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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的擴頻系統(tǒng)設(shè)計，由于篇幅較長，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：
在無線通信系統(tǒng)中，普遍使用擴頻通信技術(shù)，因此擴頻技術(shù)對通信系統(tǒng)具有重要的現(xiàn)實意義。直接序列擴頻技術(shù)是應(yīng)用最廣的一種擴頻技術(shù)，F(xiàn)PGA具備高速度的并行性特點在無線通信系統(tǒng)中的優(yōu)勢日益增強，利用FPGA實現(xiàn)直接序列擴頻技術(shù)，可增大傳輸速率，可以使擴頻技術(shù)有更好的發(fā)展與應(yīng)用。
本篇利用本原多項式產(chǎn)生偽隨機序列用作擴頻，通過同步模塊對擴頻后的信號進行捕獲，通過直接序列解擴模塊進行解擴。本篇給出了編解碼、擴頻解擴、同步的整體方案，使用Quartus實現(xiàn)功能，并結(jié)合Matlab和ModelSim對模塊進行調(diào)試和測試，實現(xiàn)擴頻通信模塊的搭建仿真，驗證其設(shè)計的正確性。首先概述了方案設(shè)計與論證、整體方案的設(shè)計、各個模塊的設(shè)計、個別模塊的調(diào)試與各個模塊的仿真驗證。本篇主要實現(xiàn)的模塊有：漢明編碼模塊、直接序列擴頻模塊、量化器模塊、同步模塊、直接序列解擴模塊和漢明譯碼模塊。各位大俠可依據(jù)自己的需要進行閱讀，參考學習。
第一篇內(nèi)容摘要：本篇會介紹緒論，包括課題研究背景和發(fā)展現(xiàn)狀和課題研究意義；還會介紹系統(tǒng)整體設(shè)計與方案論證，包括系統(tǒng)設(shè)計要求、系統(tǒng)整體架構(gòu)、軟件設(shè)計、編碼方式方案論證、擴頻方式方案論證、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、易于組網(wǎng)、多用戶隨機選址能力強和抗干擾能力強等優(yōu)點。擴頻技術(shù)是通過一個獨立的碼序列、編碼及調(diào)制的方法來實現(xiàn)的。在接收端利用相同的偽隨機序列進行同步和解擴，再進行譯碼，達到恢復所傳信息數(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，使擴頻技術(shù)在軍用及民用領(lǐng)域具有深遠的意義。
本篇設(shè)計了一種基于FPGA的擴頻模塊，并設(shè)計實現(xiàn)了信息數(shù)據(jù)的編解碼、擴頻解擴以及同步等功能。本設(shè)計采用漢明編碼對信息數(shù)據(jù)進行編碼，編碼后加入同步頭，為接收端同步做準備。加入同步頭的數(shù)據(jù)與偽隨機序列進行異或，達到擴寬信號帶寬的目的，再加入噪聲送入接收端。接收端產(chǎn)生和發(fā)送端相同偽隨機序列作為同步的本地參考偽隨機序列模板，接收數(shù)據(jù)與模板進行最小二乘法計算，結(jié)果與預設(shè)閾值進行比較，小于閾值則被斷定為對應(yīng)的數(shù)值，用來實現(xiàn)同步和解擴，再通過漢明譯碼模塊對數(shù)據(jù)進行譯碼和糾錯，恢復原始信息數(shù)據(jù)。
一、緒論
1.1?課題研究背景和發(fā)展現(xiàn)狀
擴頻系統(tǒng)最早可以追溯到20世紀20年代左右，擴頻通信就有了初步的應(yīng)用。但是一直到20世紀年代中期，擴頻系統(tǒng)才真正應(yīng)用和發(fā)展起來。與很多的通信技術(shù)類似，擴頻技術(shù)最初也應(yīng)用于保密通信和制導系統(tǒng)等軍事技術(shù)。除了在軍事通信中的應(yīng)用，擴頻技術(shù)在無線通信領(lǐng)域也有發(fā)展。我國主要將擴頻技術(shù)應(yīng)用在20世紀70年代后，用于建設(shè)軍用的航天器，具有較強的鏈路防護且具有很強的生存能力。建成后擴頻技術(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行提供重要保障。目前擴頻通信技術(shù)已經(jīng)在測距、衛(wèi)星通信、GPS導航定位、移動通信、電子對抗、跟蹤、遙控和藍牙技術(shù)等方面廣泛應(yīng)用。
擴頻通信技術(shù)具有很多獨特的優(yōu)點：具有抗干擾能力強和截獲率低等獨特優(yōu)點，而且具備碼分多址(CDMA，Code Divided Multiple Access)或稱為擴頻多址(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)。
因為應(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)字擴頻技術(shù)不僅完成模擬擴頻的所有功能，而且在性能和精度方面都有很大的優(yōu)勢，所以數(shù)字擴頻技術(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，其全稱為擴展頻譜通信(Spread Spectrum Communication)。在擴頻通信技術(shù)中，發(fā)送端將原始信號的頻帶進行擴展，得到擴頻信號，然后在接收端通過對信號進行解擴處理，恢復原始信號。根據(jù)通信系統(tǒng)產(chǎn)生的擴頻方式，可以將擴頻通信分為5類：直接序列擴展頻譜(Direct Sequence Spread Spectrum Communication Systems)、頻率跳變擴頻通信系統(tǒng)(Frequecy Hopping Spread Spectrum Communication Systems，F(xiàn)H-SS)、跳時擴頻通信系統(tǒng)(Time Hopping Spectrum Communication Systems，TH-SS)、線性脈沖調(diào)頻系統(tǒng)(chirp)和混合擴頻通信系統(tǒng)，擴頻技術(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，易于擴展等特點，因此，研究基于FPGA的擴頻技術(shù)研究具有重要的意義。
二、系統(tǒng)整體設(shè)計與方案論證
2.1 系統(tǒng)設(shè)計要求
基于FPGA的擴頻模塊設(shè)計，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)進行編碼譯碼功能；
b. 具有對發(fā)送或接收數(shù)據(jù)進行擴頻解擴功能；
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擴頻模塊主要由六大模塊組成：編碼模塊、擴頻模塊、量化器模塊、同步模塊、解擴模塊和譯碼模塊。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)進行編碼，加入同步頭送入擴頻模塊進行并串轉(zhuǎn)換和擴頻，將擴頻后的信號經(jīng)過量化器對其進行量化處理，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行同步計算后，將同步后的數(shù)據(jù)信息送入譯碼模塊進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
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)信號進行編碼，對編碼后的信號進行擴頻，擴頻后的數(shù)據(jù)添加同步頭，通過并串轉(zhuǎn)換成為單比特數(shù)據(jù)，量化器將單比特數(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行同步，識別同步頭后對信號進行解擴，解擴后利用譯碼模塊對數(shù)據(jù)進行譯碼輸出原始信號。
圖2.2??軟件流程設(shè)計圖
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行編碼。
2.5 擴頻方式方案論證
方案一：擴頻模塊若采用直接序列擴頻。直接序列擴頻，簡稱直擴擴頻(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，與本原多項式產(chǎn)生的偽噪聲序列進行模2加（異或）完成擴頻，在接收端用相同的擴偽隨機序列對其解擴，解擴后的數(shù)據(jù)進行譯碼，達到恢復原始數(shù)據(jù)信息的目的；
方案二：擴頻模塊若采用跳頻擴頻。跳頻擴頻通信系統(tǒng)簡稱跳頻通信，它是利用偽隨機序列去控制載波振蕩器的頻率，導致發(fā)送端的頻率發(fā)生變化。跳頻通信載波頻率可隨機進行選擇，偽隨機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，可實現(xiàn)解跳過程；
方案三：擴頻模塊采用跳時擴頻。時間跳變是一種擴頻技術(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，擴頻碼序列決定哪個時隙進行發(fā)送數(shù)據(jù)信息。在接收端，當接收數(shù)據(jù)信號同步后，通過開關(guān)按時的進行解跳，就能夠正確恢復原始數(shù)據(jù)。
表2.2 ?擴頻方式性能對比表
根據(jù)表2.2擴頻方式性能對比表所述，直接序列擴頻方式比其他兩個方式實現(xiàn)較容易、抗干擾能力較強且可以獨立使用，綜合優(yōu)缺點考慮，選擇方案一，擴頻模塊采用直接序列擴頻方式進行擴頻。
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)學優(yōu)化技術(shù)。它通過最小化誤差的平方來和數(shù)據(jù)進行匹配。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)信號與模板進行最小二乘法算法進行計算與預先設(shè)定的閾值比較，已達到同步的目的；
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。接收信號與模板進行計算，獲得二者的相似程度，并與閾值進行比較，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行同步。
本篇到此結(jié)束，下一篇帶來基于FPGA的擴頻系統(tǒng)設(shè)計（中），介紹軟件開發(fā)平臺及軟件模塊設(shè)計，包括FPGA芯片、設(shè)計和仿真驗證平臺、漢明碼編碼設(shè)計模塊、直接序列擴頻模塊原理、量化器模塊設(shè)計、同步模塊設(shè)計、直接序列解擴模塊設(shè)計、漢明碼譯碼模塊設(shè)計等相關(guān)內(nèi)容。
下載ECAD模型
