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基于FPGA的CDMA调制/解调技术的研究与实现(2)

图3,图4为直扩系统的工作原理图[3],由信号源输出的信息码与伪随机码产生器产生的伪随机码进行模2加或相乘,产生以速率与伪随机码速率相同的扩频序列,然后再用载波去调制扩频序列,就得到已扩频调制的射频信号。接收端解扩的过程与扩频过程相同,用本地的伪随机序列对接收信号进行相关解扩后进行解调。 
   
  图3 发射单元原理图 
   
  图4 接收单元原理图 
  2.1 发射单元设计 
  发射单元主要包括伪随机序列码模块(PN码发生器),扩频模块,BPSK调制模块[4]。 
  2.1.1 PN码发生器 
  PN码发生器采用m序列发生器的原理[5],m序列式最长线性移位寄存器,是由移位寄存器加反馈后形成的。一个线性反馈移存器能产生m序列的充分必要条件为:期特征多项式为本原多项式。本设计设计了一个7级周期为127的发生器,所选用的本原多项式为[f(x)=1+x+x2+x6,]使用VHDL语言编写。 
  2.1.2 扩频模块 
  将PN码发生器生成的m序列与输入的数字信号进行异或,完成扩频功能。扩频模块的RTL图如图5所示。 
   
  图5 扩频模块RTL图 
  2.1.3 BPSK调制模块 
  调制模块选择了具有恒包络特性的BPSK调制,它是通过基带信号控制载波的相位,使得载波相位发生跳变的一种调制方式。当码元为‘1’时,调制后相位变为180°,当码元为‘0’,时,调制后相位变为0°,为此设计了BPSK调制模块,设计例化了两个ROM,通过Matlab生成.mif文件用来存放0°和180°的数据,另外还有地址选择器,数据选择器。 
  整个发射端的仿真图如图6所示,clk为系统时钟,clk_bpsk为进行BPSK调制的时钟,datain为输入数据,m_out为生成的m序列,spre_out为扩频后的波形,bpsk_out为BPSK调制后的输出。从结果可以明显地看出输出信号有两次相位变化,一次是从0°~180°的跳变,另一次是从180°~0°的跳变,可以看到数据被正确的调制。 
   
  图6 发射单元仿真图 
  2.2 接收单元设计 
  为了验证设计系统的可行性,系统里设计了BPSK 解调和解扩模块,并将发射端调制好的数据直接作为接收端的输入数据。BPSK 解调模块里同样例化了一个ROM[6] ,存储了相位为0°的数据,将通过载波同步后的数据与ROM的输出数据进行相乘,然后进行抽样判决,判决结果如图7所示,图中spre_out为发射端扩频完的数据,sam_out为进行抽样判决后并延时了70个clk_bpsk,目的是为了将数据恰好在数据始终的上升沿,p_out表示开始进行解调输出,从图中可以看出判决延时后的数据恰好与扩频后的数据完全相同,只是延时了一段时间表示解调时间。 
   
  图7 BPSK解调模块结果图 
  假设解扩模块里已进行PN码的同步,此处只是进行了一定时间的延时,使其恰好与发射端PN 码相同,然后与 BPSK 解调后的数据进行异或,得到输出数据,结果如8所示,sp_end 为解扩完的数据,p_end 为标志位表示开始进行解扩,datain 为输入的原始数据,从图中可以看出解扩的数据域最初的原始输入数据相同,只是有一段时间的延时,可看出系统进行了正确的解调。 
   
  图8 解调仿真图 
  3 结 语 
  本文设计了一个基于FPGA的直接序列扩频系统的水声通信调制/解调系统,目的在于使水声无线通信中具有更强的抗干扰性和保密性,系统中包含了信号的扩频及BPSK调制以及相应的解调模块,并且在Modelsim仿真软件上验证成功。虽然BPSK调制相对于2FSK,2ASK具有带宽窄、频率高、抗干扰性强等优点,广泛的应用于中高速通信中[7]。但是在更高速的通信系统中,BPSK调制已经不能满足频带利用率和系统的有效性等要求,故基本采用多进制调相系统。此外,绝对调相系统会产生倒相现象,因此应该考虑采用相对相位调相系统,基于该思路的水声无线通信一定会有更好的应用前景。 
  参考文献 
  [1] PROAKIS J G. Digital communications [M]. Fourth Edition. New York: McGraw?hill, 2001: 169?269. 
  [2] 郭黎利,李北明,窦峥.扩频通信系统的FPAG设计[M].北京:国防工业出版社,2013. 
  [3] 陈曦,邱志成,张鹏,等.基于Verilog HDL的通信系统设计[M].北京:中国水利水电出版社,2009. 
  [4] 张桂林.直接序列扩频系统的仿真及FPGA的实现设计[D].太原:太原理工大学,2012.
  [5] 周炯槃,庞沁华,续大我,等.通信原理[M].北京:北京邮电大学出版社,2009. 
  [6] 孟绍良,张海柱,刘述防,等.基于FPGA的直序扩频通信系统设计[J].哈尔滨理工大学学报,2012(6):15?18. 
  [7] 冯庆玉,杜汪洋.一种基于FPGA的2PSK调制器的软硬件设计方法[J].中国传媒大学学报,2008,15(2):67?70.


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