FPGA的M序列编码/解码器

2014-06-07 05:53王瀚雪张赤军
长春工业大学学报 2014年1期
关键词:扩频通信累加器汉明

王瀚雪, 张赤军

(长春理工大学电子信息工程学院,吉林长春 130022)

FPGA的M序列编码/解码器

王瀚雪, 张赤军

(长春理工大学电子信息工程学院,吉林长春 130022)

首先介绍扩频原理,然后分析了M序列的数学特性以及M序列在扩频应用中的局限性。探讨了应用M序列的扩频通信发射端和接收端电路的硬件实现。

FPGA;M序列;扩频通信

0 引 言

有关扩频通信技术的观点是在1941年由好莱坞女演员Hedy Lamarr和钢琴家George Antheil提出的。基于对鱼雷控制的安全无线通信的思路,他们申请了美国专利#2.292.387。不幸的是,当时该技术并没有引起美国军方的重视,直到20世纪80年代才引起关注,将它用于敌对环境中的无线通信系统。

扩频通信技术解决了短距离数据收发信机,如卫星定位系统(GPS)、3G移动通信系统、WLAN(IEEE802.11a,IEEE802.11b,IEE802.11g)和蓝牙技术等应用的关键问题。扩频技术也为提高无线电频谱的利用率(无线电频谱是有限的,因此也是一种昂贵的资源)提供帮助[1-2]。

1 M序列的产生调制和解调原理

M序列是对最长线性反馈移位寄存器序列的简称,它是一种由带线性反馈的移位寄存器所产生的序列,并且具有最长周期。一般情况下,用于产生M序列的n级线性反馈移位寄存器的结构如图1所示。

图1 M序列的n级线性反馈移位寄存器

图中的a0作为输出信号所得到的就是所需要的M序列,可以看出,一个完整的n级M序列是由一个相应的线性反馈逻辑表达式来得到的:

将左边的an移到等号右边可以写成为:

为了便于计算,通常将上式与一个多项式项(即本原多项式)对应起来,以便得到M序列:

基于不同级的线性反馈逻辑表达式,可以得到不同长度的M序列的本原多项式,见表1。

表1 M序列本原多项式

从表1可以查到,5级M序列所对应的本原多项式为x5+x2+1,从而得到其线性反馈逻辑表达式为a4=a3⊕a0,更进一步得到下面的M序列产生的结构图,如图2所示。

图2 M序列产生结构图

可以看出,在这里只需要设定好a4到a0初始值(不能为00000),就能够得到一组5级31位的M序列[3-6]。

2 M序列扩频解扩系统总体设计

扩频解扩系统设计的框图如图3所示。

各个部分的原理和作用如下所述:

1)同步头发生器。在原始信息序列中插入用于M序列捕获的“11111111110”序列,并在每512个信息序列之前插入0000帧同步头;解同步模块功能与之相反;

2)汉明编码解码器完成汉明(7,4)码得编解码;

3)扩频器。扩频器通过汉明编码后的序列与M序列就异或即可;

4)信道模型。信道模型通过对扩频序列加上噪声来实现,以模拟加性信道;

5)M序列同步器。该模块通过“11111111110”序列完成发送端M序列的捕获;

6)解扩器。为了实现解扩,以周期为31的M序列为例,且每个信息码元对应一个M序列周期,即信息码元周期为M序列码元周期的31倍。

我们发现:如果信息码元为1,那么该码元经过扩频后变成一个周期的M序列,如果信息码元为0,那么该码元经过扩频后变成一个周期的负M序列。故每个信息码元的解扩可通过如下方法完成:以31个M序列码元周期为一个循环,将接收扩频信号与同步M序列的31个符号位依次相比,来决定累加器是加1还是减1。一般地,当符号相同时,累加器加1,当符号位不同时,累加器减1。每完成31个次累加后,将最终得到的累加值与阀值比较,如果累加值大于阀值,则判断发送信息为1,否则为0。不失一般地,我们选取该阈值为50,以保证最后累加器的值为正数,方便硬件电路的设计。此外,每完成一个信息位的解扩需将累加器重置为初始值[7-8]。

3 具体的FPGA实现

编码端的实现:扩频系统发送端包括同步头发生器、汉明编码器和扩频器。

此模块的基本功能是将待调信号与M序列的每一位进行异或,达到扩频的目的。其中,设计了一个5级的移位寄存器用于产生M序列。其它功能包括:

1)在发送数据之前先发11111111110用于给接收端捕捉同步头。

2)每发送512个字节,就发送0000来检测接收双方是否依旧保持同步。

3)为了进一步减少误码率,采用了线性分组码中的汉明码用于纠错。

本模块为可综合模块,已经用FLEX10KE通过FPGA布线后网表仿真,其计算功能和运行速度已经得到验证[9-10]。

对于不同级别的M序列来说,抗噪声能力是不一样的,级数越高所能承受的外界干扰幅度越大。在本实验设计中,选取的是从2倍噪声中将5级31位M序列信号恢复出来。利用Verilog分别编写coder,add_noise,decoder,correct,Correct_Decoder,top这6个模块,其中coder,decoder,correct是可综合模块,decoder,correct这两个模块组成为Correct_Decoder,add_noise是不可综合的,用以模拟信道的加性噪声,top是测试文档。

汉明码解码仿真波形如图4所示。

4 结 语

此FPGA实验中的M序列收发装置是一个非常简易的通信模型,真正的一个可靠的通信系统不光有数字电路部分,还有模拟电路部分,它的完成是要依靠成百上千人的辛勤工作和互相配合。

图4 汉明码解码仿真波形

虽然这里提供的只是一个简化的M序列收发装置,但通过此实验还是能够帮助我们建立许多通信系统方面的概念,这也是我们设计这个实验的目的,毕竟任何一个复杂的系统都是由许许多多简单的思想构建的。设计需要注意以下几点:

1)M序列扩频通信的原理。

2)捕捉同步头的这个功能使我们的系统更强健(Robust)。

3)通过引入纠错码,大大减少了误码率。

4)通信系统中每传输一定的数据后,都要传送一些收发双方约定好的信息,来检测是否维持在同步状态。

5)在整个设计系统中,测试模块的作用也很重要。

[1]Zeng Kencheng,Yang Chunghuang,Wei Dah Yea,et al.Pseudo random bit gener ators in stream-cipher cry ptograph[J].Computer,1991,24(2):8-17.

[2]A liKanso.Clock-controlled shrinking generatorof feed back shift registers[A].8th Australasian Con-ferenceon Information Security and Privacy-AC ISP[C].2003.

[3]蒲海,陈自力,胡玫荣.基于CPLD的高速m序列码发生器的设计[J].微计算机信息,2005,21(4):172-173.

[4]束礼宝,宋克柱.伪随机数发生器的FPGA实现与研究[J].电路与系统学报,2003,8(3):121-24.

[5]邹学玉,易国华.一类基于FPGA的m序列发生器的设计[J].长江大学学报:自然科学版,2006,27(1):84-86.

[6]林可祥,汪一飞.伪随机码的原理与应用[M].北京:人民邮电出版社,1998.

[7]梅文华,杨义先.跳频通信地址编码理论[M].北京:国防工业出版社,1996.

[8]G John Proakis,Masoud Salehi.通信系统工程[M].2版.叶芝慧,赵新胜,译.北京:电子工业出版社,2002.

[9]曹志刚,钱亚生.现代通信原理[M].北京:清华大学出版社,2002.

[10]张孝飞,赵孔新,张赛男.基于FPGA的脉冲发生器波形模块设计[J].长春工业大学学报:自然科学版,2011,32(3):258-262.

FPGA-based M-series encoder/decoder

WANG Han-xue, ZHANG Chi-jun

(Electronics and Information Engineering,Changchun University of Science and Techonlogy,Changchun 130022,China)

The spread spectrum communication principles are introduced first,and then the mathematical properties of M-sequence and its applications limitations in spread spectrum are studied.The hardware of both the M-sequence spread spectrum communication transmitter and receiver are designed.

FPGA;M sequence;spread spectrum communication.

TN 911

A

1674-1374(2014)01-0086-04

2013-04-24

王瀚雪(1987-),男,汉族,河北秦皇岛人,长春理工大学硕士研究生,主要从事光电传感与光电探测技术、FPGA方向研究,E-mail:wanghanxue0816@126.com.

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