基于FPGA的CDMA数字基带系统设计

黄小娟，王福明

（中北大学，机械工程与自动化学院，山西，太原 030051）

0 引言

CDMA（Code Division Multiple Access）是在数字通信技术的分支扩频通信的基础上发展起来的一项技术。它主要用于利用相互正交（或者尽可能正交）的不同编码分配给不同用户调制信号，实现多用户同时使用同一频率接入系统和网络的通信。本文针对CDMA码分多址技术设计1个4路用户传输系统,省去了载波调制部分,把CDMA扩频系统中传输的信号简化为数字基带信号,并做出一个与之相应的扩频编码调制收发系统，系统采用Walsh函数正交码作为地址码调制原数据信号,选用m序列作为扩频的伪随机码。

1 CDMA基带系统设计

1.1 系统设计平台

开发工具软件采用Altera公司的EDA工具MAX+PlusII。利用MAX+P1usII中提供的编程语言设计方法和图形设计方法实现系统各部分的功能。

1.2 CDMA系统设计原理

CDMA技术基于扩频通信的基本原理，将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高速伪随机编码信号去调制它，使原信息数据信号的带宽被大大扩频，再经载波调制后发射出去。接收端则使用完全相同的伪随机码，与接收的带宽信号做相关处理，把宽带信号变换成信息数据的窄带信号（解扩）实现数据通信。这种扩频通信的明显特点是采用编码调制、频谱扩频和相关处理技术。使用扩频编码调制易于保密也可供多用户使用。另外，对信息数据的频谱扩展，使功率谱密度明显降低，既不容易被别人发现又不容易干扰别人。CDMA通信多址干扰的大小决定于扩频编码间的互相关值，如果该值非常小乃至可以忽略，那么接收调解输出结果就只有原数据信号和噪声。所以CDMA可在同一载波频率上同时传送多个用户的信息、数据、实现多址通信。编码之间的互相关值越小，多址通信用户就越多。

2 总体设计

2.1 CDMA的整体设计框图

整体框图如图1所示。

表1 触发时钟分频

2.2 利用VHDL语言编程实现的3分频、24分频、96分频电路模块图

实现的3分频电路模块图为图2所示。

图2 3分频电路模块

实现24分频电路的模块图为图3所示。

图3 24分频电路的模块图

实现了96分频电路的模块图为图4所示。

图4 96分频电路的模块图

3 本系统完成的功能

本收发系统主要由调制器和解调器两部分组成。它们完成的功能如下:

（a）调制器:内嵌于编码器中的信息信号发生器产生的4路输入信号,经Walsh调制、PN扩频、基带求和与并串变换成为1路信号,完成调制。

（b）解调器:接收端将收到的1路信号首先进行串并变换,在取得同步的基础上进行PN解扩和Walsh解调,恢复出4路输入信息。

3.1 Walsh码发生器

Walsh函数是一种非正弦的完备正交函数集。由于它采用的是数字系统，比较适合于用来表达和处理数字信号。

考虑到是数字基带系统,本系统采用的Walsh码组应为:

W1={1,1,1,1}; W2={1,0,1,0};

W3={1,1,0,0}; W4={1,0,0,1}。

该发生器利用MAX+PlusII编程实现较简单,在Walsh码时钟(全局时钟的24分频)的控制下,每出现一次时钟跳变事件,输出端以4为周期依次输出1111,1010,1100和1001的码序列。

沃尔什(Walsh)码是正交码，经常被用作码分多址系统的地址码，Walsh码产生模块作为扩频传输的地址码，并且具有检测使用中的两路Walsh码是否正交的功能。本设计中使用Walsh，存储在发射端数据寄存器中，扩频过程中根据 Walsh码的地址控制信号。抽取两路 Walsh码分别对两路消息码进行扩频。接收端截获串行的数字信息流后 ，从接收端的数据寄存器中取出Walsh码对接收信号进行解扩。Walsh码电路的设计思路运用了译码的原理来实现。

3.1.1 生成Walsh码调制（地址编码）的模块图

Walsh码调制所生成的模块图为图5所示。

Walsh码调制的仿真图为图6所示。

图6 Walsh码调制的仿真图

3.2 PN码、信息码发生器

利用7个D触发器相互级联实现周期为127的PN序列。具体构成依据m序列特征多项式,由MAX+PlusII提供图形设计方法实现。PN码时钟为全局时钟的3分频。

信息码的产生则只需在信息码时钟的控制下,从同样的级联中引出4路信号作为信息码,信息码时钟为全局时钟的96分频。

3.2.1 生成PN扩频的模块图

由PN扩频所生成的模块图为图7所示。

3.3 调制与解调

在数字基带系统中,Walsh码调制可以简单地用同或门来实现,而PN扩频则可通过简单的异或门实现。

在实现Walsh码解调与解扩时,PN解扩只需在接收端加1异或门。下面着重介绍一下Wlash码解调的方法— —相关检测。

相关检测原理举例解释(见表2)。

表2 相关原理检测举例解释

Walsh调制码即原信息码与Walsh码同或,所得4路码统计所得1的个数并转化成相应3比特并行码,例如表中Walsh编码的第1列转化为010,第2列为100。在接收端则根据传递来的接收信息逐路进行相关检测。相关检测规则列于表3中。

表3 相关检测规则

2.2.3 数据的发送和接收

1）当多点的温度被读取完之后，温度数据被存储在相应的寄存器内，然后，单片机通过SPI通信，把数据发送给NRF905的发射缓冲区；完成发射任务后，单片机进行下一轮的温度采集。

2）另一边的NRF905检测到所设定的发射频率所发出的信息，进行地址校正后，开始接收数据。数据按顺序存放在单片机的寄存器内，用于数码管显示。由于数码管显示是用动态的扫描显示，在时间的处理上，单片机的内部程序的延时要恰当，否则会出现数码管跳动显示或者只显示其中一个的情况。

3 实验论证

本实验用到5个DS18B20，为了验证数据的正确性，首先将各个传感器按顺序进行编号。把5个传感器放在一个恒温箱内（本实验恒温箱为20℃），另一边的接收数据显示的温度都是同样的温度。这样做的目的是保证整个系统的采集是正确的。用手捏住第一个传感器，进过几秒钟之后，检测接收数据，第一个的数据为32.5℃，明显高于其他4个。接着放开手，用手捏住第二个传感器，并以此类推，可以分别得到用手捏的温度为33.0℃, 32.5℃,32℃, 32.5℃。由于手捏的时间和手温不一定一致，会有一个很小的误差，对于本设计来说，可以忽略。实验证明，本系统是确实可行的。

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