直扩与跳频技术的研究及其VHDL实现.doc

武汉理工大学毕业设计（论文）目录摘要 Abstract 1 绪论 11.1 论文研究背景及意义 11.2 国内外研究现状 21.3 论文主要研究内容 32 扩频通信系统的基本原理42.1 扩频通信系统的基本概念 42.2 扩频通信系统的基本模型 62.3 调制解调技术 62.4伪随机序列码 72.5 扩频通信系统的同步 83 直序扩频通信系统的设计与实现143.1 直序扩频通信系统的基本原理 143.2 直序扩频通信系统的VHDL设计 143.2.1 直序扩频通信系统发送模块的设计与实现 143.2.2直序扩频通信系统接收模块的设计与实现 173.3 直序扩频技术的matlab仿真 223.3.1 直序扩频技术技术特点的分析 223.3.2 抗干扰分析 253.4 本章小结 254 频率跳变扩频通信系统关键模块的设计与实现264.1 跳频通信系统的组成 264.2 跳频通信系统的设计 264.2.1 跳频图案的设计 264.2.2跳频通信系统同步模块的VHDL设计与实现274.2.3跳频通信系统频率合成器的设计314.3 本章小结 345 结束语355.1 论文小结 355.2后续研究工作的展望 35参考文献 36附录 37致谢 591 绪论 11 论文研究背景及意义 扩频通信，即扩展频谱通信(Spread Spectrum Communication)，它与光纤通信、卫星通信，一同被誉为进入信息时代的三大高技术通信传输方式。扩频通信是将待传送的信息数据被伪随机编码(扩频序列：Spread Sequence)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。这种通信方式与常规的窄道通信方式是有区别的： 一是信息的频谱扩展后形成宽带传输； 二是相关处理后恢复成窄带信息数据。正是由于这两大持点，使扩频通信有如下的优点1： (1)较强的抗干扰能力 扩频信号在空间传输时所占有的频率带宽相对较宽，而接收器采用码相关检测的办法来进行解扩，把有用的宽带信息信号恢复成窄带信号，而把噪声信号扩展为宽带信号，然后通过窄带滤波技术提取有用的信息信号。这样对于干扰信号来说，由于其与扩频的伪随机码不相关，则调制到一个很宽的频带上，使之在信号通频带内的干扰功率大大降低，相应的增加了系统的抗干扰性能。 (2)较强的安全保密性 扩频信号的频谱结构基本与待传输的信息信号并无关，主要由扩频码来决定。由于扩频系统将传送的信息扩展到很宽的频带上去时其功率密度随频谱的展宽而降低，甚至可以将信号淹没在噪声中，因此其保密性很强，要截取或窃听这样的信号是非常困难的，除非准确地知道所用的伪随机码的种类、码长和相位，对非线性码序列情况就更为复杂了。 (3)可抗多径干扰 在移动通信、卫星通信等现代通信环境下，多径干扰是常见的且非常严重的，通信系统必须具有很强的抗于扰的能力才能保证通信系统的顺畅2。扩频技术具有抗多径干扰的能力，其利用扩频所用的伪随机码的相关特性来达到抗多径干扰，甚至可以利用抗多径干扰能力来提高系统的性能。 由于扩频通信系统复杂，采用传统式的分立器件将存在体积大、功耗高的问题，同时模拟器件受环境影响的因素比较大，在实际设计中也难以实现。现有的专用集成电路，在扩频增益、数据传输率等方面难以达到要求，并且存在成本高、采购困难等弊端。随着微电子技术和电子设计自动化(EDA)技术的迅速发展，FPGA的容量、功能和可靠性都得到很大的发展，FPGA结构布局布线方便灵活，含有丰富的库资源，很容易实现各种电路设计和完成较复杂的运算，这非常有利于系统的全数字化实现。由于FPGA可软件升级，提高了设计效率，缩短了产品开发和市场之间的距离。因此，设计一个全部用FPGA技术实现的扩频通信系统也是非常具有研究意义的。而其中最重要的工作是用VHDL语言实现编程。 12国内外研究现状 121扩频通信技术的发展状况 扩频通信技术诞生得较早，从20世纪40年代起，人们就开始了对扩频技术的研究，其抗干扰性、抗窃听、抗测向等方面的能力早己被人们熟知。但由于扩频系统的设备复杂等多方面的原因，致使扩频通信技术一直都发展得较为缓慢。自50年代中期美国军方开始研究，扩频通信技术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20世纪60年代后，随着科学技术的迅猛发展，许多新型器件的出现，特别是大规模、超大规模集成电路、微处理器、数字信号处理(DSP)器件、扩频专用集成电路(ASIC)以及FPGA等这样的新型器件的问世，使扩频通信技术有了重大的突破和发展。到本世纪80年代初扩频通信技术开始被应用于民用通信领域。为了满足目益增长的民用通信容量的需求和有效地利用频谱资源，各国都纷纷提出在数字峰窝移动通信、卫星移动通信和未来的个人通信中采用扩频技术，扩频技术已广泛应用于蜂窝电话、无绳电话、微波通信、无线数据通信、遥测、监控、报警等系统中。 从国内来看，近十多年来，出于民用通信特别是陆地移动通信的迅速发展，扩频通信的研究也在不断深入。各大高校及一些科研机构都在进行这方面的工作，如清华大学、天津大学、北京邮电大学、西安电子科技大学、南京邮电大学等都在积极地开展扩频通信系统的研究。 从国外来看，军事通信技术的进步和发展，军工产品向民用产品的转化，直接推动了扩频通信理论、方法、技术等方面的研究发展和应用普及。 122 FPGA用于开发扩频通信系统发展状况 随着微电子技术的发展，设计与制造集成电路的任务已不完全由半导体厂商来独立承担。系统设计师们更愿意自己设计专用集成电路(ASIC)芯片，而且希望ASIC的设计周期尽可能短，最好是在实验室里就能设计出合适的ASIC芯片，并且立即投入实际应用之中，因而出现了现场可编程逻辑器件(FPLD)，其中应用最广泛的当属现场可编程门阵列(FPGA)和复杂可编程逻辑器件(CPLD)。FPGA芯片与传统的ISLD芯片(Programmable Logic Device)、PAL及GAL不同，具有类似于半定制门阵列的通用结构，即由逻辑功能块排列成阵列结构，并有可编程的互连资源连接这些逻辑功能块来实现所需的设计， 因此规模可以做得较大，可实现的功能更强，开发周期短、投资风险小、产品上市速度快、市场适应能力强、硬件修改升级方便，设计的灵活性也更大。其灵活性主要体现在以下的三个方面12： (1)对FPGA芯片设计完成后，可以立即通过下载电缆对其进行编程调试、验证，有利于及早发现设计中的问题，完善设计。 (2)基于SRAM或闪速EPROM开关的FPGA芯片在理论上可以无限多次的重新配置，从而为设计修改和产品升级带来了方便。 (3)基于SRAM开关的FPGA芯片具有动态重构特性，向FPGA芯片输入不同的配置数据即可实现不同的硬件功能13，在系统设计中引人了“软硬件”的全新概念，同时也是电子系统具有更好的灵活性和自适应特性。以Altera公司的高密度FPGA芯片APEX系列为例，其最大门数已达到数百万门。FPGA芯片中包含复杂的触发器资源，有些型号还具有片上RAM、内部总线等许多系统级的功能，因此完全可以实现子系统甚至系统的集成。就其互连结构而言，典型的FPGA芯片通常采用分段互连式结构，具有走线灵活，便予复杂功能的多级实现等特点，从而在很大程度上减轻了印刷电路板上器件的布局和走线负担14。目前，FPGA芯片已成为九十年代以来最受欢迎的器件之一。随着半导体制造工艺的不同提高，FPGA的集成度将不断提高，制造成本将不断降低，其作为替代ASIC来实现电子系统的前景将日趋光明。 13论文主要研究内容 如上文所述，扩频通信技术具有诸多优点，在军用和民用领域都有着广泛应用前景的原因。本设计研究的主要内容是基于VHDL语言的直接序列扩频通信系统的搭建及跳频通信系统核心模块的实现。并对其中的伪随机序列码及调制解调技术进行了研究和分析。 本论文的结构安排如下： 第1部分为绪论。介绍了课题的背景以及研究的意义，回顾了当前国内外相关领域的发展和研究现状，提出了本文的主要研究内容。 第2部分为扩频通信系统技术基础。介绍几种常用的扩频通信方式、扩频通信理论依据。给出扩频通信系统的一般模型，分析了扩频通信中所用的调制解调技术。 第3部分为直接序列扩频技术的matlab仿真。本部分旨在分析直接序列扩频技术的技术特点，并没有建立其具体的系统模型（此部分放在下一部分），而是直接对输入信息码进行matlab仿真。 第4部分为直接序列扩频通信系统设计。阐述直接序列扩频通信的具体框架实现和各模块的功能，确定各部分在实现过程中的位置、关系及所使用软件仿真平台。其中包括发送模块与接收模块的设计。直接序列扩频发送模块设计与实现主要包括m序列发生器、信息帧模块、扩频调制模块的具体功能分析和软件实现。直接序列扩频接收模块设计与实现主要包括位同步模块、解扩频模块、帧同步模块等各个功能模块的功能分析及软件实现，同样给出各个模块的仿真波形。最后，是对直接序列扩频通信系统的综合调试及性能分析。 第5部分为跳频通信系统设计。 此部分重点在于对跳频通信系统的频率合成器及同步模块进行设计与实现。最后，对本文研究工作进行总结和展望，探讨今后工作改进的方法。2.扩频通信系统的基本原理21扩频通信系统的基本概念 211扩频通信系统的分类 扩展频谱通信系统中，按其工作方式可以分为：直接序列扩展频谱系统(DS)、跳变频率扩展频谱系统(FH)、跳变时间扩展频谱系统(TH)、宽带线性调频系统(Chip Modulation)和混合工作方式系统。 (1)直接序列扩频系统(DSSS)：在发射端数字信号与高速的伪随机序列相乘，去直接控制射频的某个参量，扩展了传输带宽而得名。在接收端，把接收到的扩频序列与本地的伪随机码序列相乘以解扩展。 (2)跳频扩频系统(FHSS)：在发送端携带信号的载波频率受伪码发生器的控制，在比信息带宽宽得多的频带内按着一定的规律来伪随机地跳变。在接收端，接收机的频率合成器受伪随机码的控制，并保持与发射端的变化规律一致。 (3)跳时扩频系统(THSS)：跳时使用伪码序列来启闭信号的发射时刻和持续时间。发射信号的“有、“无同伪码序列一样是伪随机的。跳时一般和跳频结合起来使用，两者一起构成一种“时频跳变系统。 (4)以上三种基本扩频方式中的两种或多种结合起来，便构成了一些混合扩频体制，如FHDS，DSTH，FHTH等，它们比单一的扩频、跳频、跳时体制具有更优良的性能。 在通信中，用的最多的扩频方式就是直扩和跳频，本文所要设计的就是性能最好的直接序列扩频系统与跳频系统。 212扩频通信理论依据 扩频系统比一般的系统具有更强的抗多径干扰、抗人为干扰、抗窄带干扰的能力，此外还具有保密性高、低的空间无线电波通量密度等优点。其理论依据如下。 根据著名的香农公式：在白噪声干扰条件下，通信系统的信道容量为 C=Blg(1+S/N)(bits) (1)其中B为信道带宽(Hz)；S为信号平均功率(W)；N为噪声平均功率(W) 从上面的式子可以看出： (1)要增加系统的信息传输速率，即增加信道容量，可以通过增加传输信号的带宽(B)或增加信噪比(S小)来实现。(2)对于一个给定的信道容量而言，既可以用增大信道带宽同时相应降低信噪比的办法达到，也可以用减小信道带宽同时相应增大信噪比的方法实现。这就是说：信道容量可以幂l用带宽和信噪比的互换而保持不变。 (3)当带宽增加到一定程度后，信道容量C不可能无限制地增加。 为了提高信息的传输速率C，可以从两种途径实现，即加大带宽W或提高信噪比S/N。换句话说，当信号的传输速率C一定时，信号带宽W和信噪比S/N是可以互换的，即增加信号带宽可以降低对信噪比的要求，当带宽增加到一定程度，允许信噪比进一步降低，有用信号功率接近噪声功率甚至淹没在噪声之下也是可能的。扩频通信就是用宽带传输技术来换取信噪比上的好处，这就是扩频通信的基本思想和理论依据。 因此，在无差错传输的信息速率C不变时，如信噪比很低(SN很大)，则可以用足够宽的带宽来传输信号。 213扩频通信系统的性能指标 扩频通信系统由于在发送端扩展了信号频谱，在接收端解扩还原了信息，这样的系统带来的好处是大大提高了抗干扰容限。理论分析表明，各种扩频系统的抗干扰性能与信息频谱扩展后的扩频信号带宽比例有关。一般把扩频信号带宽W与信息带宽F之比称为处理增益，即： （2）它表明了扩频系统信噪比改善的程度。除此之外，扩频系统的其他一些性能也大都与有关。因此，处理增益是扩频系统的一个重要性能指标。系统的抗干扰容限定义如下：-+ (3) 式中：= 输出端的信噪比， = 系统损耗由此可见，抗干扰容限与扩频处理增益成正比，扩频处理增益提高后，抗干扰容限大大提高，甚至信号在一定的噪声湮没下也能正常通信。通常的扩频设备总是将用户信息(待传输信息)的带宽扩展到数十倍、上百倍甚至千倍，以尽可能地提高处理增益。22扩频通信系统的基本模型 图1为扩频系统原理图，信号经过第一次调制信息调制(如信源编码) 成为数字信号，再进行第二次调制扩频调制，即用一扩频码将数字信号扩展到很宽的频带上，然后进行第三次调制，把经过扩频调制的信号搬移到射频上发送出去；在接收端，接收到发送信号后，经混频后得到一个中频信号，再用本地扩频码进行相关解扩，恢复成窄带信号，然后进行解调，将数字信号还原出来。 在接收的过程中，要求本地产生的扩频码与发端用的扩频码完全同步。 图1 扩频系统原理根据扩展频谱的方式不同，扩频通信系统可分为：直接序列扩频（DS）、跳频（FH）、跳时（TH）、线性调频以及以上几种方法的组合。对于直接序列扩频通信系统指直接用高速率的伪随机码序列在发送端去扩展信号的频谱。在接收端，用相同的伪随机码序列进行解扩处理，把展宽了的扩频信号还原为原始信号的通信系统。用于扩展频谱的伪随机码序列称为扩频码序列。23调制解调技术 我们知道在进行远距离的通信的时候，一般需要把基带信号搬移到更高的频段之上，以适应带通信道的一种传输方式，这就是调制；而把基带信号从载波上恢复出来的过程，就是解调。数字调制过程就是用二进制数据信号控制载波的幅度、频率和相位，通常称为键控。按照基带数字信号对载波的振幅、频率和相位等不同参数所进行的调制，可把数字调制方式分为三种基本类型：幅移键控(ASK)，频移键控(FSK)和相移键控(PSK)。 振幅调制是最早应用的数字调制方式，它是一种线性调制系统。其优点是设备简单、频带利用率高，缺点是抗噪声性能差，而且它的最佳判决门限与接收机输入信号的振幅有关，因而不易使取样判决器工作在最佳状态。但是，随着电路滤波和均衡技术的发展，多电平调制技术越来越受到人们的重视。 频移调制是数字通信中的一种重要的调制方式。其优点在于抗干扰能力强，缺点是占用频带较宽，尤其是多进制调频系统，频带利用率低。此前主要应用于中、低速传输系统中。 相移键控，就是根据数字基带信号的两个电平使载波相位在两个不同的数值之间切换的一种相位调制方法。就是用二进制信号去控制载波的相位，来达到通信的目的。 在数字通信的三种调制方式(ASK、FSK、PSK)中，就频带利用率和抗噪声性能(或功率利用率)两个方面来看，理论上都是PSK系统最佳。所以PSK在中、高速数据传输中得到了广泛的应用。 扩频通信用的一般都是此种调制方式。 数学解调是数字调制的逆变换，解调的方法必须与调制方式相适应。凡是涉及相位的解调，必须采用相干或差分相干解调，而振幅调制与频率调制可以采用相干解调，也可以采用相干解调。无论哪一种调制方式，采用相干解调的性能优于非相干解调的性能。 24 伪随机序列码 用来扩展频谱的码字称为扩频码，它对扩频系统性能起着非常重要的作用。在Shannon编码定理中提到，应采用具有白噪声统计特性的码字来编码。具有与随机噪声统计特性相似的有限长的周期性的码序列就是伪随机序列码。工程上常用二元0，1序列来产生伪随机码。它具有如下特点；(1)每一周期内0和1出现的次数近似相等；(2)每一周期内，长度为n比特的游程出现的次数比长度为n+1比特的游程次数多一倍；(3)序列具有双值自相关函数。通信中用到的伪随机序列有m序列、Gold序列、Walsh序列等。24.1 m序列m序列是最长线性移位寄存器序列，有优良的自相关特性，称为伪噪声序列（PN序列）。伪的含义是指m序列码是周期性的序列，易于产生和复制，但它的随机性接近于噪声或随机序列。它由多级移位寄存器和其延迟元件通过线性反馈产生的最长的码序列。在二进制移位寄存器中，若n为移位寄存器的级数，n级移位寄存器共有个状态，除去0状态外还有-1种状态，因此这能产生的最大长度的码序列为-1位。产生m序列的线性反馈移位寄存器称作最长线性移位寄存器。产生m序列的移位寄存器的电路结构，其反馈线连接不是随意的，m序列的周期P也是不能取任意值，而必须满足：P= - 1 (4)式中，n是移位寄存器的级数。 本文用的伪随机码就是m序列。24.2 Gold序列Gold序列是一种基于m序列优选对的码序列。m序列优选对是指在m序列集中互相关函数最大值的绝对值最接近或达到互相关值下限的一对m序列。Gold序列具有良好的自相关性和良好的互相关特性。它是m序列的组合码，是由两个码长相等、码时钟速率相同的m序列优选对进行逐位模2加得到的。Gold序列虽然是m序列模2加得到的，但已不是m序列，不过它具有与m序列优选对类似的自相关和互相关特性，而且构造简单，产生的序列数多。在Gold序列的构造中，当改变其中一个m序列的相位时，可得到一个新的Gold序列。当相对移位(-1)比特时，可得到一族(-1)个Gold序列。再加上原来的两个m序列共有(+1)个Gold序列。由于Gold序列的这一特性，使得族中任一码序列都可作为地址码，其地址数大大超过了用m序列作为地址码的数量因而得到广泛的应用。24.3 Walsh序列Walsh序列是一个正交序列，它具有良好的自相关和较好的互相关特性。它是一个正交函数系，在该函数系中，任意函数两两正交。它应用于通信领域中的纠错码、保密编码等，也是一种很重要的扩频序列码。Walsh序列可用哈达玛矩阵来产生。2.5扩频通信系统的同步 在以上DS系统模型的基础上，为使信号能正确接收和恢复，必须考虑的重要问题是同步问题。在同步通信系统中，同步是进行信息传输的前提，可以说同步系统的性能的好坏会直接影响通信系统性能的好坏。同步问题分为：载波同步、位同步、伪随机序列同步、帧同步等。 (1)载波同步。即是接收端相干载波的获取，它是实现后面环节的先决条件。在相干解调中，首先要在接收端恢复出相干载波，这个相干载波应与发送端的载波是频率相同，相位相同或者保持某种特定的关系。进一步说，载波同步是在接收端以接收信号为依据，产生或从接收信号中提取出与载波信号同频且相位保持固定关系的载波信号，便于下一步解调。 (2)位同步。位同步是所有信息传输必不可少的环节，因为消息是一串相继的信号码元的序列，由于传输信道的不理想，传输过程中存在着各种干扰，多径效应，多普勒效应等，接收端接收到的波形是混有噪声和干扰并存在时延的信号波形。因此在解调时常常需知道每个码元的起止时刻。这就需要在接收端产生一个与接收码元同频同相的定时时钟脉冲，在此前提下进行信号的解调和解扩。 (3)伪随机序列同步。直接序列扩频通信中，还存在着伪随机序列的同步问题。在伪随机序列同步是在解扩频前进行的。要正确地解扩频恢复信息最重要的一点是接收机中的伪随机序列码与接收到的信号中的伪随机序列在顺序上和相位上必须是完全相同的。因为信号的解扩是用相关运算来进行的，由相关性原理可知，伪随机序列只与其本身有极大的自相关性，它与其它序列的相关运算后无法提取当中的信息。因此，在信号解扩之前还须先经过伪随机序列的同步。 (4)帧同步。为便于信号的接收和解调，发送前还须对待传信号进行包装，把信号分组，按组将一种可识别的码序列插入每一组信号中适当的位置上，形成一个可解的信息包。因此在扩频调制前先对信号进行帧结构的封装，将信号以帧的形式进行传输。这样在接收端按帧来接收，并以帧为单位进行解封装，获取一组信号，把接收下来的每一组信号联结起来形成完整的接收信号。正因为信号是按帧结构进行传输的，所以信号在解扩后按帧结构进行解封装，同理也要进行相应的同步过程即帧同步。 由上可见，通信系统中还应该包含有各种同步环节。只有当解决了各个环上的同步问题后，接收端才能获得较低的错误概率恢复出数字信号。 对于常规数字通信，接收端有了相干载波，即可解调出基带数字信号，然而对于扩频信号，首先要完成解扩才能进行解调。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。对于约定好的收、发方用同一个伪码很容易办到，但是，如果要从解扩相关器得到传送的同的伪随机码，仅仅保证一样的码型是远远不够的，因为即使相同的伪随机码， 当相位差大于一个码片时，它们的相关峰就完全消失。所以扩频信号的同步是扩频通信的关键技术，其性能的好坏直接影响到系统的性能和可靠性。本文重点介绍扩频序列的同步。 因此直扩系统除了有一般数字通信系统的载波同步、位同步、帧同步外，还有它特有的伪码同步。要求收发双方不仅时钟频率要对准，而且要求码序列起点要对齐，即在接收端产生一个与发送端同步的伪码，并跟随发送端伪码的变化而变化。对于直扩系统只有在完成扩频序列的同步后，才可能用同步的PN码序列对接收的扩频信号进行相关解扩，把扩频的宽带信号恢复成窄带信号，以解调出传送的信息数据。也就是说只有在接收机将本地产生的伪码和接收信号中调制信息的伪码实现同步以后，才有可能实现直序扩频通信的各种优点。因此，伪码同步在扩频通信中是很重要的、不可缺少的一部分，人们也花费了大量的精力来研究扩频系统的同步问题。 伪码同步一般分为两步进行，一是同步捕获(又称粗同步)，主要是捕获伪码。接收机在一开始并不知道对方是否发送了信号，因此需要有一个搜捕过程，即在一定的频率和时间范围内搜索和捕获有用信号，找到接收信号中伪码的起始相位，使收端伪码与发端伪码的相位差小于二分之一个码元；二是同步跟踪(又称精同步)，一旦完成捕获后，则进入跟踪过程，即继续保持信息，仅仅保证一样的码型是远同步，不因外界影响而失去同步。也就是说，无论由于何种因素两端的频率和相位发生偏移，同步系统能加以调整，进一步减小收端码元与发端码元的相位误差，一般误差要小于十分之一码元时间，并使收端码元跟踪发端码元的变化。 同步捕获的方法很多，由于解扩过程通常都在载波同步之前进行，载波相位在这时是未知的，大多数捕获方法都利用非相干检测。捕获方法的共同特点是用本地信号与收到的信号相乘，即进行相关运算，获得二者相似性的量度，并与一个门限相比较，以判断其是否捕获到有用信号。如果认为捕获到有用信号，则开始跟踪过程，使系统保持同步。否则又开始继续搜捕。 当伪码捕获完成后，系统将控制权交给伪码跟踪电路，对本地伪码序列相位进行精确调整，即继续保持同步，不因外界影响而失去同步；当伪码跟踪电路失步时，再将控制权交给伪码捕获电路，重新进行同步捕获。 跟踪与一般的数字通信系统的跟踪方法类似，一般采用锁相环原理来完成跟踪过程，关键还是在第一步的同步捕获。在直接序列扩频系统中，伪码的同步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，因此在本论文中只讨论几种同步捕获的方法。 PN码捕获方法可分为有源相关和无源相关两种。有源相关时采用了在不同的搜索区间，用不同相位的本地码与输入码相关的方法。如果检测不到相关峰，则时钟脉冲驱动本地码移向下一个搜索区间并重复上述的相关过程，一直到检测到正确的相关峰为止。常用的有源相关法有滑动相关法、序列相位搜索法等；而无源相关是采用一种与已知的扩频码相匹配的无源滤波器，只有当输入码与接收机的匹配滤波器的脉冲响应相匹配时，才可得到最大的相关输出，否则就没有相关输出。常用的无源相关法多使用声表面波器件(SAW)或数字匹配滤波器。本文所用的PN码捕获方法采用的是数字匹配滤波器法。具体的分析将在各章节的设计中进行介绍。 (1) 序列相位搜索捕获法 顺序搜索捕捉的基本原理是：使用一个相关器，在0到期间内积分，在时刻将积分器的输出送给一门限比较器，当积分器的输出值小于设定的门限值时，说明本地参考扩频码序列的相位与接收扩频码序列的相位不相同，门限比较器输出一信号给扩频码序列相位搜索控制器，在其作用下不断地改变本地序列的相位状态，相位的变化量可设为Tc2，并在每个相位进行相关检测，判断该相位是否同步，直到相关器的积分值超过设定的门限而达到最大，从而实现扩频码序列的同步捕获。 若扩频码序列长为N，码元宽度为Tc，则扩频码序列信号的周期为T=N*Tc。接收扩频码序列与本地参考扩频码序列作相关积分后，经门限比较器进行比较判别，为一次积分的时间。若只经过一次积分，不需要再搜索就实现了捕获，即为最小的同步捕获时间等于，这样扩频码序列相位搜索捕获法的平均同步捕获时间为（N+1/2）。 扩频码序列相位搜索捕获法的特点是电路设备量少，易于实现，但平均同步捕获时间随着扩频码长度的增加而增大，在扩频码的长度比较长的情况下要实现快速捕获是很困难的，所以不适用于低信噪比长序列PN码捕获。 (2) 滑动相关捕获法 滑动相关捕获法，是基于扩频码序列相位搜索方法建立起来的，是一种最简单也是最基本的搜索法。所谓滑动相关就是使本地参考扩频码产生器的时钟频率与接收扩频码时钟的频率有一定的偏差，通过改变本地参考扩频码产生器时钟的频率来达到改变码序列的相位。依据具体的实现方案，分成单积分滑动相关法、串行双积分滑动相关法和并行双积分滑动相关法。 单积分滑动相关捕获系统的电路由压控振荡器(VCO)、分频器和时钟信号成型电路组成，如下图，解调后的扩频基带信号与本地扩频序列相关后送入积分器，输出的积分值和门限比较器的门限值作比较，若该值低于设定的门限值时，输出一低电平信号给时钟电路，此信号控制vco输出信号的频率，从而改变时钟信号的频率，间接改变了本地参考扩频码序列的相位状态，其结果相当于本地参考扩频码序列的相位作T以的滑动。当积分器的输出大于设定的门限值，就完成了扩频码的捕获，进入到扩频码序列的同步跟踪已捕获射频放大器0到T积分器门限比较器分频器压控振荡器时钟信号成型扩频码发生器载波接收信号门限值门限值图2 单积分滑动相关捕获系统原理图单积分滑动相关捕获电路简单，但是当扩频序列很长时，同步捕获时间很长。因此当要搜索的PN码相位比较多时，此时可以考虑使用多个相关器，即将单积分检测改为多积分检测，这样每个相关器只要搜索较少的相位，从而减少捕获时间。 多积分检测器中具有若干个积分电路，并且各个积分电路具有不同的积分时间。捕捉开始时，先用积分时问最短的积分器进行积分并对其输出判决，这样可以快速地去掉那些非同步状态，当然这会引起很高的虚警概率。如果输出大于门限，判决为同步(其中包含了虚警)，再用积分时间更长的积分器来检测，以进一步去除虚警。直至所有检测都大于门限时，才判定为同步。这样，通过快速地去除非同步相位，系统的平均捕捉时间大大降低。 最常使用的多积分检测是采用双积分检测，根据两个积分器相对位置的不同，又可分为串行双积分滑动相关捕获系统和并行双积分滑动相关捕获系统。 串行双积分滑动相关捕获系统把原单一积分时间为的积分器改为积分时间为和的两个积分器，并且门限1门限1是是否否跟踪环路图3 串行双积分滑动相关捕获系统的捕获流程 并行双积分滑动相关捕获系统同理也是积分时间为和的两个积分器，并且，两个积分器并行同时进行积分。当第一个积分器输出小于门限值，则对两个积分器同时清零开始下一个相位的检测，若大于门限值，则第二个积分器继续的积分，直到两个积分器都大于门限值，表明同步捕获完成。 滑动相关法的优点是硬件电路十分简单，但是当接收码同本地码之间失配量达到很大时，搜索过程可能很长，因为要识别捕获总要一定的时间，因此搜索速度不能过快。 (3) 匹配滤波器法 以上串行捕获系统的电路结构简单，但是其搜索时间较长，在许多应用的场合，对捕获的时间有较高的要求，因此采用并行捕获结构可以实现捕获时间最短，但并行捕获需要N个相关器，所以电路较为复杂。 用匹配滤波器对伪码进行快速捕获是一种行之有效的方法，这种方法可以在中频进行，也可以在基带进行。中频多采用模拟器件声表面波(SAW)匹配滤波器来完成，基带多采用数字集成电路来完成。 数字匹配滤波器在解扩过程中自动完成了伪随机码的同步，不需要搜索时间，也不需要另外的部件实现伪随机码的同步，这样既免去了PN码的码同步单元，简化了电路，又使同步速度非常快，这是扩频通信系统同步捕捉中匹配滤波器优于其它方法的一个重要原因。利用匹配滤波器进行解扩，还可以克服多径干扰甚至利用部分多径能量，提高系统的抗干扰能力改善系统的误码性能。在接收端对数字基带信号进行匹配滤波可以有效的滤除噪声，使信噪比达到最佳。另外匹配滤波器输出的相关峰正好与信息比特一一对应，在完成伪随机码同步的同时也获得了信息码元的位同步，进一步简化了系统。 3直序扩频通信系统的设计与实现3.1 直序扩频通信系统的基本原理直接序列扩频技术的一般工作原理如下图所示。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。在接收端收到的宽带射频信号，变频至中频，然后由本地产生的与发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。信息调制扩频调制信息调制扩频调制扩频码发生器扩频码发生器信息信道信息图4 扩频通信工作原理图由此可见，般的扩频通信系统都要进行两次调制和相应的解调。一次调制为信息调制，二次调制为扩频调制，以及相应的信息解调、解扩。与一般通信系统比较，扩频通信就是多了扩频调制和解扩部分。3.2 直序扩频通信系统的VHDL设计 对于整个直序扩频通信系统，其系统实现主要包括发送模块与接收模块的设计。3.2.1 直序扩频通信系统发送模块的设计与实现直序扩频通信系统发送模块包括以下几个模块：m序列产生模块、帧结构封装模块、扩频调制模块及载波调制模块。本设计主要实现的是m序列产生模块、扩频调制模块。而载波调制模块就不予讨论，原因是直接序列扩频通信系统的载波调制模块的实现比较简单，这在通信技术上是很成熟的技术。1）m序列产生模块由前所述本系统的PN码发生器采用m序列发生器，n级线性移位寄存器的反馈逻辑可用特征多项式为。本设计中m序列发生器选用6级移位寄存器，即n=6，经过查表得反馈系数为103，因此其对应的特征多项式为，由第l级和第6级引回反馈，序列发生器结构如下图所示。a1a2a3a4a5a6+c6c1c0图5 6级m序列发生器结构图 6级m序列发生器可产生周期为63的PN码序列，因为寄存器起始序列若全零，输出序列也将为全零。这样会造成PN码发生器进入死锁状态因此要使PN码发生器可以正常工作，产生预期的PN序列，必须保证在起始时寄存器中至少由一个为1。利用VHDL进行6级m序列发生器的建模，包括寄存器模块与m序列发生器模块的设计：a）寄存器模块运行附录中的VHDL程序，可知其RTL电路图如下：图6 寄存器的RTL电路图b）m序列发生器模块运行附录中的VHDL程序，可得出其RTL电路图及波形仿真图。从中可以看出，其实现了63位m序列发生器的功能，重复产生了63位数字码。图7 m序列发生器的RTL电路图图8 m序列发生器的波形仿真图2）扩频调制模块运行附录中的扩频调制的VHDL程序，可得出其RTL电路图及波形仿真图。从中可以看出，其实现了相关运算，即实现了扩频调制的功能，其中infoout为信息码，pnout为Pn码序列，而kuopinout即为扩频调制信息。图9 扩频调制的RTL电路图图10 扩频调制的波形仿真图3）发送端综合模块综合发射端的各模块，可以得出其发射系统的仿真图，其中，图11为发送端的RTL电路图，图 12 为发送端的仿真波形图。图11 发送端的RTL电路图图 12 发送端的仿真波形图从仿真波形图可以很清楚地看到，本次设计的发送端按要求完成了m序列