基于FPGA的CDMA數字基帶系統設計

黃小娟，王福明

（中北大學，機械工程與自動化學院，山西，太原 030051）

0 引言

CDMA（Code Division Multiple Access）是在數字通信技術的分支擴頻通信的基礎上發展起來的一項技術。它主要用于利用相互正交（或者盡可能正交）的不同編碼分配給不同用戶調制信號，實現多用戶同時使用同一頻率接入系統和網絡的通信。本文針對CDMA碼分多址技術設計1個4路用戶傳輸系統,省去了載波調制部分,把CDMA擴頻系統中傳輸的信號簡化為數字基帶信號,并做出一個與之相應的擴頻編碼調制收發系統，系統采用Walsh函數正交碼作為地址碼調制原數據信號,選用m序列作為擴頻的偽隨機碼。

1 CDMA基帶系統設計

1.1 系統設計平臺

開發工具軟件采用Altera公司的EDA工具MAX+PlusII。利用MAX+P1usII中提供的編程語言設計方法和圖形設計方法實現系統各部分的功能。

1.2 CDMA系統設計原理

CDMA技術基于擴頻通信的基本原理，將要傳送的具有一定信號帶寬的信息數據，用一個帶寬遠大于信號帶寬的高速偽隨機編碼信號去調制它，使原信息數據信號的帶寬被大大擴頻，再經載波調制后發射出去。接收端則使用完全相同的偽隨機碼，與接收的帶寬信號做相關處理，把寬帶信號變換成信息數據的窄帶信號（解擴）實現數據通信。這種擴頻通信的明顯特點是采用編碼調制、頻譜擴頻和相關處理技術。使用擴頻編碼調制易于保密也可供多用戶使用。另外，對信息數據的頻譜擴展，使功率譜密度明顯降低，既不容易被別人發現又不容易干擾別人。CDMA通信多址干擾的大小決定于擴頻編碼間的互相關值，如果該值非常小乃至可以忽略，那么接收調解輸出結果就只有原數據信號和噪聲。所以CDMA可在同一載波頻率上同時傳送多個用戶的信息、數據、實現多址通信。編碼之間的互相關值越小，多址通信用戶就越多。

2 總體設計

2.1 CDMA的整體設計框圖

整體框圖如圖1所示。

表1 觸發時鐘分頻

2.2 利用VHDL語言編程實現的3分頻、24分頻、96分頻電路模塊圖

實現的3分頻電路模塊圖為圖2所示。

圖2 3分頻電路模塊

實現24分頻電路的模塊圖為圖3所示。

圖3 24分頻電路的模塊圖

實現了96分頻電路的模塊圖為圖4所示。

圖4 96分頻電路的模塊圖

3 本系統完成的功能

本收發系統主要由調制器和解調器兩部分組成。它們完成的功能如下:

（a）調制器:內嵌于編碼器中的信息信號發生器產生的4路輸入信號,經Walsh調制、PN擴頻、基帶求和與并串變換成為1路信號,完成調制。

（b）解調器:接收端將收到的1路信號首先進行串并變換,在取得同步的基礎上進行PN解擴和Walsh解調,恢復出4路輸入信息。

3.1 Walsh碼發生器

Walsh函數是一種非正弦的完備正交函數集。由于它采用的是數字系統，比較適合于用來表達和處理數字信號。

考慮到是數字基帶系統,本系統采用的Walsh碼組應為:

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

W3={1,1,0,0}; W4={1,0,0,1}。

該發生器利用MAX+PlusII編程實現較簡單,在Walsh碼時鐘(全局時鐘的24分頻)的控制下,每出現一次時鐘跳變事件,輸出端以4為周期依次輸出1111,1010,1100和1001的碼序列。

沃爾什(Walsh)碼是正交碼，經常被用作碼分多址系統的地址碼，Walsh碼產生模塊作為擴頻傳輸的地址碼，并且具有檢測使用中的兩路Walsh碼是否正交的功能。本設計中使用Walsh，存儲在發射端數據寄存器中，擴頻過程中根據 Walsh碼的地址控制信號。抽取兩路 Walsh碼分別對兩路消息碼進行擴頻。接收端截獲串行的數字信息流后 ，從接收端的數據寄存器中取出Walsh碼對接收信號進行解擴。Walsh碼電路的設計思路運用了譯碼的原理來實現。

3.1.1 生成Walsh碼調制（地址編碼）的模塊圖

Walsh碼調制所生成的模塊圖為圖5所示。

Walsh碼調制的仿真圖為圖6所示。

圖6 Walsh碼調制的仿真圖

3.2 PN碼、信息碼發生器

利用7個D觸發器相互級聯實現周期為127的PN序列。具體構成依據m序列特征多項式,由MAX+PlusII提供圖形設計方法實現。PN碼時鐘為全局時鐘的3分頻。

信息碼的產生則只需在信息碼時鐘的控制下,從同樣的級聯中引出4路信號作為信息碼,信息碼時鐘為全局時鐘的96分頻。

3.2.1 生成PN擴頻的模塊圖

由PN擴頻所生成的模塊圖為圖7所示。

3.3 調制與解調

在數字基帶系統中,Walsh碼調制可以簡單地用同或門來實現,而PN擴頻則可通過簡單的異或門實現。

在實現Walsh碼解調與解擴時,PN解擴只需在接收端加1異或門。下面著重介紹一下Wlash碼解調的方法— —相關檢測。

相關檢測原理舉例解釋(見表2)。

表2 相關原理檢測舉例解釋

Walsh調制碼即原信息碼與Walsh碼同或,所得4路碼統計所得1的個數并轉化成相應3比特并行碼,例如表中Walsh編碼的第1列轉化為010,第2列為100。在接收端則根據傳遞來的接收信息逐路進行相關檢測。相關檢測規則列于表3中。

表3 相關檢測規則

2.2.3 數據的發送和接收

1）當多點的溫度被讀取完之后，溫度數據被存儲在相應的寄存器內，然后，單片機通過SPI通信，把數據發送給NRF905的發射緩沖區；完成發射任務后，單片機進行下一輪的溫度采集。

2）另一邊的NRF905檢測到所設定的發射頻率所發出的信息，進行地址校正后，開始接收數據。數據按順序存放在單片機的寄存器內，用于數碼管顯示。由于數碼管顯示是用動態的掃描顯示，在時間的處理上，單片機的內部程序的延時要恰當，否則會出現數碼管跳動顯示或者只顯示其中一個的情況。

3 實驗論證

本實驗用到5個DS18B20，為了驗證數據的正確性，首先將各個傳感器按順序進行編號。把5個傳感器放在一個恒溫箱內（本實驗恒溫箱為20℃），另一邊的接收數據顯示的溫度都是同樣的溫度。這樣做的目的是保證整個系統的采集是正確的。用手捏住第一個傳感器，進過幾秒鐘之后，檢測接收數據，第一個的數據為32.5℃，明顯高于其他4個。接著放開手，用手捏住第二個傳感器，并以此類推，可以分別得到用手捏的溫度為33.0℃, 32.5℃,32℃, 32.5℃。由于手捏的時間和手溫不一定一致，會有一個很小的誤差，對于本設計來說，可以忽略。實驗證明，本系統是確實可行的。

[1]趙麗娟,邵欣,房世平.基于單片機的溫度監控系統的設計與實現[J].機械制造,2006(01).

[2]徐姍姍，楊福寶.基CC1000的無線通信系統設計[J].中國水運,2007,12(5):1-4.

[3]辛潔, 孫運強, 張倫.基于ATmega16和nRF2401的無線射頻收發系統設計[J].電子測試， 2009(4)：2-3.

[4]涂兵,肖洪祥.無線測溫在電子產品中的應用研究[J].電子測試，2008(7).

[5]DS18B20數據手冊 http://www.aterlin.com/upload/files/2008/10/20081017153504555.pdf.

[6]莢慶,王代華,張志杰.基于NRF905的無線數據傳輸系統[J].國外電子元器件,2008(01).

[7]NRF905數據手冊http://wt.down.elecfans.com/dm/elec/nRF905%20CN.PDF.

[8]楊光松.基于NRF905的無線溫度數據采集系統[J].微計算機信息,2008 (22).