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基于FPGA的擴(kuò)頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)(附代碼)

2023/08/01
3109
閱讀需 15 分鐘
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大俠好,歡迎來到FPGA技術(shù)江湖,江湖偌大,相見即是緣分。大俠可以關(guān)注FPGA技術(shù)江湖,在“闖蕩江湖”、"行俠仗義"欄里獲取其他感興趣的資源,或者一起煮酒言歡。

今天給大俠帶來基于FPGA的擴(kuò)頻系統(tǒng)設(shè)計(jì),由于篇幅較長(zhǎng),分三篇。今天帶來第一篇,上篇。話不多說,上貨。

這里也給出后兩篇的超鏈接:

基于FPGA的擴(kuò)頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)(中)

基于FPGA的擴(kuò)頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)(下)

無線通信系統(tǒng)中,普遍使用擴(kuò)頻通信技術(shù),因此擴(kuò)頻技術(shù)對(duì)通信系統(tǒng)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。直接序列擴(kuò)頻技術(shù)是應(yīng)用最廣的一種擴(kuò)頻技術(shù),F(xiàn)PGA具備高速度的并行性特點(diǎn)在無線通信系統(tǒng)中的優(yōu)勢(shì)日益增強(qiáng),利用FPGA實(shí)現(xiàn)直接序列擴(kuò)頻技術(shù),可增大傳輸速率,可以使擴(kuò)頻技術(shù)有更好的發(fā)展與應(yīng)用。

本篇利用本原多項(xiàng)式產(chǎn)生偽隨機(jī)序列用作擴(kuò)頻,通過同步模塊對(duì)擴(kuò)頻后的信號(hào)進(jìn)行捕獲,通過直接序列解擴(kuò)模塊進(jìn)行解擴(kuò)。本篇給出了編解碼、擴(kuò)頻解擴(kuò)、同步的整體方案,使用Quartus實(shí)現(xiàn)功能,并結(jié)合Matlab和ModelSim對(duì)模塊進(jìn)行調(diào)試和測(cè)試,實(shí)現(xiàn)擴(kuò)頻通信模塊的搭建仿真,驗(yàn)證其設(shè)計(jì)的正確性。首先概述了方案設(shè)計(jì)與論證、整體方案的設(shè)計(jì)、各個(gè)模塊的設(shè)計(jì)、個(gè)別模塊的調(diào)試與各個(gè)模塊的仿真驗(yàn)證。本篇主要實(shí)現(xiàn)的模塊有:漢明編碼模塊、直接序列擴(kuò)頻模塊、量化器模塊、同步模塊、直接序列解擴(kuò)模塊和漢明譯碼模塊。各位大俠可依據(jù)自己的需要進(jìn)行閱讀,參考學(xué)習(xí)。

第一篇內(nèi)容摘要:本篇會(huì)介紹緒論,包括課題研究背景和發(fā)展現(xiàn)狀和課題研究意義;還會(huì)介紹系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)與方案論證,包括系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求、系統(tǒng)整體架構(gòu)、軟件設(shè)計(jì)、編碼方式方案論證、擴(kuò)頻方式方案論證、同步算法方案論證等相關(guān)內(nèi)容。

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(hào)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(gè)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(duì)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(hào)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(duì)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(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行譯碼和糾錯(cuò),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(guó)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(cè)距、衛(wèi)星通信、GPS導(dǎo)航定位、移動(dòng)通信、電子對(duì)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(guó)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(gè)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(shì),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(hào)本身頻帶寬的信號(hào)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(hào)的頻帶進(jìn)行擴(kuò)展,得到擴(kuò)頻信號(hào),然后在接收端通過對(duì)信號(hào)進(jìn)行解擴(kuò)處理,恢復(fù)原始信號(hào)。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(shí)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(shí)鐘下,能夠具有以下功能:

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

b. 具有對(duì)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(duì)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(hào)后送給編碼模塊,編碼模塊對(duì)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(hào)經(jīng)過量化器對(duì)其進(jìn)行量化處理,量化后的信號(hào)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(hào),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(hào),對(duì)原始數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行編碼,對(duì)編碼后的信號(hào)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(hào)數(shù)據(jù),然后對(duì)信號(hào)引入噪聲,加入噪聲的信號(hào)利用同步模塊進(jìn)行同步,識(shí)別同步頭后對(duì)信號(hào)進(jìn)行解擴(kuò),解擴(kuò)后利用譯碼模塊對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行譯碼輸出原始信號(hào)。

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(zhǎng)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(shí),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(shí),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(duì)比表

根據(jù)表2.1編碼方式性能對(duì)比表所述,漢明碼編碼方式具有糾錯(cuò)能力,而奇偶監(jiān)督碼不具有糾錯(cuò)能力,實(shí)踐中若出現(xiàn)編碼錯(cuò)誤,漢明碼譯碼可以將錯(cuò)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(jiǎn)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(duì)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(jiǎn)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(duì)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(hào),經(jīng)混頻后得到固定的中頻信號(hào),可實(shí)現(xiàn)解跳過程;

方案三:擴(kuò)頻模塊采用跳時(shí)擴(kuò)頻。時(shí)間跳變是一種擴(kuò)頻技術(shù),簡(jiǎn)稱TDMA,與跳頻系統(tǒng)相似,跳時(shí)是使發(fā)射信號(hào)在時(shí)間軸上離散地跳變。將時(shí)間軸分成許多時(shí)隙(時(shí)片),若干個(gè)時(shí)片組合成跳時(shí)時(shí)間幀,擴(kuò)頻碼序列決定哪個(gè)時(shí)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(hào)同步后,通過開關(guān)按時(shí)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(duì)比表

根據(jù)表2.2擴(kuò)頻方式性能對(duì)比表所述,直接序列擴(kuò)頻方式比其他兩個(gè)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(jiǎn)便地求得接收信號(hào),并使得這些接收信號(hào)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(hào)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(hào)捕獲,使本地PN碼信號(hào)與其同步。接收信號(hào)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(hào)的幀頭,確定為有用信號(hào)后,開始對(duì)信號(hào)進(jìn)行繼續(xù)捕獲。

表2.3 ?同步算法性能對(duì)比表

根據(jù)表2.3同步算法性能對(duì)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(hào)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。

本篇到此結(jié)束,下一篇帶來基于FPGA的擴(kuò)頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)(中),介紹軟件開發(fā)平臺(tái)及軟件模塊設(shè)計(jì),包括FPGA芯片、設(shè)計(jì)和仿真驗(yàn)證平臺(tái)、漢明碼編碼設(shè)計(jì)模塊、直接序列擴(kuò)頻模塊原理、量化器模塊設(shè)計(jì)、同步模塊設(shè)計(jì)、直接序列解擴(kuò)模塊設(shè)計(jì)、漢明碼譯碼模塊設(shè)計(jì)等相關(guān)內(nèi)容。

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