綜合課程設(shè)計(jì)報(bào)告CDMA部分含F(xiàn)PGA-verilog代碼要點(diǎn)

1、第一章 項(xiàng)目背景1.1 CDMA原理及背景簡(jiǎn)介CDMA是碼分多址的英文縮寫（Code Division Multiple Access），它是在數(shù)字技術(shù)的分支一一擴(kuò)頻通信技術(shù)上發(fā)展起來的一種嶄新的無線通信技術(shù)。CDM技術(shù)的原理是擴(kuò)頻技術(shù)，即將需傳送的具有一定信號(hào)帶寬信息數(shù)據(jù)，用一個(gè)帶寬遠(yuǎn)大于信 號(hào)帶寬的高速偽隨機(jī)碼（GOLD?）進(jìn)行調(diào)制，使原數(shù)據(jù)信號(hào)的帶寬被擴(kuò)展，再經(jīng)載 波調(diào)制并發(fā)送出去。接收端使用完全相同的偽隨機(jī)碼，與接收的帶寬信號(hào)作相關(guān)處 理，把寬帶信號(hào)換成原信息數(shù)據(jù)的窄帶信號(hào)即解擴(kuò)，以實(shí)現(xiàn)信息通信。碼分多址（CDMA技術(shù)是擴(kuò)頻通信技術(shù)在多用戶通信系統(tǒng)中的應(yīng)用，其利用了擴(kuò)頻 序列的編碼正交

2、可分性， 使得多個(gè)用戶信號(hào)可以在同一媒介、 同一頻率、 同一時(shí)間內(nèi) 傳輸。每一路碼分信號(hào)， 都是經(jīng)過擴(kuò)頻調(diào)制的信號(hào)， 每一路碼分信道都分配了獨(dú)特的 擴(kuò)頻序列。擴(kuò)頻通信的主要特征是它們的頻帶寬度B比信息速率R大得多，通過擴(kuò)頻得到擴(kuò)頻增益，用于抵抗各種干擾。因此就CDM本身的優(yōu)勢(shì)而言，CDM擁有無與倫比 的巨大潛力。擴(kuò)頻通信技術(shù)、碼分多址技術(shù)和同步技術(shù)是 CDM的關(guān)鍵技術(shù)，通過CDM數(shù)字 基帶發(fā)射系統(tǒng)的研究更進(jìn)一步了解 CDM數(shù)字基帶系統(tǒng)的過程，加深對(duì)CDM的擴(kuò)頻 通信技術(shù)和碼分多址技術(shù)的理解，加深對(duì) CDMA系統(tǒng)的理解。同時(shí)，我們可以知道 CDM敍術(shù)為什么得以快速發(fā)展。本項(xiàng)目的重點(diǎn)集中于應(yīng)用FP

3、GA來實(shí)現(xiàn)CDM數(shù)字基帶系統(tǒng)發(fā)射系統(tǒng),并在此基 礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)接收系統(tǒng)，具體講就是將信號(hào)進(jìn)行擴(kuò)頻、GOLD?調(diào)制、基帶求和、再進(jìn)行并/ 串轉(zhuǎn)換，在接收端進(jìn)行解擴(kuò)和解調(diào)，還原出初始發(fā)送的數(shù)據(jù)，其中利用的載波 調(diào)制技術(shù)室2PSK技術(shù)，解調(diào)利用相干解調(diào)。1.2 FPGA在通信領(lǐng)域的巨大作用21 世紀(jì)是一個(gè)數(shù)字化的世紀(jì)， 數(shù)字信號(hào)處理在新的世紀(jì)中有著廣泛的應(yīng)用， 信 息高速公路、移動(dòng)通信、自動(dòng)化系統(tǒng)都采用了數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)。單片機(jī)系統(tǒng)，雖然在一定程度上滿足了部分需要，但是由于它的速度和數(shù)據(jù)處理能力非常有限，不能滿足現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)數(shù)據(jù)的高速率的要求。近幾年發(fā)展起來的 FPGA技術(shù)，滿足了這種需求，F(xiàn)PGA功能上

4、比早期的PLD更加強(qiáng)大，主要有編程方 式方便先進(jìn)，并且擁有較高的工作頻率，像 Altera的Cyclone的EP1C3系列，其 工作頻率就有40MHZ此外，硬件描述語言 Verilog HDL在編寫風(fēng)格上與C語言十 分的接近，所以FPGA技術(shù)不僅可以完成單片機(jī)所不能完成的指標(biāo)，而且更具有靈 活性。這種基于EDA技術(shù)的芯片正在成為電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主流。此外，F(xiàn)PGA還具有靜態(tài)可重復(fù)編程和動(dòng)態(tài)在系統(tǒng)重構(gòu)的特性，使得硬件的功能可以像軟件一樣通過編 程來修改。因此，F(xiàn)PGA技術(shù)的應(yīng)用前景非常廣闊。FPGA勺發(fā)展不斷滿足當(dāng)今電子工業(yè)的快速發(fā)展， 隨著集成電路的設(shè)計(jì)規(guī)模日益 增大，復(fù)雜程度日益增高，F(xiàn)PGA

5、勺出現(xiàn)和發(fā)展大大改變了傳統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，這 種方法使得電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)變得更加簡(jiǎn)單方便、靈活快速。第二章CDMA系統(tǒng)簡(jiǎn)介CDM技術(shù)的基礎(chǔ)是擴(kuò)頻通信。擴(kuò)頻：用來傳輸信息的信號(hào)帶寬遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于信息本 身帶寬的一種傳輸方式，頻帶的擴(kuò)展由獨(dú)立于信息的擴(kuò)頻碼來實(shí)現(xiàn)，與所傳信息數(shù) 據(jù)無關(guān)，在接收端用同步接收實(shí)現(xiàn)解擴(kuò)和數(shù)據(jù)恢復(fù)。如下圖，我們可以知道CDMA系統(tǒng)的基本原理和TDMA FDMA勺區(qū)別。cCCCDMA、TDMA FDMA：匕較擴(kuò)頻通信的理論基礎(chǔ)就是著名的香農(nóng)定理：V 二這個(gè)公式表明，在高斯信道中當(dāng)傳輸系統(tǒng)的信號(hào)噪聲功率比S/N下降時(shí)，可用 增加系統(tǒng)傳輸帶寬W的辦法來保持信道容量C不變。對(duì)于任意給定的信號(hào)

6、噪聲功率 比，可以用增大傳輸帶寬來獲得較低的信息差錯(cuò)率。正因?yàn)檫@個(gè)原因，擴(kuò)頻通信具 有比較強(qiáng)的抗噪聲干擾的能力。CDM技術(shù)是以擴(kuò)頻通信為基礎(chǔ)的載波調(diào)制和多址接 入技術(shù)，所以如何實(shí)現(xiàn)擴(kuò)頻部分對(duì)于整個(gè) CDM系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)有著重要的影響。2.1 CDMA系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)擴(kuò)頻技術(shù)是CDM系統(tǒng)的基礎(chǔ)，在擴(kuò)頻系統(tǒng)中，常使用偽隨機(jī)碼來擴(kuò)展頻譜，偽隨 機(jī)碼的特性，如編碼類型、長(zhǎng)度、速度等在很大程度上決定了擴(kuò)頻系統(tǒng)的性能，如抗 干擾能力、多址能力、碼捕獲時(shí)間。因此要實(shí)現(xiàn)擴(kuò)頻部分，關(guān)鍵就是如何選擇一個(gè)比 較好的方法來實(shí)現(xiàn)Ph碼產(chǎn)生器。而實(shí)現(xiàn)Ph碼產(chǎn)生器的難點(diǎn)就是實(shí)現(xiàn)其同步，即在接收端進(jìn)行解擴(kuò)所用的Ph碼和接 收到的信

7、號(hào)在發(fā)送時(shí)所用的PN碼是同步的，這是擴(kuò)頻技術(shù)中的難點(diǎn)。CDM系統(tǒng)要求接 收機(jī)的本地偽隨機(jī)碼與接收到的Ph碼在結(jié)構(gòu)、頻率和相位上完全一致，否則就不能正 常接收所發(fā)送的信息，接收到的只是一片噪聲。若實(shí)現(xiàn)了收發(fā)同步但不能保持同步， 也無法準(zhǔn)確可靠地獲取所發(fā)送的信息數(shù)據(jù)。因此，pr碼序列的同步是CDM通信擴(kuò)頻模塊的關(guān)鍵技術(shù)。但是要真正成為一種商業(yè)應(yīng)用的通信系統(tǒng)，還有很多技術(shù)問題需要解 決，本文暫不做考慮。2.2 CDMA系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)CDMA技術(shù)是以擴(kuò)頻通信為基礎(chǔ)的載波調(diào)制和多址接入技術(shù)，所以如何實(shí)現(xiàn)擴(kuò)頻 部分對(duì)于整個(gè)CDMA系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)有著重要的影響。 下圖是標(biāo)準(zhǔn)的CDMA系統(tǒng)的基本原 理圖：石詞匝卜

8、I擴(kuò)頻調(diào)制IT上變頻卜國(guó)關(guān)信號(hào)經(jīng)信源編碼后成為數(shù)字信號(hào)，經(jīng)過糾錯(cuò)編碼、卷積編碼和交織等相關(guān)處理后送入調(diào)制器中，利用Ph碼發(fā)生器產(chǎn)生的高速PN碼將數(shù)字信號(hào)變成碼片，使得信號(hào)的傳 輸帶寬遠(yuǎn)大于信號(hào)本身的帶寬以實(shí)現(xiàn)擴(kuò)頻通信，同時(shí)，為了使信號(hào)的傳輸與信道特性相匹配，必須用載波發(fā)生器產(chǎn)生的載波去調(diào)制擴(kuò)頻信號(hào)。使其頻率變?yōu)檫m合信道傳愉 的射頻頻段，將數(shù)字信號(hào)調(diào)制成模擬信號(hào)后通過放大器發(fā)射出去。 在接收端，利用下 變頻器將射頻信號(hào)還原成中頻信號(hào)，采用與發(fā)射端相同的信號(hào)處理技術(shù)再將信號(hào)還原 成原始信號(hào)，從而達(dá)到數(shù)據(jù)通信傳輸?shù)哪康?。下面是我們根?jù)標(biāo)準(zhǔn)的CDM通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)的我們系統(tǒng)中的發(fā)射機(jī)框圖：-4 -# -F

9、面是我們系統(tǒng)的接收機(jī)框圖:解調(diào)單元 （相干胞絡(luò)）接收信號(hào)-# -# -整體的FPG設(shè)計(jì)的CDM通信系統(tǒng)如下:-# -系統(tǒng)時(shí)鐘 發(fā)射機(jī) 接收機(jī)第三章 基于FPGA的CDMA系統(tǒng)設(shè)計(jì)及仿真分析FPGA是電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域中最具活力和發(fā)展前途的一項(xiàng)技術(shù)，它的影響絲毫不亞于 70年代單片機(jī)的發(fā)明和使用?？梢院敛豢鋸埖闹v，F(xiàn)PGA能完成任何數(shù)字器件的功能。在PCB完成以后，還可以利用FPGA勺在線修改能力，隨時(shí)修改設(shè)計(jì)而不必改 動(dòng)硬件電路。使用FPGA來開發(fā)數(shù)字電路，可以大大縮短設(shè)計(jì)時(shí)間，減少PCB面積，提高系統(tǒng)的可靠性。FPGA勺這些優(yōu)點(diǎn)使得FPGA技術(shù)在90年代以后得到飛速的發(fā)展， 同時(shí)也大大推動(dòng)了 ED

10、A軟件和硬件描述語言的進(jìn)步。本設(shè)計(jì)主要利用了FPGA及Verilog HDL語言來設(shè)計(jì)CDMA數(shù)字基帶發(fā)送接收系統(tǒng)。4.1 FPGA通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)的注意點(diǎn)對(duì)于通信系統(tǒng)的建模，除了外圍的模擬電路的設(shè)計(jì)是整個(gè)大系統(tǒng)需要考慮外， 更重要的是針對(duì)純數(shù)字部分的輸入、輸出接口信號(hào)的要求，進(jìn)行細(xì)致的研究。對(duì)于 數(shù)字通信系統(tǒng)，對(duì)于不同的 Verilog HDL來建模有著不同的效果。一般對(duì)于選擇什么方法來進(jìn)行數(shù)字通信的建模，從以下幾個(gè)方面討論研究27:可行性的影響對(duì)于以FPGA通用芯片為目標(biāo)器件的建模和設(shè)計(jì)，受到輸入信號(hào)性質(zhì)的限制， 對(duì)于一些速度要求較高的通信系統(tǒng)，由于現(xiàn)行的FPGAB標(biāo)器件的限制，無法使用。因此

11、對(duì)于通信系統(tǒng)的Verilog HDL建模的可行性應(yīng)在設(shè)計(jì)系統(tǒng)方案做充分考慮。 可靠性分析對(duì)于通信系統(tǒng)來說，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)是 Verilog HDL建模的難點(diǎn)，這一 點(diǎn)與實(shí)現(xiàn)硬件電路是相似的，用硬件描述語言，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能，有許多方法，實(shí)現(xiàn) 建模的方法也可以不同，有時(shí)不同的建模風(fēng)格和方式，可以得到相同的設(shè)計(jì)結(jié)果和 相近的可靠性能，同時(shí)，對(duì)于組合邏輯電路來說，設(shè)計(jì)的可靠性，還要考慮組合邏 輯電路的競(jìng)爭(zhēng)和冒險(xiǎn)現(xiàn)象和硬件延時(shí)問題。效率的影響系統(tǒng)效率的因素包括芯片資源的優(yōu)化，軟件程序運(yùn)行的速度等。從軟件設(shè)計(jì)方 面考慮，采用并行方式比串行運(yùn)行方式運(yùn)行速率高。在FPGA設(shè)計(jì)，合理的引腳定義也是很重要的。

12、一個(gè)好的引腳定義可以充分利用芯片資源，而一個(gè)不好的引腳定 義可能造成芯片資源的巨大浪費(fèi)，甚至布線失敗?？偟膩碇v，通信系統(tǒng)的性能可以根據(jù)公式來計(jì)算，采用波形級(jí)的仿真或通過硬件構(gòu)成樣機(jī)及進(jìn)行測(cè)量來評(píng)估。對(duì)于數(shù)字通信系統(tǒng)的Verilog HDL建模，其建模效果最終要經(jīng)過一定方式的檢驗(yàn)和評(píng)估，而檢驗(yàn)的結(jié)果反過來促進(jìn)其建?；虺绦蛟O(shè)計(jì) 的改進(jìn)與完善。4.2 CDMA系統(tǒng)分模塊簡(jiǎn)介、代碼及仿真發(fā)射機(jī)分頻器模塊:-7 -仿真以輸入的20M時(shí)鐘分頻得到10K數(shù)據(jù)信道串行傳輸時(shí)鐘為例，可見設(shè)計(jì)完全正確:J PT.種T133ZT.秤 Tis09.6 如啊1界655夢(mèng)砂1lL llmodule clk_div(clk

13、_in,rst_n,clk_out );cnt=0;parameter cnt_top=10; clk_in/clk_out=cnt_top parameter width=4;parameter duty=50;else if(cnt=(cnt_top-1) cnt=0;elsecnt=cnt+1b1;endinput clk_in; input rst_n;output clk_out;always(posedge clk_in or negedge rst_n) beginreg clk_out;reg width-1:0cnt;if(!rst_n)clk_out=0;else if(c

14、nt(cnt_top*duty)/100)clk_out=1;elsealways(posedge clk_in or negedge rst_n) beginif(!rst_n)clk_out127)out=127+(in-127)/cnt;/positiveelse out=127-(127-in)/cnt; /negetiveendendalways (posedge clk or negedge rst)beginif(!rst) cnt=1;else cnt=cnt+1;end-3 -endmodule-2 -# -# -# -PSK調(diào)制模塊：out=0;elsebeginif(se

15、q) out=in;else out=in;endendendmodulemodule pskmod(clk,rst,seq,in,out);input clk,rst,seq;input 7:0 in;output 7:0 out;reg 7:0 out;always (posedge clk or negedge rst) beginif(!rst)禎【05 Q chsunel180度突變，2PSK設(shè)計(jì)正確。仿真得到的2PSK調(diào)制波形如下:可以看出在數(shù)據(jù)零一跳變點(diǎn)處波形相位發(fā)生AWGN信道模擬10dB噪聲數(shù)據(jù):MATLAB 代碼：clc;clear all;y=round(wgn(1,10

16、24,20);for i=1:1024if y(i)31O9?52其中seq_test1為發(fā)送端串行數(shù)據(jù)，seq_test3為發(fā)送端gold序列，seq_test2為接收端提取 出的相應(yīng)用戶的gold序列，seq_test4 為解調(diào)出來的串行數(shù)據(jù)， seq_test4 與seq_test1完全 一致，說明解調(diào)正確。FIR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì):-# -# -+FIR濾波器仿真結(jié)果如下，結(jié)果與理論設(shè)計(jì)一致:一Lr_n_n_rL_rL_L_L_n_n_rL_rmTL_rL_-L_n_L_丁_rmrL_n_rL_n_nL_TL_L_LJJYJWWYAAATJWUUV/UL/VAJWUW/UUVTU-4 -串

17、并轉(zhuǎn)換：module ser2par2(clk,rst,in,out,flag);/serial to parallelinput clk,rst;input in;output flag;output 3:0out;reg 3:0out;reg 1:0 cnt;reg flag;always (posedge clk or negedge rst)beginif(!rst)beginout=0;endelse2b10:out2=in;2b11:out3=in;default:out0=in;endcaseendendalways (posedge clk or negedge rst)beginif(!rst) flag=0;elsebegincnt=