软扩频通信系统的FPGA仿真毕业论文

2020-03-28 12:18:36

摘要

软扩频通信技术是基于直接扩频通信技术扩频技术，具有抗多径性、抗干扰性、保密性和多址通信能力。所以现在已经被成功地在民用和军事多个领域方面进行应用，比如说突发通信、移动通信、无线局域网、TDMA、CDMA等频带受限又要求传输速率比较高的环境下。

本文主要对软扩频通信系统的重要模块进行FPGA的仿真。在分析了理论原理的基础上，对软扩频通信系统的系统框图进行一个构建，并对常用的几种伪随机序列、调制方法、伪随机码的捕获跟踪方法、载波同步方法进行了分析和比较。最后完成了软扩频通信系统中编码模块、M序列发生器、载波生成模块、脉冲成型滤波器、BPSK调制模块、Costas载波同步模块、解调模块的FPGA仿真。设计与仿真用到的语言是Verilog HDL，使用到的软件有Quartus II、Modelsim和MATLAB。

关键词：软扩频；伪随机序列；同步

Abstract

Soft spread spectrum communication technology is based on the direct spread spectrum communication technology spread spectrum technology, has the anti - multipath, anti - interference, confidentiality and multi - address communication capability. Therefore, it has been successfully applied in many fields of civil and military affairs, such as burst communication, mobile communication,WLAN, TDMA, CDMA, and so on, which requires a higher transmission rate.

In this paper, the simulation of FPGA is carried out for the important module of soft-spread spectrum communication system. Principle, on the basis of the analysis of the theory of soft spread spectrum communication system the system block diagram of a building, and the commonly used several kinds of pseudo random sequence, the capture of the modulation method, pseudo random code tracking method, carrier synchronization methods are analyzed and compared. Finally completed the spread spectrum communication system and coding module, M sequence generator, carrier generation module, pulse shaping filter, BPSK modulation module, Costas carrier synchronization module, FPGA emulation demodulation module. The language used in design and simulation is Verilog HDL. The software used is Quartus II, Modelsim and MATLAB.

Key words: soft spread spectrum; Pseudo random sequence; synchronous

第1章绪论 1

1.1 扩频通信的发展概述 1

1.2 研究背景及特点 1

1.3 软扩频通信简介 3

1.4 论文研究内容及章节安排 3

第2章软扩频通信系统及同步理论 5

2.1 扩频通信重要参数 5

2.1.1 频带效率 5

2.1.2 处理增益 5

2.1.3 干扰容限 5

2.2 软扩频系统框图 6

2.3 扩频通信常用码序列 6

2.3.1 m序列 7

2.3.2 M序列 9

2.3.3 Gold序列 10

2.4 扩频通信的调制方式 10

2.5 软扩频通信系统中的同步 11

2.5.1 PN码的捕获 12

2.5.2 PN码的跟踪 13

2.5.3 载波同步 16

第3章软扩频通信系统的设计与仿真 19

3.1 发射端设计与仿真 19

3.1.1 编码模块的设计 19

3.1.2 PN码发生器的设计 20

3.1.3 脉冲成型滤波器的设计 21

3.1.4 载波生成模块的设计 22

3.1.5 调制模块的设计 24

3.2 接收端设计与仿真 24

3.2.1 载波同步模块的设计 25

3.2.2 解调模块的设计 26

第4章总结及展望 27

4.1 工作总结 27

4.2 工作展望 27

参考文献 28

致谢 29

第1章绪论

扩频通信的发展概述

扩展频谱通信简称为扩频通信，是无线传输领域中的一种常见的通信方式。最早在第二次世界大战的期间，美国就开始对扩频通信技术进行了研究，决定战争胜利与否的一个重要因素就是干扰与抗干扰，所以当时的扩频通信的主要应用是在军用通信、导航、卫星侦察及抗多径实验等方面。

1935年，德国公司Telefunken的两个工程师申请了模拟语音加密的专利，这个专利的的核心内容是在发射端用一个固定的噪声去伪装语音，再在接收端产生同样的噪声去除掉噪声，早期的扩频通信系统的最基本要素就是由该专利构成的。

扩频通信系统是在20世纪50年代才开始真正发展起来的。1949年，第一个世界上真正意义的扩频通信系统由美国联邦通信实验室成功完成，并且成功地应用于两个城市的通信线路上。1950年，巴索尔首先提出了扩展频谱系统。之后林肯实验室在1955年研制出第一个特别实用的扩频通信系统，该系统首次提出并应用了Rake接收的概念。在同一时期，也研制成功了跳频通信系统，伪码产生器以及跟踪环路也由喷气实验室完成。

但是由于硬件条件的限制，在之后的20年里扩频通信并没有得到广泛的发展和应用。扩频通信系统在民用通信中的发展是于20世纪80年代的中期开始的。美国联邦通信委员会在1985年5月公布了一份报告，报告内容指出将会在民用通信方面用到扩频技术。从此以后扩频技术发展以及应用变得更加广泛。

扩频通信技术成功应用于无绳电话中，1996年码分多址（CDMA）投入商业运营使得扩频通信技术成为通信领域的研究热点，之后码分多址技术成为个人通信的首选方案，三星和摩托罗拉等公司已相继推出了各自的CDMA。2000年，采用扩频通信技术的CDMA被国际电信联盟作为第三代移动通信（3G）的核心技术。目前，扩频通信技术已经广泛地应用于第四代移动通信（4G）、测距、雷达以及导航系统当中，成为了无线通信领域中不可或缺的关键技术，并展现出蓬勃的生命力。

1.2 研究背景及特点

任何信息的传输都需要一定的频带，称之为基带信号频带宽度或者信息带宽。在传统的通信系统中，为了在射频频带中尽可能多传输一些信息，在保证传输质量的情况下，射频信号的带宽往往和所传信号的带宽相差不大，属于同一数量级，尽可能地提高频带利用率，这种形式的通信系统被称为窄带系统。但是为了通信的安全和可靠，扩频通信采用的是宽带传输技术，宽带传输技术中的这一原理可以用抗干扰和信息论的基本观点来加以说明。带宽与信噪比互换公式是由信息理论的奠基者Claude E.Shannon于20世纪40年代提出的。根据无线传输的信道容量的香农公式：

(1.1)

上面式子中，C为信道容量，是指在单位时间内信道中没有差错的传输的最大信息量；W是信号频率带宽，即信道带宽；S是信号的平均功率；N为白噪声的平均功率。其中，S/N是信号功率和噪声功率的比值，将它称之为信噪比。

从式子（1.1）中可以得出以下结论：有两种途径可以实现信道容量C的提高，即提高信噪比S/N或者增加信道带宽W。在信噪比较小S/N的情况下，能通过增加信道带宽W的方法来提高通信系统的抗干扰能力，来保证信道容量的不改变。即在相同信噪比的情况下，窄带通信系统的抗干扰能力没有宽带通信系统的抗干扰能力强。所以在信道容量保持不变的情况下，可以用不同组合的信道带宽W和信噪比S/N来进行信息的传输。在信噪比S/N极低的情况下，甚至说信噪比小于1的情况下，只要相应地对信道带宽进行一定的增加，也能进行无差错的通信传输。扩频通信系统正是利用这一特点，用速率极高的扩频码对发送信号进行传输信号的带宽的扩展，使得可以降低对信噪比S/N的要求，在干扰极大的情况下也能完成可靠和安全的通信。

随着通信技术的发展以及各种通信设备的普及和利用，通信的保密性及安全性变得尤为重要，所以对扩频通信的研究也越来越有必要，因为扩频通信有以下其他通信系统难以比拟的优势性。

抗干扰性。由于信号在传输过程中带宽被展宽，在接收端带宽又被压缩到原来的频带上，但是由于噪声信号和扩频码序列的不相关性，噪声信号在接收端不会被恢复成原来的信号，所以这一特点使得扩频通信系统具有良好的抗干扰能力。
隐蔽性好。由于信号被扩频之后，信号的功率谱密度比较低，而传输频带较宽，信号都被淹没在噪声当中，信号不容易被敌方检测到，所以达到了保密通信的作用。
频谱利用率高、易于实现码分多址。由于不同码型的码序列之间存在着良好的互相关性和自相关性，所以能通过对不同用户分配不同码型，使不同用户占用同一个宽频带，这样可以提高频带的利用率。
抗摔落。当遇到衰落的情况时，由于扩频之后的信号频带较宽，衰落一般只会对扩频信号的其中一小部分有影响，对整个信号来说，对频谱的影响是不大的。
测距精确。由于在扩频通信系统中扩展频谱较宽，所以采用的扩频码的信号速率特别快，单个码元占用的时间就特别短，扩频信号从发射出去到接受所需要的时间很短，可以通过测出扩频信号来回的时间差，从而对两者的距离进行计算，所以在扩频通信系统中测量精度是比较高的。

扩频通信系统按照其工作方式的不同可以分为以下几种。

（1）直接序列扩展频谱系统。通过传输的信号与伪随机码的波形相乘，然后直接去控制载波信号的某个参量进行传输。

（2）跳时扩频系统。跳时是指用伪码序列来决定信号的发射时刻与持续时间。

（3）跳频扩频系统。是用伪随机序列码控制射频载波振荡器的输出信号的频率。

总体来说，扩频通信系统的这些优势是在传统通信系统的基础上，加上扩频和解扩频这两个重要因素。但是其中还涉及到同步，序列码的同步和跟踪等，所以整个系统相比其他传统通信系统来说要复杂得多。本文主要利用FPGA对扩频通信系统的部分重要模块进行分析及仿真。

1.3 软扩频通信简介

软扩频又称为缓扩频，就是对频谱进行缓慢的扩展变换。由于在某些频带受限的状况下，普通的扩频技术的伪随机码速率过高，频带宽度过宽，难以满足系统的要求，所以出现了软扩频技术，软扩频技术也是近年来应用得比较多的一种技术。

软扩频技术与常用的直接扩频技术的不同之处主要在于：一般的直接扩频系统是通过扩频码序列和信息码进行模二加来获得扩展序列的，同时伪随机码序列的速率一般是信息码元速率的整数倍，且是远远大于信息码元速率的。但是软扩频技术往往采用（n,k)编码的方式来进行频谱的扩展，用n位随机码表示k位信息码，且扩展倍数不一定是整数。下图图1.1为软扩频系统的实现框图。