)階段閉環(huán)的自動(dòng)控制和調(diào)整。 1） PN 碼序列捕獲 PN 碼序列捕獲指接收機(jī)在開(kāi)始接收擴(kuò)頻信號(hào)時(shí)，選擇和調(diào)整接收機(jī)的本地?cái)U(kuò)頻 PN序列相位，使它與發(fā)送的擴(kuò)頻 PN 序列相位基本一致，即接收機(jī)捕捉發(fā)送的擴(kuò)頻 PN 序列相位，也稱(chēng)為擴(kuò)頻 PN 序列的初始同步。在 CDMA 系統(tǒng)接收端，一般解擴(kuò)過(guò)程都在載波同步前進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)捕獲大多采用非相干檢測(cè)。接收到擴(kuò)頻信號(hào)后，經(jīng)射頻寬帶濾波放大及載 波解調(diào)后，分別送往 2N 擴(kuò)頻 PN 序列相關(guān)處理解擴(kuò)器（ N 是擴(kuò)頻 PN序列長(zhǎng)）。2N個(gè)輸出中哪個(gè)輸出最大，該輸出對(duì)應(yīng)的相關(guān)處理解擴(kuò)器所用的擴(kuò)頻 PN序列相位狀態(tài)，就是發(fā)送的擴(kuò)頻信號(hào)的擴(kuò)頻 PN 序列相位，從而完成擴(kuò)頻 PN 序列捕獲。 捕獲的方法有多種，如滑動(dòng)相干法、序貫估值法及匹配濾波器法等，滑動(dòng)相關(guān)法是最常用的方法。 本設(shè)計(jì)采用滑動(dòng)相關(guān)法，所以這里重點(diǎn)介紹 滑動(dòng)相關(guān)法 。 接收系統(tǒng)在搜索同步時(shí)，它的碼序列發(fā)生器以與發(fā)射機(jī)碼序列發(fā)生器不同的速率工作，致使這兩個(gè)碼序列在相位上互相滑動(dòng)，只有在達(dá)到一致點(diǎn)時(shí)，才停下來(lái)，因此稱(chēng)之為滑動(dòng)相 關(guān)法。接收信號(hào)與本地 PN碼相乘后積分，求出它們的互相關(guān)值，然后與門(mén)限檢測(cè)器的某一門(mén)限值比較，判斷是否已捕獲到有用信號(hào)。它利用了 PN 碼序列的相關(guān) 性，當(dāng)兩個(gè)相同的碼序列相位一致時(shí)，其相關(guān)值輸出最大。一旦確認(rèn)捕獲完成，捕獲指示信號(hào)的同步脈沖控制搜索控制鐘，調(diào)整 PN 碼發(fā)生器產(chǎn)生的 PN 碼重復(fù)頻率和相位，使之與收到的信號(hào)保持同步。 湖南科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 由于滑動(dòng)相關(guān)器對(duì)兩個(gè) PN 碼序列 按順序比較相關(guān)，所以該方法又稱(chēng)順序搜索法。滑動(dòng)相關(guān)器簡(jiǎn)單，應(yīng)用 很 廣，缺點(diǎn)是當(dāng)兩個(gè) PN 碼的時(shí)間差或相位差過(guò)大時(shí)，相對(duì)滑動(dòng)速度 很 慢，導(dǎo)致搜索時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，特別是對(duì)長(zhǎng) PN 碼的捕獲時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，必須采取措施限定捕獲范圍，加快捕獲時(shí)間，改善其性能。 使滑動(dòng)相關(guān)器實(shí)用的有效方法之一是采用特殊碼序列，特殊碼序列要足夠短，以便在合理時(shí)間內(nèi)對(duì)所有碼位進(jìn)行搜索。至于短到什么程度，由滿(mǎn)足相關(guān)性要求限定。這種加前置碼的方法稱(chēng)同步引導(dǎo)法。引導(dǎo)碼同步要求低、簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)，是適合各種應(yīng)用的同步方法。 可捕碼由若干較短碼序列組合而成，其碼序列應(yīng)與各組成碼序列保持一定的相關(guān)關(guān)系。這類(lèi)碼中最著名的是 JPL 碼。 2） PN 碼序列跟蹤 當(dāng)同步系統(tǒng)完成捕獲過(guò)程后，同步系統(tǒng)轉(zhuǎn)入跟蹤狀態(tài)。所謂跟蹤，是使本地碼的相位一直隨 接收到的偽隨機(jī)碼相位改變，與接收到的偽隨機(jī)碼保持較精確的同步。跟蹤環(huán)路不斷校正本地序列的時(shí)鐘相位，使本地序列的相位變化與接收信號(hào)相位變化保持一致，實(shí)現(xiàn)對(duì)接收信號(hào)的相位鎖定，使同步誤差盡可能小，正常接收擴(kuò)頻信號(hào)。跟蹤是閉環(huán)運(yùn)行的，當(dāng)兩端相位出現(xiàn)差別后，環(huán)路能根據(jù)誤差大小自動(dòng)調(diào)整，減小誤差，因此同步系統(tǒng)多采用鎖相技術(shù)。 跟蹤環(huán)路可分為相干與非相干兩種。前者在確知發(fā)端信號(hào)載波頻率和相位的情況下工作，后者在不確知的情況下工作。實(shí)際上大多數(shù)應(yīng)用屬于后者。常用的跟蹤環(huán)路有延遲鎖定環(huán)及 τ 抖動(dòng)環(huán)兩種，延遲鎖定環(huán)采用兩個(gè)獨(dú)立 的相關(guān)器， τ 抖動(dòng)環(huán)采用分時(shí)的單個(gè)相關(guān)器。 湖南科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第四 章 CDMA 擴(kuò)頻通信同步電路設(shè)計(jì) 同步電路設(shè)計(jì)概述 本 設(shè)計(jì)是基于 CDMA的直接序列擴(kuò) 頻通信 的 系統(tǒng)，即用一數(shù)字偽隨機(jī)碼調(diào)制載波，此序列的切普（ chip）率甚高，遠(yuǎn)大于原始信號(hào)的帶寬。其中所用的數(shù)字編碼序列是相關(guān)性很好的偽隨機(jī)碼。利用它良好的相關(guān)性進(jìn)行調(diào)制和解擴(kuò)。解擴(kuò)的時(shí)候，接收端的偽隨機(jī)碼發(fā)生器和發(fā)送端的偽隨機(jī)碼發(fā)生器的時(shí)間同步是至關(guān)重要的；同步系統(tǒng)的作用就是從收到的信息碼中提取同步信號(hào)，然后用這個(gè)同步的信號(hào)去調(diào)節(jié)接受端的偽碼發(fā)生器的相位，使之與發(fā)送端 的偽碼同步，才能正確地解擴(kuò)出原始信號(hào)。 偽隨機(jī)碼的同步一般分為兩步進(jìn)行。 第一部是搜索和捕獲偽隨機(jī)碼的初始相位，使之與發(fā)送端的碼相位誤差小于 1 切普（ chip），這就可保證解擴(kuò)后的信號(hào)通過(guò)相關(guān)器后面的窄帶濾波器，通常這一步稱(chēng)為捕獲； 第二步是在同步捕獲的基礎(chǔ)上，使偽碼相位誤差進(jìn)一步減小，使所建立的同步保持下去，通常這一步成為跟蹤。下面先介紹本實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)的同步系統(tǒng)，然后分析整個(gè)系統(tǒng)框圖。 實(shí)驗(yàn)中為了簡(jiǎn)便起見(jiàn)，發(fā)送端的偽隨機(jī)碼發(fā)生器和接收端的偽隨機(jī)碼發(fā)生器使用同一個(gè)時(shí)鐘控制，這樣處理的結(jié)果就是發(fā)端的偽碼與收端的 偽碼的相位誤差肯定是整數(shù)個(gè)切普，所以在本同步系統(tǒng)中只要進(jìn)行同步的捕獲就可以了。偽碼同步的捕獲，也成為初始同步，最常用的是滑動(dòng)相關(guān)法。它的基本原理是：當(dāng)接收端的偽碼與發(fā)送端的偽碼有相位誤差的時(shí)候，就把這個(gè)相位誤差轉(zhuǎn)換成一個(gè)控制信號(hào)，用它去控制接收端的偽碼發(fā)生器周期性地移動(dòng)一個(gè)相位增量，這個(gè)增量的大小一般是 1 切普。對(duì)于偽隨機(jī)碼組，由于它具有良好的相關(guān)性能，當(dāng)相對(duì)滑動(dòng)的結(jié)果是發(fā)端碼組和收端碼組的相位相符時(shí)，相關(guān)器的輸出就會(huì)有尖峰值出現(xiàn)。此時(shí)，就可以判斷初始同步完成。接收端的偽碼發(fā)生器就停止滑動(dòng)。至于初始同步以后 的跟蹤，也是利用偽碼之間的相關(guān)性實(shí)現(xiàn)的，常用的有延遲鎖定環(huán)和雙 Δ 值延遲鎖定環(huán)跟蹤方法。 同步系統(tǒng)原理方框圖 為了簡(jiǎn)化同步系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度，在圖 ，即假設(shè)被擴(kuò)頻的信號(hào)是基帶信號(hào)。這里所介紹的系統(tǒng)中，為了能產(chǎn)生偽隨機(jī)碼，所以不僅僅包含接收端的滑動(dòng)同步的部分，還要包含發(fā)送端的偽隨機(jī)碼產(chǎn)生部分，以及為了把 4路偽隨機(jī)碼合成 1路的相加器。另外，由于本系統(tǒng)只牽涉到同步，所以就不在系統(tǒng)中再傳輸原始信息碼了，只有偽碼在系統(tǒng)中傳輸?？偲饋?lái)說(shuō)，這個(gè)系統(tǒng)中主要包括偽隨機(jī)碼發(fā)生器、湖南科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 相加器、相關(guān)檢測(cè) 器等 3 類(lèi)相對(duì)獨(dú)立的單元。下面在對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的說(shuō)明過(guò)程中，將要分別介紹個(gè)單元是如何實(shí)現(xiàn)的。為了監(jiān)測(cè)收端和發(fā)端的偽碼是否同步，還要把收端的偽碼跟相應(yīng)的發(fā)端的偽碼通過(guò)一個(gè)異或門(mén)輸出，并驅(qū)動(dòng)一個(gè)指示燈。 偽 隨 機(jī) 序 列 發(fā) 生 器 1偽 隨 機(jī) 序 列 發(fā) 生 器 3偽 隨 機(jī) 序 列 發(fā) 生 器 2偽 隨 機(jī) 序 列 發(fā) 生 器 4相加合器相 關(guān) 檢 測(cè) 器 1相 關(guān) 檢 測(cè) 器 3相 關(guān) 檢 測(cè) 器 2相 關(guān) 檢 測(cè) 器 4信 道 傳 輸信 道 傳 輸信 道 傳 輸信 道 傳 輸同 步 指 示同 步 指 示同 步 指 示同 步 指 示 圖 偽隨機(jī)序列發(fā)生器 在擴(kuò)頻通信系統(tǒng)中，偽隨機(jī)序列起著十分關(guān)鍵的作用。在直接序列擴(kuò)頻序列的發(fā)端，偽隨機(jī)序列將信息序列的頻譜擴(kuò)展，在接收端，偽隨機(jī)序列將擴(kuò)頻信號(hào)恢復(fù)為窄帶 信號(hào)，進(jìn)而完成信息的接收。因此，偽隨機(jī)序列發(fā)生器是擴(kuò)頻系統(tǒng)的核心單元。用于擴(kuò)頻同步系統(tǒng)的偽隨機(jī)碼常用的共兩種： m序列優(yōu)選對(duì)和 Gold碼序列。 m序列優(yōu)選對(duì)產(chǎn)生方便，但數(shù)量較少； Gold碼序列則可以有較多的數(shù)量。本項(xiàng)目中選用的是 127位偽隨機(jī)碼，由于只有 4 路信號(hào)，考慮到簡(jiǎn)便起見(jiàn)，選用的是 m序列優(yōu)選對(duì)。 m序列又稱(chēng)為最長(zhǎng)線(xiàn)性反饋移位寄存器序列。要產(chǎn)生 4 路不同的 127位的 m序列，需要選擇 4個(gè) 7階的特征多項(xiàng)式。圖 [4， 7]的偽隨機(jī)碼發(fā)生器的電路框圖。 本系統(tǒng)中選用的是： [3， 7]、 [1， 2， 3， 7]、 [2， 3， 4， 7]、 [2， 4， 6， 7]。 湖南科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） S E TC L RDS E TC L RDS E TC L RDS E TC L RDS E TC L RDS E TC L RDS E TC L RDp r np r np r n p r np r np r np r nc l r c l r