基于FPGA的CDMA数字基带系统设计

2011年4月第4期
电子测试
ELECTRONIC TEST
Apr.2011
No.4基于ＦＰＧＡ的ＣＤＭＡ 数字基带系统设计
黄小娟，王福明
（中北大学，机械工程与自动化学院，山西，太原 030051）
摘要：随着现代通信技术的发展，特别是移动通信技术的高速发展，CDMA技术越来越被人们所关注。

而基于FPGA的CDMA数字基带系统正是一种新兴的具有很大可行性的技术。

本文给出了CDMA数字基带收发系统的设计方案，并以Altera MAX+P1usII为硬件开发平台,利用FPGA实现了4路信息信号的扩频、编码调制和解扩、解调、验证了初始方案的可行性。

运用VHDL语言,实现对CDMA通讯系统的上行链路数字部分进行设计，对有关模块的编译，编译通过后的结果，以及使用ACE1k系列芯片通过仿真得到波形，证明了整个系统原理和设计提出的正确性。

关键字：CDMA；数字基带；FPGA；MAX+P1usII
中图分类号： TN929.53文献标识码：A
Based on FPGA component CDMA numeral baseband receiving and dispatching system simulation design
Huang Xiaojuan, Wang Fuming
(School of Mechanical Engineering and Automation, North University of China,
Taiyuan,Shanxi 030051，China)
Abstract: Along with the modern communication technology development, specially mobile communication technology high-speed development， the CDMA technology is more and more paid attention by the people. Yet based on FPGA component CDMA numeral baseband receiving and dispatching system simulation，it is a technology which is new and has enough feasibilities. This article introduced the system， which is a kind of design，based on the stage of the hard environment： Altera MAX+P1usII.With using the FPGA to work out four roads about the information signals for spreading spectrum，pulsing code modulation，out spreading spectrum，and out pulsing. It had improved the abilities about the early proposal. In the end，it has made a breadboard for the CDMA numeral baseband receiving and dispatching system using the instrument of the EDA，for helping to improve it.This article using the VHDL language to achieve the design of the digital part of CDMA communication system's uplink , and compiled to the some relevant modules.Finally, we won the waveforms by simulation using the ACE1k series chips. It proved the accuracy of the principle and design of the system.
Keywords : CDMA;FPGA;MAX+P1usII;Correlation detection.
0 引言
CDMA（Code Division Multiple Access）是在数字通信技术的分支扩频通信的基础上发展起来的一项技术。

它主要用于利用相互正交（或者尽可能正交）的不同编码分配给不同用户调制信号，实现多用户同时使用同一频率接入系统和网络的通信。

本文针对CDMA码分多址技术设计1个4路用户传输系统,省去了载波调制部分,把CDMA 扩频系统中传输的信号简化为数字基带信号,并做出一个与之相应的扩频编码调制收发系统，系统采用Walsh函数正交码作为地址码调制原数据信号,选用m序列作为扩频的伪随机码。

1 CDMA基带系统设计
1.1 系统设计平台
开发工具软件采用Altera公司的EDA工具MAX+PlusII。

利用MAX+P1usII中提供的编程语言设计方法和图形设计方法实现系统各部分的功能。

1.2 CDMA系统设计原理
CDMA技术基于扩频通信的基本原理，将要传送的具有一定信号带宽的信息数据，用一个带宽远大于信号带宽的高速伪随机编码信号去调制它，使原信息数据信号的带宽被大大扩频，再经载波调制后发射出去。

接收端则使用完全相同的伪随机码，与接收的带宽信号做相关处理，把宽带信号变换成信息数据的窄带信号（解扩）实现数据通信。

这种扩频通信的明显特点是采用编码调制、频谱扩频和相关处理技术。

使用扩频编码调制易于保密也可供多用户使用。

另外，对信息数据的频谱扩展，使功率谱密度明显降低，既不容易被别人发现又不容易干扰别人。

CDMA通信多址干扰的大小决定于扩频编码间的互相关值，如果该值非常小乃至可以忽略，那么接收调解输出结果就只有原数据信号和噪声。

所以CDMA可在同一载波频率上同时传送多个用户的信息、数据、实现多址通信。

编码之间的互相关值越小，多址通信用户就越多。

2 总体设计
2.1 CDMA的整体设计框图
整体框图如图1所示。

说明:(1)图1中“→”表示信号是1路,
表示信号是4路。

(2)触发时钟:该收发系统受同步时钟控制,在全局时钟的基础上进行分频，详见表1。

表1 触发时钟分频
触发项 触发时钟 触发项 触发时钟信息码发生器96分频基带求和3分频
Walsh码发生器24分频并串、串并转换全局时钟PN码发生器3分频Walsh解调制&PN解扩3分频
图1 CDMA基带收发系统整体概念性框图
2.2 利用VHDL语言编程实现的3分频、24分频、96分频电路模块图
实现的3分频电路模块图为图2所示。

图2 3分频电路模块
实现24分频电路的模块图为图3所示。

图3 24分频电路的模块图
实现了96分频电路的模块图为图4所示。

图4 96分频电路的模块图
3 本系统完成的功能
本收发系统主要由调制器和解调器两部分组成。

它们完成的功能如下:
（a）调制器:内嵌于编码器中的信息信号发生器产生的4路输入信号,经Walsh调制、PN扩频、基带求和与并串变换成为1路信号,完成调制。

（b）解调器:接收端将收到的1路信号首先进行串并变换,在取得同步的基础上进行PN解扩和Walsh解调,恢复出4路输入信息。

3.1 Walsh码发生器
Walsh函数是一种非正弦的完备正交函数集。

由于它采用的是数字系统，比较适合于用来表达和处理数字信号。

考虑到是数字基带系统,本系统采用的Walsh码组应为:
W1={1,1,1,1}; W2={1,0,1,0};
W3={1,1,0,0}; W4={1,0,0,1}。

该发生器利用MAX+PlusII编程实现较简单,在Walsh 码时钟(全局时钟的24分频)的控制下,每出现一次时钟跳变事件,输出端以4为周期依次输出1111,1010,1100和1001的码序列。

沃尔什(Walsh)码是正交码，经常被用作码分多址系统的地址码，Walsh码产生模块作为扩频传输的地址码，并且具有检测使用中的两路Walsh码是否正交的功能。

本设计中使用Walsh，存储在发射端数据寄存器中，扩频过程中根据 Walsh码的地址控制信号。

抽取两路 Walsh码分别对两路消息码进行扩频。

接收端截获串行的数字信息流后 ，从接收端的数据寄存器中取出Walsh码对接收信号进行解扩。

Walsh码电路的设计思路运用了译码的原理来实现。

3.1.1 生成Walsh码调制（地址编码）的模块图
Walsh码调制所生成的模块图为图5所示。

图5 Walsh码调制所生成的模块
Walsh码调制的仿真图为图6所示。

3.2 PN码、信息码发生器
利用7个D触发器相互级联实现周期为127的PN序列。

具体构成依据m 序列特征多项式,由MAX+PlusII提
供图形设计方法实现。

PN码时钟为全局时钟的3分频。

信息码的产生则只需在信息码时钟的控制下,从同样
的级联中引出4路信号作为信息码,信息码时钟为全局时
钟的96分频。

3.2.1 生成PN扩频的模块图
由PN扩频所生成的模块图为图7所示。

图7 PN扩频所生成的模块图
3.3 调制与解调
在数字基带系统中,Walsh码调制可以简单地用同或
门来实现,而PN扩频则可通过简单的异或门实现。

在实现Walsh码解调与解扩时,PN解扩只需在接收端
加1异或门。

下面着重介绍一下Wlash码解调的方法———
相关检测。

相关检测原理举例解释(见表2)。

表2　相关原理检测举例解释
Walsh调制码即原信息码与Walsh码同或,所得4路
码统计所得1的个数并转化成相应3比特并行码,例如表
中Walsh编码的第1列转化为010,第2列为100。

在接收
端则根据传递来的接收信息逐路进行相关检测。

相关检测
规则列于表3中。

表3 相关检测规则
路数信息码 Walsh码 Walsh编码
解码
信息
输出码
1 111111111 010 1
2 010100101 100 0
3 111001100 010 1
4 010010110 010 0
Walsh码 1 0
接受信息000001010011100000001010011100算法结果-4-2024420-2-4
图6 Walsh码调制的仿真图
以第1路为例,Walsh码序列为1111,接收信息为010,100,010,010,算法结果为4,0,0,相加除4得(0+4+0+0)/4=1,恢复原信息码。

依此类推,若原数据信号经WALSH码编码调制后,再经过PN码扩频,此相关检技术则可用于扩频信号的解扩。

3.3.1 产生的PN码时钟图
PN码时钟所产生的模块图为图8所示。

图8 PN码时钟的模块图
PN码时钟所产生的仿真图为图9所示。

图9 PN码时钟产生的仿真图
3.3.2 产生的信息码时钟图
信息码时钟所产生的模块图为图10所示。

图10 信息码时钟所产生的模块图
信息码发生器的仿真图为图11所示。

图11 信息码发生器的仿真图
3.4 CDMA基带收发系统的调制
Walsh码调制与PN码扩频调制部分的仿真图如图12所示。

图12 Walsh码调制与PN码扩频调制部分的仿真图3.5 CDMA基带收发系统整体设计图
CDMA基带收发系统设计是以MAX+P1usII为软件的基础上，利用VHDL语言编程实现了各分频器和Walsh 码模块图，利用FPGA实现了4路信息信号的扩频、编码调制系统,从而实现了CDMA基带收发系统的整体模块图。

本次课题中利用MAX+P1usII开发平台绘出相关信号的仿真波形，并以此检验系统的性能。

4 结论
该实验系统是采用现代最先进的EDA设计方法自行设计的1套适合“扩频通信系统”的实验系统。

具有很好系统性和灵活性。

本设计的数字基带信号发生器CDMA 将移动通信中的各种关键技术融为一体，形成具有整体性的CDMA数字基带处理技术。

在CDMA基带设计过程中融入了软件无线电的思想，提出了信号发生源CDMA无线传输技术的基带处理方案，设计出信号源数字基带处理的软硬件实施方案，实现时运用了FPGA这样一种灵活的现代电子技术方案。

由于系统大部分功能以软件实现，全部软件集成在FPGA芯片中，从而简化了系统的硬件结构，减少了制版工艺中产生的噪声，提高了系统稳定性和抗干扰能力。

若进一步增加发射和接收模块的调制和解调电路，该系统还可以扩展成为无线远距离传输的通信系统。

参考文献
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（下转1０８页）
2.2.3 数据的发送和接收
1）当多点的温度被读取完之后，温度数据被存储在相应的寄存器内，然后，单片机通过SPI通信，把数据发送给NRF905的发射缓冲区；完成发射任务后，单片机进行下一轮的温度采集。

2）另一边的NRF905检测到所设定的发射频率所发出的信息，进行地址校正后，开始接收数据。

数据按顺序存放在单片机的寄存器内，用于数码管显示。

由于数码管显示是用动态的扫描显示，在时间的处理上，单片机的内部程序的延时要恰当，否则会出现数码管跳动显示或者只显示其中一个的情况。

3 实验论证
本实验用到5个DS18B20，为了验证数据的正确性，首先将各个传感器按顺序进行编号。

把5个传感器放在一个恒温箱内（本实验恒温箱为20℃），另一边的接收数据显示的温度都是同样的温度。

这样做的目的是保证整个系统的采集是正确的。

用手捏住第一个传感器，进过几秒钟之后，检测接收数据，第一个的数据为32.5℃，明显高于其他4个。

接着放开手，用手捏住第二个传感器，并以此类推，可以分别得到用手捏的温度为33.0℃, 32.5℃, 32℃, 32.5℃。

由于手捏的时间和手温不一定一致，会有一个很小的误差，对于本设计来说，可以忽略。

实验证明，本系统是确实可行的。

参考文献
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,2008 (22).
作者简介：
陈敏，中北大学信息与通信工程学院在读硕士研究
生，主要研究方向为测试计量技术及仪器。

E-mail：chenmin103@
孟立凡，中北大学教授，硕士生导师，主要研究方
向为现代传感器技术、动态测试和无线通信技术。

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Upper Saddle River:Prentice Hall PTR, 1999.作者简介：
黄小娟，中北大学机械工程与自动化学院在读硕士研究生，主要研究方向为基于网络的智能控制。

E-mail：332341084@
（上接72页）。