基于FPGA的CDMA信号源设计与实现

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1、摘 要扩频通信是当前信息领域迅猛发展起来的一门前沿技术,由于其抗干扰性强,保密性好,功耗低等诸多优点,已成为非常重要的通信方式。常用的扩频技术主要有四种方法：即直序扩频、跳频扩频、跳时扩频以及线性调制。其中直接序列扩频通信具有频谱宽,功率谱密度低,隐蔽性好,保密性以及抗干扰能力强等诸多特点,可以工作于极低的信噪比条件下,因此在现代通信中得到了广泛的应用1。本文首先介绍了CDMA信号产生的基本原理,包括扩频通信、直接扩频序列以及伪随机编码理论的知识。深入研究了基于FPGA的CDMA信号源组成结构，分析了各个模块的功能，并进行了设计建模2。最后，利用Xilinx ISE和modelsim对分频模块

2、、伪随机码模块、DDS模块、调制模块以及顶层模块进行了设计实现与仿真。仿真结果验证了设计的正确性。关键词：扩频通信；直接序列扩频；伪随机码IAbstractSpread spectrum communication is one of the advanced technology in the field of information technology. Because of its strong anti-interference ability, good secrecy, low power consumption, it has become a very important w

3、ay of communication. There are four main ways to spread spectrum technology: direct sequence spread spectrum, frequency hopping spread spectrum, frequency hopping spread spectrum and linear modulation. The direct sequence spread spectrum communication has a wide spectrum, low power spectral density,

4、 good concealment, confidentiality and anti-interference ability strong, and many other features, can work in very low signal-to-noise ratio conditions, so in the modern communication has been widely used .In this paper, the basic principle of CDMA signal is introduced, which includes the knowledge

5、of spread spectrum communication, direct spread spectrum sequence and pseudo random coding theory. Based on the CDMA FPGA signal source, the function of each module is analyzed, and the design model of is carried out. Finally, ISE Xilinx and Modelsim are used to design and implement the frequency di

6、viding module, pseudo random code module, DDS module, modulation module and top layer. The simulation results verify the correctness of the design.Keywords: spread spectrum communication; direct sequence spread spectrum; PN code目 录1 绪 论11.1 课题研究目的背景11.2 国内外研究现状21.3 论文结构32 CDMA基础原理研究42.1 CDMA 技术42.1.

7、1 CDMA工作原理42.1.2 CDMA信号产生机理62.2 扩频通信技术62.2.1 扩频通信的理论基础72.2.2 扩频通信系统的性能指标72.3 直接序列扩频技术92.3.1 直接序列扩频通信机理92.3.2 伪随机序列112.4 二进制相移键控（BPSK)143 基于FPGA的CDMA信号源设计与实现163.1 总体设计163.2 各模块的设计与实现173.2.1 分频模块173.2.2 伪随机码模块183.2.3 DDS模块203.2.4 调制模块243.2.5 顶层模块264 仿真分析274.1参数要求274.2 软件介绍274.2.1 ISE平台开发流程274.2.2 Mode

8、lSim294.3 仿真结果314.3.1 分频模块314.3.2 伪随机码模块324.3.3 DDS模块334.3.4 调制模块345 总 结35致 谢36参考文献37附录A 英文原文38附录B 中文翻译49附录C 源程序57IV1 绪 论1.1 课题研究目的背景扩频通信就是频谱扩展通信技术（Spread Spectrum Communication），其出现是通信技术应用中一次具有重大意义的突破。扩频通信最早是在军事领域使用，其发展基本上可以划分为四个阶段：理论上的准备、在军事通信的使用研究、确定可以商业化的标准和实现商业化。扩频通信作为在美军军方中的使用的一种用于加密和保密的移动通信技术

9、，在二战中开始出现。但由于它当时的复杂的技术与相对于当时过于昂贵的系统造价，在扩频通信应用的最初阶段发展得非常慢。这样的过程一直持续到了上世纪五十年代中期，随着抗干扰理论、信息论、以及编码原理等的理论研究的日益完善，人们日益重视扩频通信技术，对它的进行了更深入的进一步研究，70年代转为全球性的研究。到了上个世纪 80 年代中期，在战术通信、指挥、通信、情报、战略通信系统和控制中，扩频通信已经得到了非常广泛的应用，慢慢的成为当今信息时代电子战中通信反对抗与对抗的一种极其重要的手段。1985年，美国首次提出码分多址（CDMA）的概念。目前，人们对扩频通信技术的研究仍然是不遗余力，并密切关注对于新通

10、信技术中 CDMA相关问题的研究。 CDMA 系统是基于码分技术(扩频技术)和多址技术的通信系统,即在多用户通信系统中所有用户共享同一频段,系统为每个用户分配各自特定的地址码。地址码之间具有相互准正交性,从而在时间、空间和频率上都可以重叠,将需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伪随机码进行调制,使的原有的数据信号的带宽被扩展,用于频谱扩展的伪随机序列也称为扩频码序列。由于为每个用户分配了不同的扩频码,利用扩频码直接序列扩频信号 PN 码的估计方法与仿真的自相关特性能够实现对给定用户信号的正确接收,将其他用户的信号看作干扰,从而有效抑制用户之间的干扰,实现了多址通信。

11、在接收端则进行相反的过程,进行解扩增强了抗干扰的能力。此外由于扩频用户具有类似白噪声的宽带特性,它对其它共享频段的传统用户的干扰也达到最小。以FPGA器件为核心的集成数字电路技术是近年来发展最快的电路技术之一，其具有高集成度、高速度、高可靠性、低电压、低功耗和低成本、可任意更改等优点，越来越受到人们关注。近几年在电子行业中，所有电子产品增长飞速，并且要求成本、功耗、上市时间等优势，FPGA灵活的可编程能力和不断提高的性价比，使其成为了面向该应用的一种极具吸引力的可行选择。凭借工艺技术的进步和解决方案的创新，FPGA在性能、功耗、成本等方面的突破使其应用领域不断拓展到过去曾经是ASIC主导的消费