毕业设计177基于FPGA的CDMA数字基带收发系统.docx
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毕业设计177基于FPGA的CDMA数字基带收发系统
基于FPGA的CDMA数字基带收发系统
——调制部分
内容提要：
CDMA（CodeDivisionMultipleAccess）即码分多址接入技术，具有很强的抗干扰能力（信号隐蔽，抑制窄带干扰等）和保密性，地址改变也比较灵活。
我们在了解现代通信技术的发展、CDMA基本原理以及CDMA系统的工作过程的基础上，运用MAX+plusⅡ软件，通过编程在FPGA中实现了CDMA数字基带收发系统中的4路信息信号的扩频、编码调制。
系统首先将模数（A/D）转换器转换的4路数字信号通过Walsh码调制、PN码扩频、基带求和以及并串转换后得到基带信号，接收端通过相反的过程，解调出原数据信号，再通过数模（D/A）转换器，还原出原模拟信号。
本文给出了CDMA数字基带收发系统的软硬件设计方案。
并以AlteraMAX+plusⅡ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。
关键词：
FPGAWalsh码调制PN码扩频基带求和并串转换
DigitalBase-bandSystemofCDMABasedonFPGA
—ModulationPart
Abstract：
CDMA（CodeDivisionMultipleAccess）hasverystrongabilityofanti-jamming（signalcovert,suppressesselectiveinterferenceandsoon）andkeepingsecrecy.It’saddresschangingisquiteeasy.Basedonunderstandingthedevelopmentofmoderncommunication,thebasicprincipleofCDMAandtheworkprocessofsystem,weutilizetheMAX+plusⅡsoftware,realize4groupsinformationsignal’swideningfrequency,thecodingmodulationandthedemodulationbyprogramming.IntheCDMAnumeralbasebandreceivinganddispatchingsystem,thedispatchingsystemtransforms4digitalsignalswhichhavebeenswitchedbyanalog-digital（A/D）switch-boxthroughtheWalshcodemodulation,thePNcodespectrum-spread,thebasebandsummationandtheserialtransformationatfirst,thenthereceivingpartadoptstheoppositeprocess,demodulates4digitalsignals,gainstheprimedigitalsignals.Theprimedigitalsignalspassesthedigital-analog（D/A）switch-box,returnstotheoriginalsimulatedsignalsintheend.
ThisarticlehasproducedthedesignproposaloftheCDMAnumeralbasebandreceivinganddispatchingsystem.AndtakeAlteraMAX+plusⅡastheplatformofthehardwaredevelopment.Thesystemrealizesthewideningfrequency,thecodingmodulationandthedemodulationof4groupsinformationsignalbyFPGA.
Keywords:
FPGAtheWalshcodemodulationPNcodespectrum-spreadthebasebandsummationtheserialtransformation.
基于FPGA的CDMA数字基带收发系统
——调制部分
一、概述
CDMA是码分多址的英文缩写（CodeDivisionMultipleAccess）,它是在扩频通信技术上发展起来的一种新的无线电技术,其原理是将需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码进行调制,使原数据信号的带宽被扩展,再经载波调制并发送出去。
接收端使用完全相同的伪随机码,与接收的宽带信号作相关处理,把宽带信号转换成原信息数据的窄带信号（即解扩）,以实现信息通信。
CDMA具有很强的抗干扰能力（信号隐蔽，抑制窄带干扰等）和保密性，改变地址比较灵活。
扩频通信技术在军用通信中已有半个多世纪的历史。
1993年TIA批准CDMA为扩频率数字蜂窝系统标准以来，CDMA技术在国外得到迅速发展，已呈后来居上之势。
尤其在GSM的大本营欧洲，ETSI（欧洲电信标准委员会）审议G3（第三代移动通信）标准，无论采用Nokia、Ericsson还是Motorola、Siemens原型，都将采用CDMA作为空中接口标准，这也进一步确立了CDMA为商业移动通信网的主流方向。
在美国10大蜂窝公司中有7家选用CDMA。
在亚洲，CDMA技术商业化趋势更强，1995年，韩国LGIC公司推出世界上首批商用CDMA交换系统。
1995年9月，世界上第一个商用CDMA移动网在香港地区开通，1996年在韩国汉城附近开通世界上最大的商用的CDMA网，新加坡的CDMA个人通信网于1997年开通，这也是亚洲第一个CDMA个人通信网。
截至2003年9月25日中国联通的CDMA手机用户在突破300万大关后，正在以日进3万的速度向350万的目标进发，所有这些迹象表明，CDMA正在成为一项全球性的无线通信技术。
扩频通信技术、码分多址技术和同步技术是CDMA的关键技术，本设计旨在通过设计完成CDMA数字基带收发系统的过程。
二、CDMA基本原理
（一）引理
本设计系统是对CDMA码分多址技术所做的1个4路演示性系统,本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1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。
根据信息论的香农（Shannon）定理：
其中C为信道容量，W为信号带宽（单位为Hz），S/N为信噪比。
信道容量与带宽成正比，而在一定信道容量下，如果带宽W扩充到一定程度，那么就能在较低S/N要求下得到很高的传输质量。
这一点的应用就是采用伪随机码（PN）的扩频编码调制，把原数据信号变换成类似于白噪声的随机信号。
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，与接收的宽带信号作相关处理，把宽带信号变换成原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、频谱扩展和相关处理技术。
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，即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，那么接收解调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，多址干扰就越小，多址通信用户数就越多。
在香农信息论中，系统理论上最大容量的最终逼近实现技术之一就是：
高斯白噪声信道最利于传输的信号是高斯白噪声信号。
而采用伪随机码（PN）的扩频编码调制技术把原数据信号变换成类似于白噪声随机信号的CDMA无线通信技术，使这种理论的实现成为现实。
而最常用的伪随机序列之一就是下面设计中要用到的m序列。
（二）码分多址基本概念
在CDMA中还有一个很重要的技术就是码分多址。
码分多址与频分多址和时分多址不同，被分割的参量不是频率或时间，而是信号的波形，即码的结构。
这时复用的各个信号，从频谱或时间上看就不再是互不重叠的。
码分是利用各路信号的正交性。
基本方法是，在发送端先将多路信号分别由一组正交码进行某种调制或变换，使各路信号成为某种正交信号组，然后混合传输。
接收端产生一组与发送端同步的同样正交码，并将收到的信号与正交码组中的每个码分别作点积。
根据两个矢量相同信号的点积为1，两个矢量正交信号的点积为零，就可以利用复合信号中所含各信号的正交性，通过求点积来从复合信号中分离出各路信号。
图1码分多址示意图
例如有数字信号a1、a2，经正交码组Q1（11）、Q2（1-1）变换后得到正交信号组e1、e2,复合信号为e=e1+e2。
接收端用正交码组Q1、Q2与e作点积运算，就可分离出a1、a2（见图1）。
从图1中可以看出：
（1）e1和e2的码元速率与Q1、Q2相同，所以码分多址信号的频谱远大于原发送数字信号a1和a2的频谱。
（2）复合信号中的各路信号在频谱和时间上都是重叠的。
（3）收端的Q1、Q2与e不能正确同步就不可能正确分离a1和a2。
（4）要实现码分多路复用，就必须有足够多的正交码，即地址码数目要足够多。
上例只有两个地址码，所以只能实现两路复用。
地址码的选择直接影响到码分多址的容量、抗干扰能力、接入和切换速度等性能。
所选择的地址码应能提供足够数量的自相关函数特性尖锐的码序列，保证信号经过地址码解扩后具有较高的信噪比。
地址码提供的码序列应接近白噪声特性，同时编码方案简单，保证建立同步速率较快。
常用的地址码有：
①m序列，即最长线性的伪随机序列；②Walsh函数正交码等。
本设计采用Walsh函数正交码作为地址码调制原数据信号，产生一组码长为4的沃尔什码。
（三）沃尔什码
沃尔什（Walsh）码是正交码，经常被用作码分多址系统的地址码。
例如
就是一组码长为4的沃尔什码。
所谓正交性是指
上式说明这个码字内的4个码只有本身相乘叠加后归一化值是1，任意两个不同的码相乘叠加后的值都是0，即互相关值为零。
对于其他长度的沃尔什码也是这样。
上面的沃尔什码的码长是4，只有4个地址码，也就是系统的信道数不能超过4个。
当用信道数更多时，必须产生码长更长的沃尔什码。
沃尔什码的生成比较简单，可以通过哈德玛（HADAMARD）矩阵来生成。
下面我们先看一看上面的码长为4的沃尔什码，把它写成矩阵形式是
其中矩阵
是
取反（元素1变成-1，-1变成1），矩阵
是
其中矩阵
是
取反，矩阵
是[1]。
所有的WALSH码都可以通过这种方式来产生。
从而得到码长为2n的WALSH码。
其中n为大于1的正整数。
（四）PN码
CDMA是在扩频通信的基础上发展起来的。
所谓扩频通信,就是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码进行调制,使原始数据信号的带宽被扩展,再经载波调制并发送出去。
接收端使用完全相同的伪随机码对接收到的信号作相关处理,把宽带信号转换成原始信息数据的窄带信号（即解扩）,以实现信息通信。
它通常采取的扩频方案有2种,一是直接序列（DirectSequence）扩频技术,另一种是跳频（FrequencyHopping）扩频技术。
本设计采用的是直接序列扩频方式（DS/CDMA）。
作为扩频码的伪随机码具有类似白噪声的特性。
因为真正的随机信号和噪声是不能重复再现和产生的，我们只能产生一种周期性的脉冲信号来近似随机噪声的性能，故称之为伪随机码或PN码。
用于扩频通信系统的伪随机码常用的共有2种，m序列优选对和Gold序列。
m序列优选对产生方便，但是数量较少，Gold码序列则可以有较多的数量。
由于本设计只有4路信号，为简便起见，选用m序列作为扩频码的伪随机码。
m序列具有与随机噪声类似的尖锐自相关特性，但它不是真正随机的，而是按一定规律周期性的变化。
由于m序列容易产生、规律性强等许多优良的特性，在扩频通信和码分多址系统中最早获得广泛的应用，以下介绍m序列伪随机码的产生和电路实现。
m序列是最长线性移位寄存器的简称，它的生成可用移位寄存器的本原特征多项式
来确定，一个本原特征多项式对应一个最大长度序列，也就是对应一个m序列。
表1给出了n阶本原特征多项式
的具体形式，n是移位寄存器级数，它的周期是P=
。
例如，当n=5时，表中给出了［2,5］,[2,3,4,5],[1,2,4,5]，其中［2,5］的多项式为
[2,3,4,5]的多项式为
[1,2,4,5]的多项式为
必须指出本原多项式的互反多项式还是本原的。
本表中没有列出互反多项式来。
一个n阶的互反多项式为
例如，多项式
是本原的，则互反多项式为
也是本原的。
表1m序列的本原特征多项式
n
2
[1,2]
3
[1,3]
4
[1,4]
5
[2,5][2,3,4,5][1,2,4,5]
6
[1,6][1,2,5,6][2,3,5,6]
7
[3,7][1,2,3,7][1,2,4,5,6][2,3,4,7][1,2,3,4,5,7][2,4,6,7][1,7][1,3,6,7][2,5,6,7]
8
[2,3,4,6][3,5,6,8][1,2,5,6,7,8][1,3,5,8][2,5,6,8][1,5,6,8][1,2,3,4,6,8][1,6,7,8]
有了特征多项式，可以用硬件电路来实现一个m序列。
下图是一最简单的三级移位寄存器构成的m序列发生器。
根据表1，取阶数n=3，对应的特征多项式[l,3］的互反多项式是[2,3]，即
。
该移位寄存器是D触发器，在时钟脉冲CP上升沿到来时，输出
等于输入
。
途中第二、三级移位寄存器的输出
和
经模2加电路后反馈到第一级移位寄存器的输入
端，构成反馈电路。
当初始状态
为111时（其他初始状态也是如此），在时钟脉冲的控制下，各输出端的输出数据如图2（b）所示，得到输出周期为
＝
的码序列1110010。
在输出一个周期的序列后，
又回到111状态。
在时钟的控制下，输出序列作周期性的重复。
1110010就是一个周期是7的m序列。
图2三级移位寄存器构成的m序列发生器
三、CDMA数字基带收发系统调制部分主要模块及仿真
本收发系统主要由调制器和解调器两部分组成。
完成的功能如下：
1.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1路信号，完成调制。
Walsh码发生器、PN码发生器和信息码发生器都属于调制器的一部分。
2.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行PN解扩和Walsh解调,恢复出4路输入信息。
具体结构参见整体概念性框图（见图3）及内部结构框图（见图6）。
图3CDMA基带收发系统整体性框图
本系统主要模块有码发生器（creator）和调制延时器（modulator_delay）。
码发生器又主要包括信息码发生器，Walsh码发生器和PN码发生器。
调制延时器中主要是信息码延时器，Walsh码调制器和延时器，PN码扩频器和延时器。
以上模块的仿真结果都能在附录A、附录B、附录C中看到。
该收发系统受同步时钟控制，各模块时钟是在全局时钟的基础上进行分频产生，分频系数见表2。
触发项
触发分频
触发项
触发分频
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码解调&PN扩频
3分频
表2触发时钟分频
（一）码发生器
1.Walsh码发生器
本系统采用的Walsh码组为
；
；
；
；
考虑到是数字基带系统，应变为
；
；
；
；
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（clk’event）,输出端以4为周期依次输出1111,1010,1100和1001的码序列。
Walsh码发生器程序参见附录BWalsh3.vhd。
仿真波形如下图：
图4Walsh码程序仿真波形
2.PN码发生器
在前面已阐释了如何利用m序列发生器来产生PN码的原理，以下内容是如何用MAX+plusⅡ设计实现周期为
的PN序列。
MAX+plusⅡ不但提供了编程语言（例如VHDL）的设计方法，还提供了图形设计方法（扩展名为.gdf的文件）。
一个图形文件由若干符号（symbol）组成，这些符号既可以是系统提供的，也可以是通过编程语言设计生成的。
图5是该软件所提供的D触发器，可以在菜单“symbol”下的“max2lib\Prim”中找到。
实验中利用到7个这样的触发器相互级联实现周期为127的PN序列。
具体构成依据表1，例如，我们在这里取［l,7］的互反多项式［6,7］作为7级移位寄存器的特征多项式，PN码时钟为全局时钟的3分频。
D触发器的功能见表3。
PN码发生器原理图参见附录C图1。
表3D触发器功能表
输出
PRN
CLRN
CLK
D
Q
低
高
X
X
高
高
低
X
X
低
低
低
X
X
非法
高
高
上升沿
低
低
高
高
上升沿
高
高
高
高
低
X
保持
高
高
高
X
保持
注：
X表示高电平或低电平
3.信息码发生器
信息码的产生则只需在信息码时钟mess_clk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。
信息码发生器原理图参见附录C图2。
（二）WALSH码调制与扩频
在数字基带系统中，Walsh码调制可以简单的用同或门来实现（详见本论文附录C的CDMA基带收发系统―调制部分图4）。
而PN扩频则可通过简单的异或门实现（详见本论文附录C的CDMA基带收发系统―调制部分图3）。
（三）CDMA基带收发系统内部结构
CDMA基带收发系统内部结构框图如图6所示。
从图中可以看到整个CDMA基带收发系统中4路信息的传输过程。
在发送部分分别产生4路信息，Walsh码和PN码，并用Walsh码调制4路信息，PN码扩频，最后通过基带求和，并串转换发送出去。
四、硬件部分
本部分设计主要由两大部分组成，即FPGA与A/D转换器。
FPGA的主要功能是实现4路信息信号的扩频、编码调制。
A/D转换器则是将模拟信号转换成数字信号。
本部分的硬件原理图参见图7。
FPGA（FieldProgrammableGateArray）是近几年出现的新型可编程逻辑器件,它不仅具有很高的速度和可靠性,而且具有用户重复定义的逻辑功能,即具有可编程的特点。
它的出现不仅使数字电路系统的设计非常灵活,而且大大缩短了系统研制周期,缩小了数字电路系统的体积和所用芯片的种类。
因此,利用FPGA器件设计本设计中的码发生器和码调制器，不仅使电路设计大大简化,而且具有相当高的精度。
Altera公司生产的EPF10K系列的FPGA,具有规模覆盖范围广、布线资源丰富、时间可预测性好的优点,在数字通信系统设计中得到了广泛的应用。
考虑到方案的性价比以及将来的功能的增加,本方案的FPGA选用EPF10K10TC144-4芯片,实现了系统的单片设计,从而大大减小电路的复杂度和体积。
ADC0809是CMOS单片型逐次逼近式A／D转换器，它由8路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、8位开关树型D／A转换器、逐次逼近寄存器、三态输出锁存器等其它一些电路组成。
因此，ADC0809可处理8路模拟量输入，且有三态输出能力，既可与各种微处理器相连，也可单独工作。
输入输出与TTL兼容。
ADC0809的工作过程是：
首先输入3位地址，并使ALE=1，将地址存入地址锁存器中。
此地址经译码选通8路模拟输入之一到比较器。
START上升沿将逐次逼近寄存器复位。
下降沿启动A／D转换，之后EOC输出信号变低，指示转换正在进行。
直到A／D转换完成，EOC变为高电平，指示A／D转换结束，结果数据已存入锁存器，这个信号可用作中断申请。
当OE输入高电平时，输出三态门打开，转换结果的数字量输出到数据总线上。
最后将MAX+plusⅡ软件程序下载到FPGA中，实现CDMA数字基带收发系统中的4路信息信号的扩频、编码调制。
系统首先将模数（A/D）转换器转换得8位数字信号通过Walsh码调制、PN码扩频、基带求和与并串转换后发送出去，接收端通过相反的过程，解调出原数据信号，再通过数模（D/A）转换器，还原出原模拟信号。
图7硬件部分PCB图
五、电路中延迟带来的问题和解决方案
1.硬件延迟带来的问题及解决方案
硬件不可避免的有延时问题。
为了消除它带来的影响，在编码端，用时钟的上升沿触发，在解码端用下降沿触发。
这是利用数字器件的触发特性，使编码时钟相当于提前了半个时钟。
因此得以改善延时问题，提高通信质量。
2.串并变换带来的延时及解决方案
系统设计中比较难的一点就是时延问题，因为在此实验中要求PN码、Walsh码与原输入信号应该比较严格对齐，但是其中的一些时延又是不可避免的。
硬件本身的时延比较小容易解决，但是串并变换时的时延是大于1个周期的，因为在并串变换中必须等到3路信号的串序码全部到来时才能完成串并变换。
因为在解调时，PN码、Walsh码和输入信号必须是一一对应的，所以在实现时我们将PN码、Walsh码进行延时处理，将所有的码字顺序后延，使所有的信号及码字重新－一一对应起来。
在本系统中，为了验证解出的码字与原信号是否相符，我们将原信号作一定的延时，以有利于比较。
在延时的实现中充分利用VHDL中SIGNAL的赋值特性（在赋值时都有一定的延时），可很容易实现码字的顺序后延。
六、调试
软件与硬件部分的设计完成以后，我开始进行调试。
首先将VHDL语言程序通过下载线和电路板上的下载端口下载到EPF10K10TC144-4芯片当中，然后开始一步一步针对各器件进行调试。
A/D转换器的调试过程为：
首先输入3位地址，并使ALE=1，选通8路模拟输入之一到比较器，在输出端接示波器，观察结果。
其他各元件测试过后，对整个系统作整体调试，在系统输出端口接示波器观察波形，直至波形与预期结果一致。
七、结束语
CDMA（码分多址接入技术）为第三代移动通信技术的主流技术。
第三代移动通信系统以强大的通信能力，融合语音、视频和数据，向人们提供丰富的多媒体业务，满足市场日益增长的移动通信需求。
CDMA作为主流技术对这些服务的提供起到了关键性的作用，也正在成为一项全球性的通信技术。
通过此次设计完成CDMA数字基带收发系统的过程，我加深了对CDMA的扩频通信技术、码分多址技术和CDMA系统的理解，更深入地将现代数字通信理论知识与工程实
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