（信号与信息处理专业论文）混和扩频数据码分多址系统的设计和实现（中频和基带部分）.pdf

混合扩频数据码分多址系统的设计和实现 一中频和基带部分 摘要 混合扩频数据码分多址系统，是一个多进制直扩和跳频、码分多 址和频分多址混合的多点互连通信系统。系统采用模数混合电路实 现。中频和基带部分主要实现多进制扩频解扩功能。 本文从系统设计的角度出发，通过对各种系统设计方案做了比较， 得出了一一个最佳选择。另外，对系统的同步方案，也做了深入的探讨。 本文同时对硬件部分关键模块的设计进行了详细的论述。总结出 了系统设计的若干原则和硬件调测的一般方法。 特别地，本文对调试过程中出现的带通滤波器带宽选择的问题做 了深入了探讨，得到了个重要结论，并通过实践的检验，证明是完 全正确的。 此外，本文还对此系统的改进指出了个发展方向一中频数字化 方向，并提出了若干建议，以待进一步改进。 关键字： 码分多址多进制扩频混合扩频模数混合系统没训 h y b r i ds p r e a ds p e c t r u mc d m as y s t e m d e s i g na n di m p l e m e n t ( i n t e r m e d i a t e f r e q u e c y a n db a s eb a n d m o d u l e ) a b s t r a c t h y b r i ds p r e a ds p e c t r u m d a t ac d m a s y s t e m i sh y b r i ds y s t e mw h i c h a d o p t e dm - a r ys p r e a ds p e c t r u ma n dh o pf r e q u e n c yt e c h n o l o g y , c d m a a n df d m a t e c h n o l o g y t h i ss y s t e mw a si m p l e m e n t e dw i t hd i g i t a la n d a n a l o gc i r c u i t i n t e r m e d i a t ef r e q u e n c ya n db a s eb a n dm o d u l ec o m p l e t e d m - a r ys p r e a ds p e c t r u m f u n c t i o n f r o mt h ev i e wo ft h es y s t e md e s i g n ，ag o o dc h o i c ew a sm a d e t h r o u g h t h ec o m p a r eo faf e wk i n do fa c t a l s os y n c h r o n i z a t i o no ft h es y s t e mw a s d i s c u s s e d p r o f o u n d l y s o m e i m p o r t a n t m o d u l eo ft h eh a r d w a r e s y s t e m w a sd i s c u s s e d c a r e f u l l y , a n ds o m ep r i n c i p l eo fs y s t e md e s i g na n dm e t h o do fh a r d w a r e d e b u g g i n g w a s p u tf o r w a r d e s p e c i a l l y ，ap r o b l e ma p p e a r e d i nh a r d w a r e d e b u g g i n gw a s d i s c u s s e d p r o f o u n d l y , ac o n c l u s i o na b o u tt h e s e l e c t i o no ft h e b a n d p a s s f i l t e r s b a n d w i d t hw a sm a d ea n dw a s j u s t i f i e db y t h ep r a c t i c e f u r t h e r m o r e ，a h e w i m p l e m e n t m e t h o dw h i c hi si n t e r m e d i a t e f r e q u e n c yd i g i t a l i z a t i o nw a sp u tf o r w a r da n ds o m es u g g e s t i o nw a sg i v e n f o rf u r t h e r i m p r o v i n g k e yw o r d s ： c d m a ，m a r ys p r e a ds p e c t r u m ，h y b r i d s p r e a d s p e c t r u m ，s y s t e md e s i g n ，a n a l o g d i g i t a lm i x e d c i r c u i t 独创性( 或创新性) 声明 y5 8 s 4 3 3 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：丝熟丝i 日期： 童盆雌立：至q 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期问论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅：学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位 本人签名： 导师签名： 适用本授权书。 = i j i j ：2 坦丝i ：三翌 闩期：窆型垒21 圭盈 第一章混合扩频数据码分多址系统概述 码分多址c d m a 技术是当今通信领域最有应用前景的一种技术，众所周知 的3 g 移动通信的3 种方案c d m a 2 0 0 0 ，w c d m a ，t d s c d m a 全部采用c d m a 无线接入方式。这一先进的技术不但广泛应用在公众移动通信领域，而且还在 数据传输卫星通信以及遥控遥测空间通信等许多领域也得到越来越广泛的应 用。混合扩频码分多址系统就是c d m a 技术的典型应用。 1 1 扩频通信技术概述 1 1 1 扩频技术优点 扩频通信技术是一种与c d m a 技术密不可分的一种技术，他采用将传输信 息的频谱利用某个特定的扩频函数扩展后成为宽频带信号，送入信道中传输， 在接收端采用相同的扩频函数将其还原为窄带信息，从而得到一些扩频系统特 有的性能。如： 1 很强的抗窄带干扰能力由于扩频系统是在发端将窄带信号扩展为宽带 信号，如果在传输信道受到窄带信号的干扰。在接收端，通过解扩，可以将窄 带干扰信号扩展成宽带信号，干扰大部分被窄带滤波器滤除，从丽使其具有很 强的抗窄带干扰能力。 2 可进行多址通信通过合理的选择扩频码，可以实现多路用户删的码正 交。虽然扩频系统占用的带宽很宽，但是由于各个用户在同一时刻使用嗣一频 段通过不同的扩频码来区分用户，从而实现了码分多址。 3 安全保密山于扩频通信占用的带宽很宽，从而对系统可靠传输所受求的 发射功率也可以很低，甚至可以淹没在臼噪声当中，所以很难被检测和破解到。 另外，扩频通信使用伪随机序列码，接收端采用同样的码型，才能解出发送的 信号。伪随机序列码起到了加密码的作用。因此扩频系统具有天然的安全，保 密特性。 4 抗多径干扰在移动通信、室阻通信等通信环境下，多径干扰是非常严重 的，系统必须具有很强的抗干扰能力，才能保证通信的畅通。扩频技术具有很 强的抗多径能力，它是利用扩频码的自相关特性来达到抗多径干扰的目的，因 为各个多径信号是同源信号，当两径之间的延迟差超过一个码片时，其互相关 接近零，即不相关。在某些情况下，甚至可利用多径能量来提高系统的性能。 如r a k e 接收机就是使用的这一原理。 1 1 2 扩频通信技术的理论基础 扩频技术的理论基础可以用s h a n n o n 信道容量公式 c = w + l 0 9 2 ( 1 + s n ) ( b i t s ) 来描述。由该公式可以推出：在信道容量不变的情况下，增加系统传输带宽w 等价于提高系统信噪比s n 。即为了实现系统的无差错传输，可以用系统带宽 换取信噪比。在低信噪比的条件下，通过增加系统带宽可以得到系统传输的要 求。这一点对于功率受限系统有相当大的意义。在一个功率受限的系统中不 能通过提高系统的信噪比来满足系统的传输要求，这是就需要采用扩频技术增 加系统的带宽来满足传输的要求。 1 1 3 扩频通信系统的分类 扩频通信系统按照其工作方式可以分为三类：直接序列扩频( d s ) 系统、 跳频( h f ) 扩频系统、跳时( h t ) 扩频系统。 直接序列扩频通信系统是利用二进制伪码序列( p n 码) 直接和待传送数字 信息相乘，然后再调制成射频信号，发送出去。由于p n 码的码速率非常高， 所以待传送的数字信息带宽被扩展得很宽。 跳频扩频系统是利用伪随机序列控制通信系统的发射频率，使其不停的跳 变，以提高抗干扰能力。由于其跳变的范围很宽，所以所占的带宽也很宽。跳 频系统按照跳变的速率分为慢跳频和快跳频。慢跳频是指跳频迷率低于信息比 特率，即连续几个信息比特跳频一次。快跳频则指跳频速率高于信息比特率， 即一个信息比特内，跳频一次以上。 跳时扩频系统是用伪随机序列( p n 码) 控制信号发射时刻利持续时问。 第2 页其5 2 页 1 1 4 扩频系统的同步 扩频系统的性能在很大程度上依赖于扩频系统的同步性能，扩频系统的同 步包括两方面的内容“j ： ( 1 ) 载波同步在相干解调时，需要提供相干载波，载波同步提供相干解 调的载波信号。当然，在非相干解调下。不需要载波同步。 ( 2 ) 扩频码片同步扩频码片同步指信号接收端的本地码和发端码片之间 的相位同步，扩频同步分两步：信号的同步捕获和信号的跟踪。 1 1 4 1 信号的同步捕获 信号的同步捕获又称粗同步，目的是使本地产生的码片相位和接收到的信 号的码片相位保持在一定范围内一致。一般有四种方法i l 】f 2 ： ( 1 ) 串行相关法，又称顺序搜索法或相位滑动法。这种方法是使本地码的 相位滑动变化，和接收到的信号做相关运算。由于扩频码的选择要求有良好的 周期自相关性能。即在码片相位不一致时，相关值非常小，而在码片相位一致 时，相关值远远大于不一致时的相关值。在实际的接收机中，我们一般根据伪 码的周期性自相关曲线，设定一个闽值，当相关器的输出大于阈值时，就认为 完成了码片粗同步。这种方法适合对捕获时间要求不严格的场合。如果码很长， 则相关运算的时问会很长。其原理框图如下： c i ( t t ) 卅剐 讽整 | 幽1 1 串行相关法捕获框图 ( 2 ) ，f ：行相关法。这种方法是采用若干不同相位的本地码同时和接收到的 信号做相关运算，在所有相位都存在的情况下，认为相关值塌大者为与发送码 同步的水地码。这种方法适合对捕获时问要求比较严格，而且码的长度不是很 长的场合。因为多路相关器并行工作，会占用很大的资源，如果码很长，则相 位很多，占用的资源会很大。当然，在设计时还可以采用一些变通的办法，如 相关器复用的方法，但这种方法是以工作频率的提高为代价的。其原理框图如 第3 孤共5 2 撕 北京邮 u 大学j ! f 究生毕业论文 下图1 。2 所示： c i ( t t ) c i c r n 1 、1 训 选 取 最 大 值 图1 2 并行相关法捕获框图 ( 3 ) 匹配滤波器法。匹配滤波器法是在公众移动通信系统中常用的一种方 法。它采用p n 码匹配滤波器对接收到的信号进行匹配滤波，根掘输出来判断 本地码的相位是否与发端码的相位达到了同步。这种方法对匹配滤波器的时延 要求比较高，一般采用声表面波滤波器来实现。采用这种方法的缺点是对于长 码的匹配滤波器，用硬件难以实现。所以有时候采用短截码的匹配滤波或采用 数字信号处理的方法来实现。 ( 4 ) 前置码( 同步头) 法。这种方法是在发送的信号里发送同步指示信号， 收端根据同步指示信号完成同步。这种方法适合有多路信号传输的场合。菜一 路发送指示信号，不扩频或容易解扩。而其它几路直接解扩同步比较繁琐，利 用导频( 同步) 信道的同步信息( 同步头) 解扩。象2 5 g 和3 g 移动通信系统 都采用了这种设计方法。 ( 5 ) 另外，还有一种方法，精确时钏一法，即发送端和接收端采用相同的时 钟，且精度很高。在某个时刻，发端和收端的码形是已知的，jp n 码形足和 时问相关的，利用时划的相关性和同一性来完成相位同步。这利，方法对设备的 要求比较高且很少使用。 扎威i ”i u 人1 l j f 宄小卢业沧义 1 1 4 2 信号的跟踪 信号的跟踪又叫细同步。一般采用超前一迟后跟踪环来实现，超前一迟后 跟踪环根据其构成两类p j ：( 1 ) 延迟锁相环( d l l ) ( 2 ) t 型抖动环( t d ，) 。 d l l 也被称为全时间超前一迟后码跟踪环，而区别于d l l ，t d l 被称为时问共 享超前一迟后跟踪环。在这两种基本形式之上，又出现了一些变体，如：( 3 ) 双抖动环( d d l ) ( 4 ) 和差乘积d l l ( p s dd l l ) ( 5 ) 修f 的跟踪环( m c t l ) 。 这些跟踪环都可以用非相干和相干两种方式来实现。方式的选择通常取决于跟 踪过程中是否知道载波相位变化信息。 全时间d l l 跟踪环分为相干和非相干两种结构，下图1 - 3 给出了一种全时 间非相干d l l 结构。这种结构很适合于使用p n 序列调制b p s k 信号的场合。 即在频带完成同步的场合。其中，p n g 用来产生超前和延迟p n 码。 p n 参考信号 蚓1 3 川予提取p n 参考信号( 为解扩目的) 的一种非相干d l l ( t o = 码片持续时间，t d 是估计延迟) 全时删相干d l l 跟踪适用于可以对接收到的信号进行相干接收的场台，凶 此跟踪是在基带上完成的。图l 一4 给出了一种全时间相干d l l 跟踪的框图，误 差信号e 0 ( t ) 被环路滤波器平滑后得到e ( t ) 。 全时间超前一迟后d l l 跟踪系统被广泛应用于扩谱系统中，但是它有一个 主要问题，那就是超前和迟后信道必须精确平衡，若不平衡，则即使跟踪误差 为零，d l l 输出也不为零。除了不稳定因素外，相位检测增益系数为k i ，滓1 ， 2 也是可能导致不平衡的原因之一，这个问题可以通过超前和延迟码时m 共享 一相关器来解决，这也是t 型抖动跟踪环的原理。在抖动中，输入信弓会交粹 地与超前或迟后码相关。其原理框图如图1 5 所示： 2c o s f w o t + o ( t ) l c ( t - t d + a 2 ) 阁1 4 全时间相干d l l 跟踪环路 r ( t ) = s r ( o + t _ 1 j r 三团回晶 刚1 - 5 全时问相干d l l 跟踪环路 其中，q ( t ) 波形如下幽1 - 6 所示，其中，抖动频率f = i 2 t p 儿j ；! _ i j 眦i u 人学 i j | ，it h k 论迎 j 1 厂 厂。 一1uu 7 一一k l 幽1 6 抖动控制波形 1 1 5 多进制扩频技术( m - a r y s s ) 多进制扩频是利用m 个码序列进行m 进制的信息传输。其特点是即能保 留扩频系统的特点，又能压缩传输频带。另外，它又可以被理解为一种多进制 正交编码。有些文献 5 3 l 把它作为窄带扩频的基础。采用多进制扩频技术，使 得采用窄的带宽也能获得大的扩频增益。从频谱利用率的观点来看，这意味着 以设备复杂性为代价，减少带宽，可以获得同样的系统总增益。 1 1 5 1 多进制扩频调制解调 产生多进制扩频码的框图如下川： 幽l - 7 多进制扩频腺理幽 当采用p s k 渊制时，第i ( i = 1 ，2 ，m ) 个码组的已调信号可写为 s ( u ，t ) 一伍：g ( ，一j t , , ) c o s w 。， 式( 1 1 ) 其中，p 为信号功率。 u i = ( u i 0 ，u i l ，u i 2 ，u i k - 1 ) 是第i 个码组所对应的码序列。 g ( t ) 足子码的波形函数，满足 第7 页共5 2 负 t p g 2 ( t ) d t = t p 由于多进制扩频属于一种多进制正交编码方法。根据最小似然概率准则， 可以构造出多进制解扩的相关接收框图，如图i 8 所示： 在常规的通信系统中，二进制改成多进制，误码性能会下降( 如m p s k ) 。但在 多进制扩频系统中，只要合理的设计码序列。使其具有良好的相关特性，就不 会因为采用多进制而比二进制带来额外的损失。这是因为在多进制扩频系统中， 设计的码序列如果合适，码之间是正交的，增加进制数，等价于增加码空间的 维度，但是，扩频码之问的距离不会减小，所以误码性能不会下降，这一点类 似于m f s k 系统。甚至t 可以认为多进制扩频系统就是一个m f s k 系统，只是 m f s k 系统的维度是由频点个数区分的。而多进制扩频系统是由j _ f 交码的个数 区分的。 g ( t - j t p ) c o s w o t 图t 8 多进制解扩原理幽 1 1 5 2 多进制扩频误码性能 在文献 6 1 1 7 1 - ，给出了等概m 进制正交信号非相干检测时的误码性能为 删百l x p ( 一知) ，( - ( 嘉 其中，( 7 ) = 万捣是标准二项分前j 系数，表示m 个码完中发生j 个码 元错误的组合数日。 。 在文献p ，给出了m 进制扩频编码的相干相关解扩差错概率推导。这q 只给出结果： 纠一去气知j 乒f f k - f 。，出 其中，丁= ( 1 0 9 2m ) 4 e h b = 泰= 晶删吖 式1 - 5 ) 瓦= ：。妃= 百7 x 2 n - j 式( 1 6 ) 一个扩频编码对应l o g ：m = n ( b i t ) 信息数据。所以，m 进制扩频编码的相干相 关解扩的数据比特误码率为： 耻去簧只 一f z + 2 ( 1 0 9m ) e 6 一、 去，2 丢咖 二 产二 f ，出 翮引 1 1 5 3 多进制扩额的改进技术 如果m 进制扩频使用正交扩频编码和它的反相编码，则能使用的1 r 交扩频 编码状态山m 个变成2 m 个。数据传送能力山l 0 9 2 m 变成1 + l o g ：m 。接收机 只需要m 个相关器和相应的极性判别器即可。这种方式称为二相( 正反) 多进 制扩频方式。其比特误码率为： 枷夺忑ip ，2 t 一蜊掣】) ( 叫 姗 肌g = 而， = 等枷+ i ) 一j o g ，m 在多进制扩频技术和二棚多进制扩频技术的基础之上，又有文献副又提出了 有更高信息传输能力的并行组合扩频的c d m a 通信方式。如下图1 9 所示： p n l p n 2 p n m ，1 ：i 最 1 多 大 2 。 进 口。 值 r 判 l 伟 ： 译 。 ! 决 ： 器 r l 码 叶i p - r 器 p n m 图1 - 9 并行组台扩频的c d m a 通信方式 1 2 码分多址系统概述 多址方式是多个用户采用同一媒体相互通信的方式，常用的多址方式有： 时分多址( t d m a ) ，频分多址( f d m a ) ，码分多址( c d m a ) 等。码分多址 作为多址方式的一利，相对其它方式能够提供更大的系统容量：1 9 9 1 年w i l l i a m c yl e e 在i e e et r a n s ，o nv e h i c u l a rt e c h n o l o g y 上发表“o v e r v i e wo fc e l l u l a r c d m a ”一文，论证了在蜂窝移动通信中具有功率控制的c d m a 系统容量是 f d m a 方式的2 0 倍，t d m a 方式的4 倍的结论【8 j 。这一结论是第三代移动通信 系统广泛采用c d m a 方式的理论基础。 码分多址系统按照其工作方式分为两种：同步码分多址( s - c d m a ) 系统 和异步码分多址( a c d m a ) 系统。 在同步码分多址系统中，所有用户的地址码在接收点是同步的，采用的地 址码是正交码( 如w a l s h 码) ，在理想条件下，各个用户之问不存在多址二i 二扰。 典型的例子是第三代移动通信系统的下行链路，采用的是同步码分多址方式。 异步码分多址方式又称随机接入多址方式，各用户地址码在接收点不一定 保持同步关系，因此存在多址干扰但实现较同步方式容易，尤其对移动通信接 入控制等均比较容易实现。扩频码采用m 序列码或者g o l d 码。典型的例子是 第三代移动通信系统的上行链路，采用的是异步码分多址方式。 1 3 系统设计概述 1 3 1 系统设计方法概述 系统设计是一项复杂而艰巨的工作，系统设计的目标是选择以最合理的方 式来完成客户需求。一个合理的设计的目标不是单纯的追求性能最高，而是在 定成本条件下的最高性能。特别是商用化系统更需要在成本和性能之间达到 一个最佳和平衡。 系统设计的主要步骤分为： ( 1 ) 客户需求分析。客户需求分析的目标是分析客户的性能需求和成本定 位，制定项目规范书，作为系统设计的指导性指标。 ( 2 ) 系统方案设计。根据客户需求设计系统方案。能达到客户需求的方案 往往不是唯一的。可以将多个方案比较，找出可实现的性价比最高的方案。 ( 3 ) 方案论证。通过仿真的方式或者其他资料提供的数据对选定的系统方 案做出评价和估算。并且将关键数据与客户进行协商。必要时修改项目规范书， 修订方案。最终和客户达成一致。 ( 4 ) 硬件设计。设计系统硬件，对p l d 等在线可编程器件进行容量估算。 绘制系统的p c b 板。焊接元件。进行静态测试和动态测试。设计p c b 时要注 意考虑信号完艇性问题和电磁兼容性问题。 ( 5 ) 软件设计。系统软件的设计可以与硬件设计同步进行。必要时可以刈 硬件设计进行模块划分，几个模块并行设计。 ( 6 ) 系统调试和测试。进行系统分模块调试和系统连调，以发现设计问题， 北京；i u 人学删究叫- j h k 论史 对系统进行修改。测试的目标是通过极限情况下的测试，发现系统构设汁问题， 提高系统的可靠性和性能。这一过程往往会引起系统的硬件重新设计。所以就 要求我们在硬件设计时，尽肯能考虑全面。如果条件允许，可以在硬件设计完 成后制作实施前，采用e d a 设计工具对系统进行仿真。 1 3 2 数字系统概述 著名的摩尔定律曾经预言。：大约每1 8 个月，芯片的集成度提高1 倍，而功 耗下降1 半。几十年来，半导体集成电路的发展印证了它的正确性。数字系统 出于半导体集成电路的发展而迅速成长起来。 数字系统设订的目标仍然是选择以最合理的方式来完成需求。因此成本和 性能仍然是数字系统设计首先要考虑的问题。器件的选择同时关系到系统的成 本和性能，因此成为系统设计的首要考虑问题。数字器件的设计按其实现方式 一般可分为全定制方式和半定制两种。 全定制设计是一种基于版图级的设计方法。它要求设计者使用版图编辑工 具对晶体管的版图尺寸、位置及连线进行设计。这种方法可以设计出高速度、 低功耗、小面积的芯片。但这种设计的周期长，设计成本高，只适用于对性能 要求很高或批量很大的芯片。 半定制设计是一种约束性设计方法，它是在厂家预先设计的基本单元基础 上进行的二次设计。采用这种方法，可以大大缩短产品的开发时间和设计时间。 在有些情况下，为了把产品尽快推向市场，可以先采用半定制的方法，在短时 间内设计出产品，在占领市场的过程中再把经过验证的产品改用全定制方式实 现。这样，就可以降低产品开发的风险。 目前使用最广的两种数字技术是a s i c 和f p g a ，他们分别是用全定制设计 和半定制设计。 数字系统的设计方式可以分为：图形设计方式和基于硬件描述语占的设计 两种方式。 图形设计方法是设计规模较小的电路与系统时经常采用的方法，这种方法 直接把没计的系统用原理图方式表现出来，具有直观、形象的优点，尤其对表 现层次结构、模块化结构更为方便。图形设计方式要求设计：亡具提供必要的元 件库或宏单元，以供调用。因此图形设计方式适合描述连接关系和接口关系， 不适合描述逻辑功能。 基于硬件描述语言的设计由于其通用性强，可移植性好，而在数字系统硬 件设计中广泛使用，硬件设计语言目前成为标准语言的有两种，一种是v h d l 一种是v e r i l o gh d l ，他们都是i e e e 的标准。v h d l 语言是一利，全方位的硬件 描述语占，包括从系统到电路的所有设讨。层次。在描述风格_ j ：，v h d i ，支持结 构、数据流和行为三种描述形式的混合描述。行为描述以过程语句来表达，数 据流描述时问上是r t l 级语言的扩展，因此v h d l 几乎覆盖了以往各种语句捕 述语言的功能，整个自顶向下或自底向上的电路设计过程都可以用v h d l 来完 成。v e r i l o gh d l 是目前应用最广泛的硬件描述语言。v e r i l o gh d l 可以用来进 行各种层次的逻辑设计，也可以进行数字系统的逻辑综合、仿真验证和时序分 析等。v e r i l o gh d l 适合算法级( a l g o r i t h m ) 、寄存器传输级( r t l ) 、逻辑级 ( l o g i c ) 、门级( g a t e ) 和版图级( l a y o u t ) 等各个层次的设计和描述。 1 4 混合扩频数据码分多址系统概述 1 4 1 系统设计目标 混合扩频数据码分多址系统是一个专用的扩频通信系统。其设计目标是实 现相互分离的1 i 个节点通过无线信道收发数据，数据速率为6 4 k b s ，每个节点 可以同时向其他4 个节点发送信息，并且能同时接受其他四个节点的信息，各 个节点之问不能互相截获信息。系统的要求是具有高度的安全性、可靠性和保 密性。因此在这个系统中，我们采用直扩加跳频的混合扩频方式。利用扩频技 术本身具有的安全性和保密性达到系统设计目标，利用码分多址来保证各节点 之问的不能互相截获信息。 1 4 2 多址方案 在混合扩频数据码分多址系统中，混合是指f h 和d s 的混合，f d m a 和 c d m a 方式的混合。这个系统不同于普通的移动通信系统，普通的移动通信系 统采用的是b s m s 的方式。而这个系统没有中心站和移动台之分，完全是5 个 刈等的节点构成了一个全网状通信结构。这个结构可以化简为五个一点剥4 点 的单向通信链路，五个发送点的发送频段是正交的，采用f d m a 方式。五个接 收点的解扩的扩频码是正交的，采用c d m a 通信方式。系统总共可以提供的信 第1 3 砸共5 2 负 道个数是4 5 = 2 0 个信道。示意图如图1 - j 0 所示。 在这个示意图中，a ，b ，c ，d ，e 是相互需要通信的5 个节点。f l ，f 2 。f 3 ，f 4 ， f 5 分别为各个节点的发射频段。d l ，d 2 ，d 3 ，d 4 为各个节点接收信号的p n 码地 址。可见，通过这样的设计，可以圆满完成各个节点可以相互通信，并且不能 互相截获信息的要求。 1 4 3 混合扩频方案 豳1 1 0 多址结构示意幽 按照用户的需求，设计必须采用混合扩频方式。且跳频速率5 1 2 h o p s ，扩 频增益6 4 。系统扩频部分框图如图卜】l 所示。 为了在系统增益不变的情况下压缩系统带宽，设计中直接序列扩频采用4 进制正交扩频。而且，为了系统的设汁的简单和紧凑，解跳采用同步头法，并 且解跳的完成需要依赖扩频同步完成并且解出j 下确的数据。因此，在下面的框 图中，在接收端有一个反馈过程。 图1 11 混台扩频方案结构示意图 第二章发送模块的设计和实现 直扩模块包括基带扩频和中频调制两部分。基带扩频采用多进制直扩方式， 中频调制采用数字调制，中频调制频率为l o 7 m 。由于跳频解跳方式的限制， 直扩接收机的同步时间必须最长小于2 m s 。 扩频系统采用4 进制6 4 位扩频。由于数据速率为6 4 k b p s ，采用4 进制，l 0 9 4 = 2 ( b a s e = 2 ) ，2 个比特组成一个符号，则符号速率为6 4 k b p s 2 = 3 2 k b p s ，扩 频因子为6 4 ，则码片速率为3 2 k b p s 6 4 = 2 0 4 8 m 。 2 1 发送方案的设计 2 1 1 概述 直扩部分实现的目标是一点对四点的单向通信链路，类似于b s m s 的下行 链路通信方式，所以此系统采用同步码分多址方式，直扩发送采用4 进制f 反 码扩频，扩频因子选择为6 4 。由于采用正反码方式，所以每路信号占用2 个 w a l s h 码资源，四路信号总共占用8 个w a l s h 码资源。w a l s h 码长度选择 为与扩频因子相同为6 4 。扩频后的码片再经过大m 序列加扰，可以提高系统 的互相关性能。大m 序列选择和w a l s h 码等长的大m 序列码。在框图2 1 中，详细描述了系统发射机的工作流程。 2 1 2 扩频码型的选择 扩频码型的选择对系统的成败至关重要，因为扩频码的相关性能直接影响 着系统的相关性能，在文献1 2 j 上给出的仿真结果的基础上，此系统的p n 码采用 如下的选择方法： ( 1 ) 大m 序列码型的选择。大m 序列码是一种码长为2 的偶位码，一般 采用小m 序列加一位的方法生成。由于小m 序列的长度为2 一l ，1 的个数比 0 的个数多1 ，所以增加的一位为0 ，通常同一码长的m 序列的码型有许多种， 仿真结果表明，旧一长度的各种m 序列的码型加一位生成的m 序列码的性能 是相同的。本系统中，m 序列的生成多项式为：1 + x + x ( 4 ) + x ( 5 ) + x ( 6 ) 。 ( 2 ) w a l s h 码的选择。由于w a l s h 码可以很方便的由r a d e m a c h e r 函数生 成。所以本系统的w a l s h 码的选择是从方便硬件实现的角度选择的。在本系统 中，选择的w a l s h 码序号是：w a l 6 3 和w a l 5 6 ，w a l 3 l 和w a l 2 4 ，w a l 4 8 和w a l 5 5 ， w a l 3 2 和w a l 3 9 。 a b c d 幽2 - l 混合扩频码分多址系统中频及基带部分发送框图 2 1 3 载波生成方法 在本系统中，需要的发送载波表达式为c o s 2 矾f 和s i n 2 n f t ，其中f c = 7 0 m ， 为了方便系统设计，我们把正弦波用方波代替，完成载波和基带信号相乘的调 制后，再通过带通滤波器滤除高频分量，将方波变成证弦波。这种设计使得载 波相乘的没计也可以通过数字系统来实现。由c o s 2 n f , t 变为s i n2 巧乞，的9 0 度干h 移器也可以通过数字延迟实现。 2 1 4 乘法器的设计 在数字系统中，所有的信号都是以o ，l 表示的，而b p s k 调制的基带信号 使用1 ，一l 表示的。从下面的表格中，我们可以发现，集合f 0 ，”卜的加法运 算和集合 1 ，一l 上的乘法运算构成同构关系。 表2 - 1 集合同构关系表 因此，在数字系统中，加法运算就可以完成乘法器的功能。在实际使用中 由于我们需要集合 1 ，- 1 中的1 和一1 分别与集合 o ，1 ) 中的1 和。对应。因此 把加法运算改成同或运算，即模二加取反运算。 2 1 5m 序列的产生 产生m 序列的方法有两种9 1 ，一种是简单式移位寄存发生器( s s r g ) 如 图2 2 所示；另一种是模块式移位寄存发生器( m s r o ) ，如图2 3 所示。 时 l 到2 2 ( x ) = 1 + c l x + c 2 x2 + + c 。一i x ”一1 + 工“的s s r g 刍构 图2 - 3 厂( z ) = 1 + q f + c 2 2 2 + + g l 工”+ 工4 的m s r g 结构 s s r g 的状态矢量并不是按g f ( 2 3 ) 中a 的连续次幂产生的，而k l s r g 的 状念矢量却是按a 的连续次幂的顺序产生的。对于s s r 6 ，r 3 和r 2 的输出相对 于前一级延迟了一个比特，但在m s r g 中却不是这样。因为s s r g 输出存在。个 简单的递归关系：臼( i ) = c l a ( k 1 ) + c 2 a ( k 一2 ) + + e a ( k n ) ，k n ，c = 0 或1 ， 所以这种结构形式的线性反馈移位寄存器也称为斐波纳契( 一位首先研究线性 迭代的数学家) 结构：对于m s r g 结构形式的线性反馈寄存器而言，因为它和 伽罗瓦域的乘法和除法运算有关，而称为伽罗瓦结构。 把s s r g 的生成序列做镜像翻转就是m s r g 所产生的序列。 2 2 发送模块的实现 2 2 1 概述 发送模块除加法器外，其他部分都采用数字电路实现。在这个系统r h 我们使用f p g a 来实现数字部分的所有功能，并且设计全部采用v h d l 语矗实 j 儿。 f p g a ( 现场可编程门阵列) 是可编程逻辑器件，它是在p a l ，g a l 等逻辑器件 的基础之上发展起来的。同以往的p a l ，g a l 等相比较，f p g a 的规模比较火，它 可以替代j l 十甚至几千块通用i c 芯片。这样的f p g a 实际上就是一个子系统部 件。这种芯片受到世界范围内电子工程设计人员的广泛关注和普遍欢迎。经过 第1 9 负共5 2 负 北京j l l f f i u 人学_ | l j f 尤牛卢业i c ：义 了十j l 年的发展，许多公训都开发出了多种可编程逻辑器件。比段典掣的就足 x i l i f i x 公司的f p g a 器件系列和a l t e r a 公司的c p l d 器件系列。 f p g a 主要具有如下优点： 1 高性能 f p g a 多采用先进的c m o s 技术，具有非常低的功耗和相当高的速度。 2 密度逻辑集成 可以在若干平方厘米的面积内集成上万门甚至千万门的电路单元。 3 较短的开发周期 利用硬件描述语言及强大的开发环境，可以实现系统自顶向下的设计开 发，并完成设计的仿真，缩短了开发周期。 4 高性能价格比 5 标准功能模块 芯片内集成了如加法器、乘法器等若干常用的功能模块。从而缩短j ，这 些模块的设计时间，提高了设计的稳定性及通用性。 6 在系统可编程 器件提供在系统可编程的能力。从而实现了“软”硬件的全新概念。 在这令模块中，我们选用a l t e r a 公司的f l e x l 0 k l o 系列的e p f l o k l o l c 8 4 4 芯片。该芯片集成有1 万个等效逻辑门，含有5 7 2 个逻辑单元( l e s ) 、7 2 个 逻辑阵列块( l a b s ) 、3 个嵌入式阵列块( e a b s ) ，并具有7 2 0 个片内寄存器， 可以在不占用内部资源的条件下实现6 1 4 4b i t 的片内存储器；内部模块问采用 高速、延时可预测的快速通道连接；逻辑单元间具有高速、高扇出的级联链和 快速进位链；片内还有三态网络和6 个全局时钟、4 个全局清零信号以及丰富 的i o 资源；每个i o 引脚可以选择为三态控制或集电极开路输出，叫以通过 编程控制每个i o 引脚的速度以及i o 寄存器的使用。 使用的丌发软件为m a x + p l u si i 。该软件是一个集设计输入、编译、仿真 和编程为体的超级集成环境：提供了自动逻辑综合工具，可以在多个逻辑层 次上对高级设计描述进行综合、优化，大大缩短了编译时问，加速了f p g a 设 计开发进程。m a x + p l u s l l 支持各种h d l 输入选项，包括v h d l 、v e r i l o g h d l 和a l t e r a 的硬件拙述语言a h d l ；提供丰富的库单元供设计者调用，其中包 括7 4 个系列的全部器件和多种特殊的逻辑宏单元( m a c r o f u n c t i o n ) ，以及新型 的参数化的巨 任元( m a g a f u n c t i o n ) ，即l p m 库。 f p g a 设计经过4 个基本阶段：设计输入、设计编译、设计验证和器件编程。 在发送模块的没计中，我们采用自上而下逻辑设计方法。首先，将系统划分成 若干逻辑子模块。然后，进行各个予模块的逻辑设计，每个模块设计完成后， 进行波形仿真验证，包括功能仿真和时序仿真验证。最后，将各个子模块连接 起来生成一个顶层文件。顶层文件经过软件编译和自动和线以后，就刖以生 成可下载到f p g a 芯片内部的配置文件。 t b 于f l e x i o k 在工作期删，将配置数据保存在s r a m 中，而s r a m 数扼 是易失性器件。s r a m 单元必须在器件加电后装入配置数据，且配置究成后， 它的存储器和i o 引脚必须被初化。初始化后，器件进入用户模式，玎始系统 运行。对于f l e x l o k 系列器件，a l t e r a 公司提供了4 种配置方案：e p c i ( 或 e p c i 4 4 1 ) e p p o m 方式配置法、被动串行法、被动并行同步法、被动并行异步 法。对器件进行配置时，在调试阶段，采用被动串行法( p a s s i v es e r i a l ) 。这种 方式是通过下载电缆对器件进行配置的。当整个系统设计完成后，利用e p p o m 方式对器件进行配置。固化在e p r o m 中的数据将在系统上电时自动对f p g a 芯片配置，其中e p r o m 芯片选用e p c i 4 4 1 。 2 2 2f p g a 各子模块设计与仿真 f p g a 主要完成除加法器外的其他所有功能，在这个系统中，为了便于 实现，我们将f p g a 实现的数字部分划分成这几个子模块：时钟发生器模块、m 序列发生器模块、串并变换模块、测试序列发生器模块、输入数据选通模块、 扩频模块、中频调制模块。各模块之间的连接关系图如图2 - 4 所示。 其中，( 1 ) s c l k g e n 为时钟发生器子模块，用来产生系统的全局时钟。程 序时序仿真结果如下图2 - 5 所示 ”嘲栅棚删嘲嘲俨唧棚嘲嗍哪唧嘲舢棚嘲黼黼 nn h 熙鼎鼎翩照熙熙翱嘲碾嘲聪啊朋嗍啊硼啊腑酮嘲脯孤姗 鲫凹凹凹叩郅卿卿凹囡凹8 f | 必8 i 凹凹酆幽磐凹凹凹凹凹0 f i | 0 唧l i 舶面丽i i i 葡j i 斫i i 7 j 丽i i i i i j i i i j 0 1 丽而 邛凹凹凹凹凹凹凹凹凹凹凹口n n n n nn 】1 行) j h j l 葡n 并础萄葡并奠r 凹凹凹凹凹口nn 厅奠h h 1 奠奠确了 = ：2 = 。j ! = 5 = o j 2 o j 二= 型o i ! = = j l j _ o 一 l 蚓2 - 5s c l k g e n 子模块时序仿真结槊 在f j 图中，e x c l k 为外部输入时铡信号，在这个项目中，它的值为2 0 4 8 m 。 s c t 信引空制m 序列头和w a l s h 码码头的同步。o e 信号控制串并变换的输出时 间。其他输出时钟信号大部分被当作r a d e m a c h e r 函数，来产生w a l s b 码。 ：! 堕l 型! 叁竺坐些：业堡! 蜮 蛳 幽2 - 4 发送部分并子模块连接关系幽 第2 2 页共5 2 贝 旨 - 啉 珊 耀 g o 留 f lj 矗i n f u 人川f 宄小卢q k 涂迁 ( 2 ) t e s t s i g 为测试信号发生器子模块，用来产生直扩自环测试信号。程序 时序仿真结果如下图2 - 6 所示： _ ，_ c i i 矗i k 0 1 n n l l l l 0 兀几1 n n n n n n n n n n n 0 1 1 1 1 n n l 0 1 1 n n n l n l l n l l n l l l l l l l o l l 0 1 1 1 刚 u t e s t s q 叩 0 n 厂 n 厂 几r 几厂 n 厂 厂 几厂 几厂 门 o t e s t s q c l 0 厂|广厂厂厂厂厂厂f 岫 r e s t s q c 2 0 厂 厂 厂 厂 厂 厂 厂 厂 厂 - o ，t e s t s q c 3 o 厂 n 厂 n 厂 门厂 几厂 几厂 几广 门广