引言

擴頻技術是通信系統中的重要組成部分，具有低的截獲率、信號隱蔽性強、易于組網、多用戶隨機選址能力強和抗干擾能力強等優點。擴頻技術是通過一個獨立的碼序列、編碼及調制的方法來實現的。在接收端利用相同的偽隨機序列進行同步和解擴，再進行譯碼，達到恢復所傳信息數據的目的。近年來隨著超大規模集成電路和微處理技術的快速發展，使擴頻技術在軍用及民用領域具有深遠的意義。

本篇設計了一種基于FPGA的擴頻模塊，并設計實現了信息數據的編解碼、擴頻解擴以及同步等功能。本設計采用漢明編碼對信息數據進行編碼，編碼后加入同步頭，為接收端同步做準備。加入同步頭的數據與偽隨機序列進行異或，達到擴寬信號帶寬的目的，再加入噪聲送入接收端。接收端產生和發送端相同偽隨機序列作為同步的本地參考偽隨機序列模板，接收數據與模板進行最小二乘法計算，結果與預設閾值進行比較，小于閾值則被斷定為對應的數值，用來實現同步和解擴，再通過漢明譯碼模塊對數據進行譯碼和糾錯，恢復原始信息數據。

一、緒論

1.1?課題研究背景和發展現狀

擴頻系統最早可以追溯到20世紀20年代左右，擴頻通信就有了初步的應用。但是一直到20世紀年代中期，擴頻系統才真正應用和發展起來。與很多的通信技術類似，擴頻技術最初也應用于保密通信和制導系統等軍事技術。除了在軍事通信中的應用，擴頻技術在無線通信領域也有發展。我國主要將擴頻技術應用在20世紀70年代后，用于建設軍用的航天器，具有較強的鏈路防護且具有很強的生存能力。建成后擴頻技術成為軍用航天器的重要組成部分，成為軍用航天器正常運行提供重要保障。目前擴頻通信技術已經在測距、衛星通信、GPS導航定位、移動通信、電子對抗、跟蹤、遙控和藍牙技術等方面廣泛應用。

擴頻通信技術具有很多獨特的優點：具有抗干擾能力強和截獲率低等獨特優點，而且具備碼分多址(CDMA，Code Divided Multiple Access)或稱為擴頻多址(SSMA，Spread SpectrumMultiple Access)的能力，因此廣泛應用于商業、銀行、賓館、能源和交通業等行業。

因為應用廣泛受到世界各國的特別關注，尤其是在近年來隨著超大規模的集成電路和微處理技術快速發展，使得擴頻技術在各個行業得到更多的發展。隨著數字技術的飛速發展，數字擴頻技術不僅完成模擬擴頻的所有功能，而且在性能和精度方面都有很大的優勢，所以數字擴頻技術將在未來被更廣泛的應用。

1.2 課題研究意義

擴頻通信是一種利用比原始信號本身頻帶寬的信號的通信方式，其全稱為擴展頻譜通信(Spread Spectrum Communication)。在擴頻通信技術中，發送端將原始信號的頻帶進行擴展，得到擴頻信號，然后在接收端通過對信號進行解擴處理，恢復原始信號。根據通信系統產生的擴頻方式，可以將擴頻通信分為5類：直接序列擴展頻譜(Direct Sequence Spread Spectrum Communication Systems)、頻率跳變擴頻通信系統(Frequecy Hopping Spread Spectrum Communication Systems，FH-SS)、跳時擴頻通信系統(Time Hopping Spectrum Communication Systems，TH-SS)、線性脈沖調頻系統(chirp)和混合擴頻通信系統，擴頻技術在未來無線通信技術中，仍是重要部分，很多方面需要繼續去探索，因此擴頻技術的研究不能停滯不前。而FPGA屬于并行器件，具有速度快、靈活性好，處理能力強，易于擴展等特點，因此，研究基于FPGA的擴頻技術研究具有重要的意義。

二、系統整體設計與方案論證

2.1 系統設計要求

基于FPGA的擴頻模塊設計，任務要求在10MHz的系統時鐘下，能夠具有以下功能：

a. 具有對發送或接收數據進行編碼譯碼功能；

b. 具有對發送或接收數據進行擴頻解擴功能；

c. 具有并串之間轉換功能；

d. 具有對接收數據同步（比特同步）功能；

e. 數據發送端8bits寬度，數據接收端8bits寬度，采用fifo構成接口（忽略PCM和頻帶調制）；

f. 邏輯資源占用率不超過80%。

2.2?系統整體架構

基于FPGA擴頻模塊主要由六大模塊組成：編碼模塊、擴頻模塊、量化器模塊、同步模塊、解擴模塊和譯碼模塊。系統大致流程為：fifo作為接口讀取原始信號后送給編碼模塊，編碼模塊對數據進行編碼，加入同步頭送入擴頻模塊進行并串轉換和擴頻，將擴頻后的信號經過量化器對其進行量化處理，量化后的信號引入一定范圍的噪聲干擾。接收端接收到數據后，利用同步模塊采用相關同步算法或最小二乘法算法進行同步計算后，將同步后的數據信息送入譯碼模塊進行譯碼得到原始信號，最后通過fifo輸出。

整體架構如圖2.1所示。?

圖2.1 ?整體架構圖

2.3?軟件設計

軟件流程如圖2.2所示，首先獲取原始數據信號，對原始數據信號進行編碼，對編碼后的信號進行擴頻，擴頻后的數據添加同步頭，通過并串轉換成為單比特數據，量化器將單比特數據變成8bit有符號數據，然后對信號引入噪聲，加入噪聲的信號利用同步模塊進行同步，識別同步頭后對信號進行解擴，解擴后利用譯碼模塊對數據進行譯碼輸出原始信號。

圖2.2??軟件流程設計圖

2.4 編碼方式方案論證

方案一：編碼模塊若采用漢明碼編碼方式。漢明碼是一種線性分組碼。漢明碼是指將數據信息碼分成為長度為m的數據段，在每一段數據后面添加n位的校驗碼，這樣編碼方式為漢明碼；

方案二：編碼模塊若采用奇偶監督碼方式。奇偶監督碼分為奇數監督碼和偶數監督碼兩種，兩者的原理相同。在偶數監督碼中，與數據信息位寬無關，監督位僅1位，當數據中的“1”的數目為偶數時，即滿足an-1^an-2^…a0=0，其中a0為監督位；在奇數監督碼中，和偶數監督碼相似，當數據中的“1”的數目為奇數時，即滿足an-1^an-2^…a0=1，其中a0為監督位。

表2.1 ?編碼方式性能對比表

根據表2.1編碼方式性能對比表所述，漢明碼編碼方式具有糾錯能力，而奇偶監督碼不具有糾錯能力，實踐中若出現編碼錯誤，漢明碼譯碼可以將錯誤信息位改正，綜合考慮選擇方案一，編碼模塊采用漢明碼編碼方式進行編碼。

2.5 擴頻方式方案論證

方案一：擴頻模塊若采用直接序列擴頻。直接序列擴頻，簡稱直擴擴頻(DSSS)。在發送端傳送的數據信息需要經過信道編碼后，與本原多項式產生的偽噪聲序列進行模2加（異或）完成擴頻，在接收端用相同的擴偽隨機序列對其解擴，解擴后的數據進行譯碼，達到恢復原始數據信息的目的；

方案二：擴頻模塊若采用跳頻擴頻。跳頻擴頻通信系統簡稱跳頻通信，它是利用偽隨機序列去控制載波振蕩器的頻率，導致發送端的頻率發生變化。跳頻通信載波頻率可隨機進行選擇，偽隨機序列對此可以控制載波頻率的輸出。接收端頻率可按照相同頻率跳變，產生參考本振信號，經混頻后得到固定的中頻信號，可實現解跳過程；

方案三：擴頻模塊采用跳時擴頻。時間跳變是一種擴頻技術，簡稱TDMA，與跳頻系統相似，跳時是使發射信號在時間軸上離散地跳變。將時間軸分成許多時隙（時片），若干個時片組合成跳時時間幀，擴頻碼序列決定哪個時隙進行發送數據信息。在接收端，當接收數據信號同步后，通過開關按時的進行解跳，就能夠正確恢復原始數據。

表2.2 ?擴頻方式性能對比表

根據表2.2擴頻方式性能對比表所述，直接序列擴頻方式比其他兩個方式實現較容易、抗干擾能力較強且可以獨立使用，綜合優缺點考慮，選擇方案一，擴頻模塊采用直接序列擴頻方式進行擴頻。

2.6?同步算法方案論證

方案一：同步模塊若采用最小二乘法。最小二乘法是一種數學優化技術。它通過最小化誤差的平方來和數據進行匹配。它可以簡便地求得接收信號，并使得這些接收信號與偽隨機序列之間誤差的平方和為最小。利用接收的數據信號與模板進行最小二乘法算法進行計算與預先設定的閾值比較，已達到同步的目的；

方案二：同步模塊若采用線性相關法。線性相關法利用起始位置不確定范圍的PN碼信號捕獲，使本地PN碼信號與其同步。接收信號與模板進行計算，獲得二者的相似程度，并與閾值進行比較，用來判斷是否為信號的幀頭，確定為有用信號后，開始對信號進行繼續捕獲。

表2.3 ?同步算法性能對比表

根據表2.3同步算法性能對比表所述，最小二乘法比線性相關法能夠接受更大的誤差范圍，能夠更準確的判斷接收信號數值，綜合考慮，選擇方案一，同步模塊采用最小二乘法進行同步。

審核編輯：劉清