扩频通信系统的FPGA实现.
FPGA直接扩频通信技术设计
通信算法。 • 仿真验证：使用仿真软件对设计进行仿真验证，确保设计正确无误。 • 综合与布局布线：将设计转换为可编程的逻辑门电路，并进行布局布线，优化资源利
用率。 • 下载与调试：将设计下载到FPGA开发板上，进行实际硬件调试，优化性能指标。 • 测试与评估：对FPGA直接扩频通信系统进行测试和评估，确保满足设计目标。
抗阻塞能力强：由于扩频通信的频谱较宽，不易被阻塞。
FPGA直接扩频通信系统的设 计
信号源的设计
信号源的作用： 产生扩频所需 的伪随机码序
列
设计方法：采 用硬件描述语 言（如VHDL 或Verilog）进
行逻辑设计
实现方式：通 过FPGA芯片 内部逻辑资源
实现
性能要求：保 证伪随机码序 列的随机性、 相关性等性能
通信安全性：随 着通信技术的发 展，安全问题越 来越突出，需要 加强安全防护措 施
技术标准与规范： 通信技术的标准 化和规范化是技 术发展的必然趋 势，需要加强相 关标准与规范的 研究与制定
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目标识别：利用该 技术可以实现对目 标的快速、准确识 别，提高作战效能
无人机通信： FPGA直接扩频通 信技术可以保障无 人机在复杂环境下 的可靠通信
在其他领域的应用前景
物联网：利用 FPGA直接扩 频通信技术提Biblioteka 高数据传输的 可靠性和安全性
智能交通：实 现车辆间高速、 低延迟的数据 传输，提高交
通效率
工业自动化： 利用FPGA直 接扩频通信技 术实现设备间 的可靠通信， 提高生产效率
最新-短波扩频通信系统中数字相关器的FPGA设计与实现 精品
短波扩频通信系统中数字相关器的FPGA设计与实现摘要基于设计的数字相关器，对前端模数／转换器在384采样率下采得的数据进行希尔波特变换，再与本地序列做相关运算，最后将相关结果送给，供做进一步的处理。
介绍了所选用的芯片，阐述了内部子模块的功能和设计实现方法，对所设计的数字相关器进行了仿真和校验，结果达到了设计要求。
关键词数字相关器希尔波特变换采用ＦＰＧＡ器件可以将原来的电路板级产品集成为芯片级产品，从而降低了功耗、提高了可靠性，同时还可以很方便地对设计进行在线修改。
电路设计者可以通过软件编程，经过设计输入、仿真、测试和校验，用硬件实现特定的数字信号处理算法。
这种方法由于具有通用性强的特点并可以实现算法的并行运算，因此无论是作为独立的数字信号处理器，还是作为ＤＳＰ芯片的协处理器，目前都是比较活跃的研究领域。
短波通信具有设备简单、通信距离远、机动灵活、价格低廉和抗毁性强的特点，有着重要的应用价值。
在短波通信系统中，接收方在信号检测、同步的过程中，要进行大量的乘加操作来做相关运算。
在传输速率较高、样点间隔较小的情况下，完全由系统中央ＤＳＰ处理器进行运算，很难实现实时处理。
利用ＦＰＧＡ的特点，把信号同步数字相关部分分离出来，设计一个专用的数字相关器，作为中央ＤＳＰ处理器的协处理器，来分担这部分工作，是一个很好的解决方案。
本文阐述的就是这样一个应用在短波扩频通信系统的接收方中，完成数字相关功能的基于ＦＰＧＡ设计的相关器。
１Ｓｔｒａｔｉｘ系列芯片简介本文采用Ｓｔｒａｔｉｘ系列芯片实现数字相关器。
Ｓｔｒａｔｉｘ系列是著名的可编程逻辑器件供应商Ａｌｔｅｒａ公司于２００２年新推出的ＦＰＧＡ产品。
其主要特点是采用１．５Ｖ内核，０．１３μｍ全铜工艺，容量为１０５７０～１１４１４０个逻辑单元，内嵌多达１０Ｍｂｉｔ的三种ＲＡＭ块，即５１２ｂｉｔ容量的小型ＲＡＭ，４ＫＢ容量的标准ＲＡＭ，５１２ＫＢ的大容量ＲＡＭ；具有Ｔｒｕｅ－ＬＶＤＳｔｍ电路，支持ＬＶＤＳ、ＬＶＰＥＣＬ、ＰＣＭＬ和ＨｙｐｅｒＴｒａｎｐｏｒｔｔｍ差分Ｉ／Ｏ电气标准，且有高速通信接口；增加了片内终端匹配电阻，提高了信号完整性，简化了ＰＣＢ布线；提供了完整的时钟管理方案，具有层次化的结构和多达１２个锁相环ＰＬＬ。
扩频通信FPGA设计
扩频通信FPGA设计概述：扩频通信技术是指通过将信号的带宽扩展到原信号的数十倍甚至数百倍，然后传输到接收端，在接收端通过相关的算法恢复出原信号。
FPGA （Field Programmable Gate Array）是一种可编程逻辑器件，适用于高速、大规模数字逻辑设计，广泛应用于通信、图像处理等领域。
本文将介绍扩频通信系统中FPGA的设计。
扩频通信的原理：扩频通信的核心技术是采用扩频序列进行信号调制和解调。
在传输端，原始信号经过扩频序列调制后变为扩频信号，在接收端通过相关的扩频序列解调，恢复出原始信号。
扩频序列的选择和设计是关键，常用的扩频序列有PN序列、Gold序列等。
FPGA在扩频通信中的作用：FPGA在扩频通信系统中扮演着非常重要的角色。
FPGA可以实现扩频信号的调制和解调，同时也可以实现其他相关功能，如同步检测、误码率测量、通道编码解码等。
通过使用FPGA，可以提高系统的灵活性和可扩展性，同时也可以实现高性能的处理和运算。
FPGA的设计要点：1.系统架构设计：在进行FPGA设计时，需要首先确定系统的整体架构。
包括选择合适的FPGA器件、确定FPGA与其他硬件模块的接口和数据传输方式等。
2.扩频调制与解调：扩频调制和解调是扩频通信系统中最关键的部分。
在FPGA中，可以使用特定的模块进行扩频序列的生成和调制，同时也可以使用相关的模块进行扩频信号的解调和原信号的恢复。
3.时钟和同步控制：扩频通信系统中的时钟和同步控制非常重要。
FPGA可以通过内部时钟管理模块实现对时钟的生成和管理，同时也可以使用同步控制模块确保系统各部分之间的同步和通信。
4.误码率测量与纠错编码解码：在扩频通信系统中，误码率的测量和纠错编码解码是保证系统可靠性的重要环节。
FPGA可以实现对误码率的测量和纠错编码解码的功能，提高系统的抗干扰和容错性能。
5.数据接口和处理：扩频通信系统中需要进行数据的收发和处理。
FPGA可以通过外部接口模块实现与其他设备的数据交换，同时通过内部数据处理模块实现对数据的加工和处理。
直接扩频通信同步系统的FPGA设计与实现
脚 ４ ８个 ，９ ４ １２个 １ ８×１ ｔ ｍ Ｄ Ｐ，８ ｂＢｏｋＲ Ｍ １２ ８Ｘｒ ｅ Ｓ １ｋ ｌｃ Ａ ９ ｅ
个， 最高工作频 率 ５０ ０ Ｍ。以 ￣ｌ ｘ公司 的 ＩＥ １ ． 开 发软 ｉ ｎ Ｓ ０ １ 件为平 台， 运用 Ｖ ｒｏ 语言作为输入 ， ｅｉ ｇ ｌ 并编译 、 仿真 、 载验 下 证 了同步捕获系统 。图 ４为 系统仿 真图 ，ｌ＿ ｃｋ ｌ是数据 采样 时钟 ， 每次时钟上升沿接收数 据 由 ｄｔ ｉ 入 ，ｌ＿ ａ —ｎ输 ａ ｃｋ ２为计 算 时钟 ， 每次采样一个数 据后 ４个计算 时钟相 关值 由 ｈ 输 ｅ 出， 由图可以看出并行相关运算速度很快 。本系统的门限值
跟踪 单元开始工作 。
图 ２ 改进 的 滑 动 相 关原 理 框 图
２ １ 信 号存储器 ． 信号存储单元 由一个 双 口 Ｒ Ｎ构 成 ， Ａ 在采 样时钟 驱动 下， 接收信号按 地址顺 序存 于 Ｒ Ｍ 中。Ｒ Ｍ 的读 取时钟是 Ａ Ａ
这种方法最大的优点是实现简单 ， 是如果 接收信号 和 但
读取数据
本地 Ｐ Ｎ码不 对 齐 ， 需要 不 断 对本 地 码 移位 并 重新 计算 判 决， 速度慢 ， 实时性不好 ， 本文对 滑动 相关 法进行 改进 ， 系统
性 能提高明显 。
图 １ 滑动相关原理框图
２ 改 进滑 动相 关 法的 Ｆ ＧＡ 实现 Ｐ
改进 滑动相关 捕获法的 Ｆ Ｇ Ｐ Ａ实现包括 以下模块 ： 信号
码 同步包 含捕 获和跟踪两个过程 ， 本文 只对捕 获过程做重点
研 究 ， 。
存储模块 、Ｎ码存储模 块 、 Ｐ 乘法器模 块 、 积分器模 块和 门限 鉴别模块 。原理框 图如图 ２所示 。 采样得到的接收信号存于信 号存 储器 中， 本地 Ｐ Ｎ码不
FPGA芯片在扩频通信系统中的优势及应用介绍
FPGA芯片在扩频通信系统中的优势及应用介绍
引言
对于码分多址的扩频通信方式而言，只有当接收端本地伪码与发端伪码处于相同相位状态时，有用的信息才能被解出。
因此，扩频序列相位的捕获与跟踪是扩频通信系统的关键，而伪码序列相位的捕获尤为重要。
滑动相关法是常用的方法之一。
扩频通信系统要求实时性，以及较高的数据处理速度，这正是FPGA的优势。
所以在扩频通信系统中，大量应用FPGA芯片作为前级处理芯片。
实现原理
原理分析
接收机端接收到的扩频信号可以表示为：
其中，P_{r}为接收信号功率，τ_{d}为传输时延，D（t）为信息码，PN（t）为伪码，n （t）为传输过程的加性噪声。
扩频接收机要完成的任务就是去掉PN（T-τ_{d}）伪码项和cos（ω_{0}t+φ）载波项，从而得到信息数据DZ（t）。
VCO输出I、Q两路信号：
通过同相正交相乘器得到：
利用PN码的相关特性，即相位对齐时，相关结果最大。
当载波和码相位都对准时，经过累加清洗（低通滤波）输出为：
经过平方相加可去掉载波对相关结果的影响，得到相关峰。
实现框图
在直接序列扩频系统中，伪码的捕获是构成码同步系统的重要结构，也是直扩系统中必不可少的部分。
接收机若要把伪码扩展的信号解出，接收方就必须能产生一个与发方一样的伪码序列（保证最大相关值），而且，该本地伪码速率、相位要与接收到的伪码保持一致。
FPGA直接扩频通信课程设计
调试方法：使用示波器、逻辑分析仪等工具进行调试
优化方法：根据测试结果进行优化，如调整参数、修改代码等
测试标准：参考相关行业标准或规范进行测试
测试内容：功能测试、性能测试、稳定性测试等
性能优化策略与实践
优化策略：采用并行处理技术，提高系统处理速度
优化策略：采用流水线技术，提高系统处理效率
优化策略：采用缓存技术，减少数据传输时间
目的：保证通信质量，避免信号干扰
影响因素：信道条件、干扰情况、接收器灵敏度等
应用：在FPGA直接扩频通信系统中，信号功率控制算法起着关键作用，可以有效提高通信系统的性能和可靠性。
FPGA直接扩频通信系统性能评估
PART 05
误码率测试
误码率定义：传输过程中出现错误的比特数与总比特数的比值
测试方法：使用误码率测试仪，发送已知数据，接收并比较
扩频通信原理
扩频通信的基本概念：将信号的频谱扩展到更宽的频率范围内，以提高通信系统的抗干扰能力。
扩频通信的优点：提高通信系统的抗干扰能力、提高通信系统的安全性、提高通信系统的容量等。
扩频通信的应用：无线局域网（WLAN）、蓝牙（Bluetooth）、卫星通信等。
扩频通信的分类：直接序列扩频（DSSS）、跳频扩频（FHSS）、跳时扩频（THSS）等。
多径干扰抑制性能评估
系统稳定性与可靠性评估
稳定性评估：系统在各种环境下的稳定性表现
可靠性评估：系统在各种情况下的可靠性表现
性能评估：系统在各种条件下的性能表现
安全性评估：系统在各种情况下的安全性表现
FPGA直接扩频通信系统实现与优化
PART 06
硬件平台搭建与配置
FPGA芯片选择：根据系统需求选择合适的FPGA芯片
FPGA直接扩频通信技术实践
实验步骤：设置FPGA 开发环境、编写FPGA 程序、编译下载程序、 测试通信性能等
注意事项：确保硬 件设备连接正确、 软件环境设置正确、 测试数据准确等
通信性能测试
测试目的：验 证FPGA直接扩 频通信技术的
性能
测试环境：搭 建FPGA直接扩
频通信系统
测试指标：包 括传输速率、 误码率、抗干
扰能力等
优化建议：根据测试结果，提 出改进FPGA直接扩频通信技
术的建议
实时传输性能测试
测试目的：验证FPGA直接扩频通信技术 的实时传输性能
测试环境：搭建FPGA开发板、射频前端、 天线等设备
测试方法：采用实时传输协议，如 TCP/IP、UDP等
测试指标：数据包丢失率、传输延迟、 带宽利用率等
测试结果：分析测试数据，评估FPGA直 接扩频通信技术的实时传输性能
测试方法：采 用标准测试方 法，如眼图测 试、误码率测
试等
测试结果：分 析测试数据， 评估FPGA直接 扩频通信技术
的性能
抗干扰性能测试
测试环境：模拟实际通信环 境，包括各种干扰源
测试方法：采用多种抗干扰技 术，如扩频、编码、交织等
测试结果：分析抗干扰性能 指标，如误码率、信噪比等
测试目的：验证FPGA直接 扩频通信技术的抗干扰性能
FPGA直接扩频通 信系统设计
系统架构与组成
FPGA直接扩频通 信系统主要由发送 端和接收端组成
发送端包括扩频编 码器、调制器、功 率放大器等
接收端包括低噪声 放大器、解调器、 解扩器等
Hale Waihona Puke 系统中需要使用到 FPGA芯片进行信 号处理和控制
FPGA硬件平台选择
FPGA芯片型号：根据系统需求选择合适的FPGA芯片型号，如Xilinx的Virtex系列或Altera的Stratix系列。 FPGA开发板：选择一款适合FPGA芯片的开发板，如Xilinx的Virtex-7 XC7V585T FPGA开发板或Altera的 Stratix V FPGA开发板。 FPGA开发环境：选择一款适合FPGA芯片的开发环境，如Xilinx的Vivado或Altera的Quartus Prime。
基于FPGA技术的扩频通信系统的实现
ｔ ｈ ｅ ｎ
有近似于随机信号的性能 ＿ １ ］ 。在本直接序列扩频通信系
统 的硬件 电路 设计中 ，我们 选用ｎ ＝ ６ 时最简单 的ｍ序列 生成本原多项式 ：ｘ ６ ＋ ｘ ＋ ｌ 。此时 ，我们需要构造一个６
系统 的硬 件 设 计 。
关 键 词 ：Ｆ Ｐ Ｇ Ａ ；扩频 通 信 系统 ； 实现
一
、
扩频 通信 系统发送 机设计 及 实现
Ｖ Ｈ Ｄ Ｌ 标 准 硬件 描述 语 言 如下 所 示 ：
Ｐ １ ：ｐ ｒ ｏ ｃ ｅ ｓ ｓ （ ｒ ｅ ｓ ｅ ｔ ，ｃ ｌ ｋ ）
ｂ ｅ ｇ ｉ ｎ
— — — — — — — — — — — — —
●｝ — — —— — —— —— — —— —— — —— —— — —— — — —— —— — —— —— — ——— — —— — 一
一
▲
ｅ ｎ ｄｉ ｆ ； ２卜１ Ｓ＿ ＿ ４ ＿ ｌ ５ ＿ ｌ ６卜 ＿ ——— ｅ ｎ ｄｐ ｒ ｏ ｃ ｅ ｓ ｓＰ１ ；
ｂ ｅ ｇ ｉ ｎ
二 、扩频 通信 系统 接收 机设 计及 实现
扩频通信系统接 收机的工作流程一般是将接收机 收 到的宽带射信号变频调制到 中频 ，再 由扩频通信系统接 收机产生 的与扩频通信系统发送机相同的扩频码ｍ序列 去相关解扩 ，最后经过信息解调 ，将信号恢复成原始信
级移位寄存 器 ，这样就可以产生周期ｐ ＝ ６ ３ 的扩频码ｒ ｎ 序 列 。但值得 注意的是 ，为 了避免因为移位寄存器全零导
基于FPGA的直接序列扩频技术的研究与实现
基于FPGA的直接扩频系统技术的研究与实现摘 要随着现代通信技术的高速发展，通信系统对于保密性和抗干扰性的要求越来越高，而扩频通信可以提高通信系统保密性和抗干扰性，在这其中直接序列扩频系统因结构简单、易于实现因此得到了广泛的应用。
传统的基于FPGA直接序列扩频系统的建模、仿真和实现是以硬件描述语言Verilog HDL和VHDL开发的，这样的开发效率低下，不能完全利用MATLAB的强大仿真功能进行交互式设计。
本文在基于FPGA直接序列扩频系统的建模、仿真和实现上采用了Xilinx推出的数字信号算法专用建模工具System Generator结合MATLAB强大的仿真功能进行交互式设计，比传统以硬件描述语言建模的效率有着非常显著的提高，这是传统基于硬件描述语言所不能比拟的。
本文主要研究的是基于FPGA直接序列扩频系统，从直接序列扩频系统的优点和基本原理入手，重点研究了基于噪声环境下直接扩频序列的抗噪声性，详细的介绍了直接序列扩频系统中各部分的基本原理，包括伪随机码原理、差分编码原理、基带传输信号双极性不归零码原理、成型滤波器原理、信号的内插和抽取原理、载波调制原理、扩原理、锁相环解调原理、差分解调原理、判决抽样、帧头捕获匹配滤波器原理，尤其介绍了基于锁相环解调和基于差分解调的原理和易实现性，最后将根据易实现程度和可接受的性能损失选择差分解调作为本文解调的方法。
本文在直接序列扩频的各部分进行了理论推导，利用各部分的原理和理论推导在System Generator和MATLAB中对各部分进行建模和仿真，并且分析仿真结果。
系统的建模、仿真、实现工作是在MATLAB2016B、ZYNQ7020、VIV ADO2017.4以及System Generator平台上完成的。
模型建立和仿真包括差分编码、编码后的扩频、扩频后的双极性不归零码、成型滤波器、数字上变频、解扩、差分解调、最佳抽样判决点、数据帧头的捕获、帧数据的输出。
FPGA直接扩频通信系统设计
FPGA直接扩频通信系统硬件 设计
信号源模块设计
添加标题
信号源模块的作用：产生扩频通信所需的信号
添加标题 添加标题 添加标题
信号源模块的组成：包括时钟源、数据源和扩频码发生器
信号源模块的工作原理：时钟源提供稳定的时钟信号，数据源提供待发 送的数据，扩频码发生器根据扩频码产生扩频信号
信号源模块的设计要求：具有良好的稳定性和可靠性，能够满足扩频通 信的需求。
航空航天：FPGA直接扩频通信系统在 航空航天领域具有较高的可靠性和稳定 性，可以应用于卫星通信、导航系统等。
物联网：FPGA直接扩频通信系统在物 联网领域具有较高的灵活性和可扩展性， 可以应用于智能家居、工业互联网等。
5G通信：FPGA直接扩频通信系统在5G 通信领域具有较高的传输速度和容量， 可以应用于基站建设、网络优化等。
扩频和解扩频算法实现
扩频算法：采用直接序列扩频（DSSS）或频率跳变扩频（FHSS） 解扩频算法：采用相关器或匹配滤波器实现 算 法 实 现 ： 使 用 Ve r i l o g 或 V H D L 等 硬 件 描 述 语 言 编 写 仿真验证：使用Modelsim或Questa等仿真工具进行仿真验证
解码算法
性能评估：通 过仿真实验验 证信道编码解 码模块的性能
FPGA直接扩频通信系统软件 设计
数字信号处理算法实现
数字滤波器设计：采用FIR或IIR滤波器，实现对信号的滤波处理
调制解调算法：采用QPSK、QAM等调制解调算法，实现信号的调制和 解调 信 道 编 码 ： 采 用 卷 积 码 、 Tu r b o 码 等 信 道 编 码 技 术 ， 提 高 信 号 传 输 的 可 靠性 信号检测：采用能量检测、匹配滤波器等信号检测算法，实现对信号的 检测和识别
FPGA直接扩频通信技术实战组合
测试环境：描述测试环境的搭建和配置
测试方法：介绍测试的具体方法和步骤
测试结果：列出测试的结果和数据，并进行分析 性能评估：根据测试结果，对FPGA直接扩频通信的性能进行评估，包括优 缺点和改进建议
优化FPGA设计，提高处 理速度
优化扩频通信算法，提高 通信效率
FPGA可以灵活 地实现扩频通 信系统的升级 和优化，以满 足不降低 扩频通信系统 的功耗和成本， 提高系统的可 靠性和稳定性。
信号处理流程： 包括信号采集、 信号处理、信号 传输和信号接收 等步骤
算法实现：包括 扩频码生成、扩 频调制、扩频解 调等算法
FPGA实现：利 用FPGA的高性 能和灵活性，实 现直接扩频通信 系统的设计
发展趋势：FPGA直接扩频通信技术将向更高速率、更低功耗、更小体积方向发展。
挑战：需要解决FPGA直接扩频通信技术在实际应用中的稳定性、可靠性和兼容性问题。
发展趋势：FPGA直接扩频通信技术将向更智能化、更自适应的方向发展，以满足未来通 信网络的需求。
挑战：需要解决FPGA直接扩频通信技术在复杂电磁环境下的抗干扰能力和安全性问题。
改进测试方法，提高测试 准确性
增加测试案例，提高测试 覆盖率
设计目标：实现无线通信系统的设计，包括发送端和接收端
单击此处输入你的项正文，文字是您思想的提炼，言简意赅的阐述观点。
设计方法：采用FPGA作为核心器件，实现信号的调制和解调
单击此处输入你的项正文，文字是您思想的提炼，言简意赅的阐述观点。
信号源设计： 根据通信需求， 设计合适的信
号源
信号源实现： 使用FPGA实现 信号源，包括 信号生成、调 制、滤波等步
扩频通信中PSK调制系统的研究与FPGA实现
信 号 源
RS 纠 错
交 织
扩 频
调 制
D/A
射 频 部 分
射 频 部 分
B P F
A/D
数 字 下 变 频
解 扩
解 调
解 交 织
信 道 纠 错 译 码
信 源 解 码
同步
图 1-2 无线扩频系统结构图
在扩频通信系统中，扩频信号是通过载波调制后发送到信道中去的，在直接 序列扩频中，通常采用的调制方式是相位调制（ PSK） 。本系统针对信道环境和 数据传输速率的不同，选择了 DPSK 和 QPSK 两种调制方式。
华北电力大学硕士学位论文使用授权书
《扩频通信中 PSK 调制系统的研究与 FPGA 实现》 系本人在华北电力大学攻读 硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。 本论文的研究成果归华北电力 大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解华北电 力大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门送交论文的 复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权华北电力大学，可以采用 影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。 本学位论文属于（请在以下相应方框内打“√” ） ： 保密□，在 不保密□ 作者签名： 导师签名： 日期： 日期： 年 年 月 月 日 日 年解密后适用本授权书
1.2 研究意义
进入八十年代后，数字无线数据通信方式成为主流，其优势是便于采用先进 的数字信号处理技术，如均衡技术、编码技术等等，提高了数据传输速率和传输 的可靠性。实际的系统如 GSM、IS-54 等。但是这些系统也存在一些缺陷。一方 面， 由于无线通信信道的开放性， 通信环境不可避免地存在各种各样的突发干扰， 使得信号传输的可靠性降低，与此同时，信道的时域和频域选择性衰落，使得数 据传输速率的提高受到限制；另一方面，随着无线业务的快速增长，要求无线网 络具备相当的灵活性，以适应业务的发展变化。这些要求都是常规的无线数字通 信难以解决的。这些因素促成了对采用新技术的需求[11]。 数字化、宽带化是当今无线通信的重点主流方向，并且发展极为迅猛，新技 术层出不穷。 许多传统的模拟设计方法已经被淘汰， 而基于专用集成芯片 （ ASIC）
一种基于 FPGA 的直接序列扩频通信系统接收端的设计
一种基于 FPGA 的直接序列扩频通信系统接收端的设计随着科技的不断发展，人们对通信技术的要求也越来越高。
在当今的信息时代中，通信技术已经成为人们生活的必不可少的一部分。
而直接序列扩频通信技术作为一种新兴的通信技术，其传输效率和数据安全性都非常突出，具有广阔的应用前景。
在直接序列扩频通信系统中，接收端的设计对整个通信系统的性能影响非常大。
本文将介绍一种基于 FPGA 的直接序列扩频通信系统接收端的设计。
一、直接序列扩频通信系统的工作原理直接序列扩频通信系统是一种采用序列扩频技术进行信息传输的通信系统。
其工作原理是：将原始信号通过一个固定的伪随机码序列进行扩频处理，以使其带宽变得非常宽，然后将扩展后的信号发送到接收端。
接收端在接收到扩展后的信号后，再通过与发送端相同的伪随机码序列进行相乘，然后再进行积分处理，即可恢复出原始信号。
由于采用了该方法，可以提高信号的抗干扰能力和隐蔽性，所以可以被广泛地应用于无线通信、卫星通信等领域。
二、基于 FPGA 的直接序列扩频通信系统接收端的设计1. 系统框架基于 FPGA 的直接序列扩频通信系统接收端的设计，主要由三部分组成：前端变频器、基带处理器、FPGA芯片。
其中，前端变频器主要是对接收来的信号进行通道选择、选择中心频率以及放大信号，基带处理器主要是对信号进行IQ解调、卷积码解码等处理，FPGA芯片主要是进行信号解码、信号处理、权值积累等操作。
2. 解调方式使用IQ解调的方式可以把信号有效地解调为基带信号。
在该方式下，接收端的信号通过一个低通滤波器（LPF）进行去除噪声和剩余高频的处理后，抽取到本地振荡信号（LO）的频率，在与本地振荡信号的乘积处理下得到I(t)和Q(t)两路基带信号，从而基本实现对信号波形的解调。
3. 解码方式采用卷积码解码的方式，对信号进行卷积码译码。
接收端的解码器可以利用FPGA芯片进行大规模卷积码计算，将扩展后的信号进行解码，最终实现对信号的解密。
用FPGA实现直接序列扩频通信的开题报告
用FPGA实现直接序列扩频通信的开题报告1. 研究背景及意义直接序列扩频（DSSS）通信指的是通过在发射端对原始信号进行扩频处理，使其占用带宽增加，通过信道传输后，在接收端再通过解扩频实现恢复原始信号，以达到抵抗干扰、提高抗遮挡性能的目的。
DSSS通信在许多领域都有广泛的应用，例如军事通信、无线电、自动遥控等。
现有的DSSS通信系统多采用数字信号处理器（DSP）或嵌入式处理器实现，但这些处理器的性能受限于其内部硬件结构和软件算法，难以满足高速、高效的通信需求。
相比之下，现场可编程门阵列（FPGA）由于其并行性能和灵活性，成为了实现DSSS通信的理想平台。
为此，本课题将研究如何使用FPGA实现直接序列扩频通信系统，并优化其性能，提高其抗干扰性能和误码率。
2. 研究内容2.1 DSSS通信系统原理及实现首先，需要深入研究DSSS通信系统的工作原理，并确定所需的硬件资源、数据处理流程和算法。
2.2 FPGA硬件设计基于设计需求和原理，进行FPGA硬件设计，包括模块设计、电路实现和时序分析等。
2.3 系统测试和性能优化采用现有测试平台对系统进行测试和调优，分析所得数据并针对性地优化系统性能，如增强冗余编码、改善信道估计等。
3. 研究方法3.1 理论研究首先进行DSSS通信系统的原理研究，包括直接序列扩频方法、信道编码、调制解调等方面的理论研究，为后续硬件设计提供依据。
3.2 FPGA硬件设计设计完成原理图和电路图，选择FPGA器件进行电路实现，构建DSSS通信系统，包括传输信号的生成、扩频解扩频、信道编码解码等关键功能模块的设计与实现。
3.3 测试和性能优化根据实验设计要求和函数需求，对系统进行测试和优化，包括测试平台编写，信号发生器、示波器等外围设备的连接和参数配置，测试结果的数据分析等。
4. 预期成果在本课题的研究中，预期能够实现DSSS通信系统的硬件设计和实现，包括信号扩频、信道编解码、解扩频及载波同步等功能。
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扩频通信自上世纪50年代中期被美国军方开始研究以来,一直为军事通信所独占,广泛应用于军事通信、电子对抗以及导航、测量等各个领域。
进入上世纪90年代以后,扩频通信又开始向各种民用通信领域发展,典型的如CDMA和GPS等。
应用最广的是直接序列扩频方式(DSSS)。
它是将待传送的信息数据被伪随机码调制,实现频谱扩展后再传输,接收端则采用相同的编码进行解调及相关处理,恢复原始信息数据。
本文采用VHDL语言、Altera公司的集成开发环境QuartusII 6.0和Cyclone系列芯片EPlC3T144C8以及Prote199se完成对直接序列扩频发射系统和接收系统的软件仿真和硬件电路设计。
扩频通信系统发送端设计
扩频通信可以显著提高通信系统抗下扰的能力,特别是频率选择性衰落和多径干扰。
为此在发端输入的信息先经信息调制形成数字信号,然后由扩频码发生器产生的扩频码序列去调制数字信号以展宽信号的频谱。
展宽后的信号再调制到射频发送出去。
一般的扩频通信系统都要进行三次调制：一次调制为信息调制,二次调制为扩频调制,三次调制为射频调制,如图1所示。
扩频码序列
在扩展频谱通信中需要用高码率的窄脉冲序列,现在实际当中用得最多的是伪随机码或称PN码。
这类码序列最重要的特性是具有近似于随机信号的性能。
因为噪声具有完全的随机性,也可以说具有近似于噪声的特性。
但是,真正的随机信号和噪声是不能重复再现和产生的。
我们只能产生一种类周期性的脉冲信号来近似随机噪声特性。
二元M序列是一种伪随机序列。
构造一个产生M序列的线性移位寄存器,首先要确定本原多项式,本电路设计中,我们构造的M序列：n=4,周期p=15,PN码为：111101*********．如图2所示。
D1、D2、D3、D4为四级移位寄存器,求和符号为模二加法器。
移位寄存器的作用为在时钟脉冲驱动下,能将所暂存的"1" 和"0"逐级向右移。
模二加法器的作用为异或运算。
在时钟脉冲的驱动下,四级移位寄仔器的暂存数据按顺序改变,输出序列在时钟脉冲作用下做周期性的重复。
我们通过Altera公司的集成开发环境QuartusII 6.0对设计进行验证,如图3所示。
Reset为复位信号,code为发送的信息,pn为产生的M序列。
扩频通信系统接收端设计
在接收端收到的宽带射信号,变频到中频,然后由本地产生的与发送端相同的扩频码序列去相关解扩。
再经信息解调、恢复成原始信息输出。
接收框图如图4所示。
同步系统是扩频通信接收端的关键技术。
它的作用就是要实现本地产生的PN码与接收到的信号中的PN码同步,即频率上相同,相位上一致。
同步过程一般说来包含两个阶段。
(1) 接收机在一开始并不知道对方足否发送了信号,因此,需要有一个搜捕阶段,即在一定的频率和时间范围内搜索和捕获用信号,即所谓的粗同步。
(2) 完成搜捕过程后,则进入跟踪过程,即继续保持同步,如果收发两端的频率和相位发偏移,同步系统能加以调整,使收发信号仍然保持同步,即所谓的细同步。
在接收端设计中分析了传统的滑动相关法滑动速度慢搜获时间长的缺点,提出了捕获速度快且具有码序列识别功能的匹配滤波搜捕法。
匹配滤波搜捕法
直接序列扩频解扩系统中,数字匹配滤波器的捕获思路是以接收端扩频码序列作为数字FIR滤波器的抽头系数,对接收到的信号进行相关滤波。
原理如图5所示。
滤波输出结果进入门限判决器进行门限判决,如果超过了设定门限,就表明此刻本地序列码的相位与接收扩频序列码的相位达到同步。
如果未超过设定门限,则表明此刻本地序列码的相位与接收到的扩频序列码的相位不同步,需要再次重复相关运算,直到同步为止。
数字匹配滤波器由移位寄存器、乘法器和累加器三部分组成,这只是一个FIR滤波器的结构形式,只不过伪码寄存器中的系数为-1或+1,实际并不是真正意义上的乘法。
伪码寄存器中的数据可以由一个伪随机序列发生器产生。
数字匹配滤波器的表达式为
其中,x(n)为输入信号;h(-i)为滤波系数,由接收端扩频码决定,取值-1或+1,M序列码元为1,取值为+1,M序列码元为0,取值为-1。
匹配滤波器的长度N等于扩频比,也就是对于每一信息符号的扩频码元数,即Tb／Tc。
当输入信号缸{x(n)}与本地扩频码{h(-i)}匹配时,此时输出 z达到最大,将超出预先设定的门限,表示捕获成功。
具体电路由DSP Builder 工具实现如图6所示。
再由DSP Builder工具自带的Complier功能,将电路描述转化成VHDL语言,供下载到FPGA中进行调试。
我们通过Altera公司的集成开发环境QuartusII 6.0对设计进行验证。
如图7所示。
M_initial为输入到反馈寄存器的初始状态,r_en运算允许位,r为捕获标志位。
数字跟踪环路实现
当扩频接收机与接收信号粗同步后,就必须使它这样工作下去：应保持锁定,即使用本地码准确地跟踪输人信号的伪随机码相位和载波频率,为解扩提供必要的;对同步不断检测,一旦发现失锁,应返回捕获状态,重新同步。
这就是跟踪需要完成的任务。
一般在设计中采用早迟门跟踪环路(DLL)。
因为通常扩频系统工作在非常低的信噪比境,要完成载波解调是非常闲难的,而采用这种类环路不要求在跟踪过程中产生相关载波。
早迟门跟踪环路通常由超前一滞后相关器、码鉴相器、码环路滤波器和码NCO 等部分组成。
具体工作过程如图8所示。
结束语
该设计在Cyclone系列芯片EPlC3T144C8芯片上实现了直接序列扩频发射和接收系统的硬件调试。
PN码长度127位,码片速率1.5M／s,晶振频率30M,经倍频系统工作在248M,扩频增益为35dB,系统通信速率1M／s。
FPGA实现扩频系统是一个完全的硬件构架,比传统的DSP实现方式,处理速度快1.5～2储,硬件延时减少100ns,同时采用了流水线技术,提高了系统并行处理的能力。
所有模块都集成在一个芯片中,提高了系统的稳定性和可靠性。