畢業(yè)論文：基于FPGA的DS擴(kuò)頻捕獲技術(shù)的研究

基于FPGA的DS擴(kuò)頻捕獲技術(shù)的研究
院 系：信息科學(xué)與工程學(xué)院
專 業(yè)：通信工程

摘 要

通信現(xiàn)代化是人類社會進(jìn)入信息時代的重要標(biāo)志。在現(xiàn)代通信中遇到的一個重要問題就是干擾問題，隨著通信事業(yè)的發(fā)展，各類通信網(wǎng)的建立，使得有限的頻率資源更加擁擠，相互之間的干擾更為嚴(yán)重。怎樣在惡劣的環(huán)境條件下，保證通信有效、準(zhǔn)確、迅速地進(jìn)行是擺在當(dāng)今通信科研人員面前的一個難題。
擴(kuò)頻通信技術(shù)與常規(guī)通信技術(shù)相比，具有低截獲率，強(qiáng)抗噪聲，抗干擾性，具有信息隱蔽和多址通信等特點。同步捕獲是擴(kuò)頻通信系統(tǒng)中的重要技術(shù)之一，他是保證系統(tǒng)正確接收的前提。直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)的同步包括偽隨機(jī)碼同步和載波同步，在偽隨機(jī)碼同步過程中捕獲是整個過程中最困難的。本論文主要研究了直接序列擴(kuò)頻捕獲技術(shù)，并在EP2C5T144C8芯片上，應(yīng)用ALTERA公司的FPGA開發(fā)工具QUARTUS9.1，用VHDL語言對此給予仿真。



關(guān)鍵詞： 直接序列擴(kuò)頻，偽隨機(jī)序列，同步，捕獲，F(xiàn)PGA



ABSTRACT


Communications modernization is an important symbol of the human society into the information age. Interference problems encountered in modern communication, an important question is, with the development of communications, the establishment of various types of communication networks, the limited frequenc
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狀況 2
1.2.2 FPGA用于開發(fā)擴(kuò)頻通信的發(fā)展?fàn)顩r 3
1.3 論文主要研究內(nèi)容 4
2 直接序列擴(kuò)頻通信技術(shù)的原理 6
2.1 擴(kuò)頻技術(shù)的理論基礎(chǔ) 6
2.1.1 香農(nóng)公式 6
2.1.2 擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的性能指標(biāo) 6
2.2 直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)的組成 8
2.3 常用直擴(kuò)調(diào)制解調(diào)技術(shù) 8
2.4 偽隨機(jī)碼序列 9
2.4.1 m序列的產(chǎn)生原理 10
2.4.2 m序列發(fā)生器 10
2.4.3 m序列的反饋系數(shù) 11
2.5 直擴(kuò)系統(tǒng)的同步跟蹤和同步捕獲 12
3 直接擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn) 12
3.1 直接擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的發(fā)射模塊的設(shè)計與實現(xiàn) 12
3.2 直接擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的接收模塊的設(shè)計與實現(xiàn) 14
4 結(jié)束語 17
4.1 論文總結(jié) 17
4.2 后續(xù)展望 17
參考文獻(xiàn) 18
附錄 19
致 謝 29

1 緒論
1.1 論文研究背景及意義
擴(kuò)頻通信，即擴(kuò)展頻譜通信，他與光纖通信、衛(wèi)星通信，一同被譽(yù)為進(jìn)入信息時代的三大高技術(shù)通信傳輸方式。擴(kuò)頻通信是將傳送的信息數(shù)據(jù)被偽隨機(jī)編碼調(diào)制，實現(xiàn)頻譜擴(kuò)展后再傳輸；接收端則采用相同的編碼進(jìn)行調(diào)制及相關(guān)處理，恢復(fù)原始信息數(shù)據(jù)。這種通信方式與常規(guī)的窄道通信方式是有區(qū)別的：一是信息的頻譜擴(kuò)展后形成寬帶傳輸；二是相關(guān)處理后恢復(fù)成窄帶信息數(shù)據(jù)。擴(kuò)頻通信技術(shù)是一種具有優(yōu)異抗干擾性能的新技術(shù)，它的主要優(yōu)點是【1】：
（1）抗干擾能力強(qiáng)
由于利用了擴(kuò)展頻譜技術(shù)，將信號擴(kuò)展到很寬的頻帶上，在接收端多擴(kuò)頻信號進(jìn)行相關(guān)處理即帶寬壓縮，恢復(fù)成窄帶信號。對于干擾信號而言，由于與擴(kuò)頻信號不相關(guān)，則被擴(kuò)展到一個很寬的頻帶上，使之進(jìn)入信號通頻帶內(nèi)的干擾功率大大降低，相應(yīng)的增加了相關(guān)器輸出端的信號/干擾比，因而具有較強(qiáng)的抗干擾能力。擴(kuò)頻系統(tǒng)的抗干擾能力主要取決于系統(tǒng)的擴(kuò)頻增益，或稱之為處理增益。對大多數(shù)人為干擾而言，擴(kuò)頻系統(tǒng)都具有很強(qiáng)的對抗能力
可進(jìn)行多址通信
擴(kuò)頻通信本身就是一種多址通信，即擴(kuò)頻多址，用不同的擴(kuò)頻碼構(gòu)成不同的網(wǎng)，類似于碼分多址（CDMA）。CDMA是未來全球個人通信的首選多址方式 。雖然擴(kuò)頻系統(tǒng)占據(jù)了很寬的頻帶，完成信息的傳輸，但其很強(qiáng)的多址能力保證了他的高的頻譜利用率，其頻譜利用率比單路單載波系統(tǒng)還要高很多。這種多址方式組網(wǎng)靈活，入網(wǎng)迅速，適合于機(jī)動靈活的戰(zhàn)術(shù)通信和移動通信。
安全b_m
擴(kuò)頻通信也是一種b_m通信。擴(kuò)頻系統(tǒng)發(fā)射的信號的譜密度低，近似于噪聲，有的系統(tǒng)可在-20~-15dB信噪比條件下工作，對方很難測出信號的參數(shù)，從而達(dá)到安全b_m通信的目的。擴(kuò)頻信號還可以進(jìn)行信息加密，如要截獲和竊聽擴(kuò)頻信號，則必須知道擴(kuò)頻系統(tǒng)用的偽隨機(jī)碼、密鑰等參數(shù)，并與系統(tǒng)完全同步，這樣就給對方設(shè)置了更多的障礙，從而起到了保護(hù)信息的作用。
數(shù)模兼容
擴(kuò)頻通信系統(tǒng)既可以傳輸數(shù)字信號，也可以傳輸模擬信號。
抗衰弱
由于擴(kuò)頻信號的頻帶很寬，當(dāng)遇到衰弱，如頻率選擇性衰弱，他只影響到擴(kuò)頻信號的一小部分，因而對整個信號的頻譜影響不大。
抗多徑
多徑問題是通信中，特別是移動通信中必須面對，但又難以解決的問題，而擴(kuò)頻技術(shù)本身具有很強(qiáng)的抗多徑能力，只要滿足一定的條件，就可達(dá)到抗干擾甚至可以利用多徑能量來提高系統(tǒng)性能的目的。而這個條件在一般的擴(kuò)頻中是很容易滿足的。
由于擴(kuò)頻通信系統(tǒng)復(fù)雜，采用傳統(tǒng)式的分立器件將存在體積大、功耗高的問題，同時模擬器件受環(huán)境影響的因素比較大，在實際設(shè)計中也難以實現(xiàn)。現(xiàn)有的專用集成電路，在擴(kuò)頻增益、數(shù)據(jù)傳輸率等方面難以達(dá)到要求，并且存在成本高、采購困難等弊端。隨著微電子技術(shù)和電子設(shè)計自動化(EDA)技術(shù)的迅速發(fā)展，F(xiàn)PGA的容量、功能和可靠性都得到很大的發(fā)展，F(xiàn)PGA結(jié)構(gòu)布局布線方便靈活，含有豐富的庫資源，很容易實現(xiàn)各種電路設(shè)計和完成較復(fù)雜的運(yùn)算，這非常有利于系統(tǒng)的全數(shù)字化實現(xiàn)。由于FPGA可軟件升級，提高了設(shè)計效率，縮短了產(chǎn)品開發(fā)和市場之間的距離。因此，設(shè)計一個全部用FPGA技術(shù)實現(xiàn)的擴(kuò)頻通信系統(tǒng)也是非常具有研究意義的。而其中最重要的工作是用VHDL語言實現(xiàn)編程。
1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
1.2.1 擴(kuò)頻通信的發(fā)展?fàn)顩r
擴(kuò)頻通信技術(shù)誕生得較早，從20世紀(jì)40年代起，人們就開始了對擴(kuò)頻技術(shù)的研究，其抗干擾性、抗竊聽、抗測向等方面的能力早己被人們熟知。但由于擴(kuò)頻系統(tǒng)的設(shè)備復(fù)雜等多方面的原因，致使擴(kuò)頻通信技術(shù)一直都發(fā)展得較為緩慢。自50年代中期美國軍方開始研究，擴(kuò)頻通信技術(shù)一直為軍事通信所獨占，廣泛應(yīng)用于軍事通信、電子對抗以及導(dǎo)航、測量等各個領(lǐng)域。進(jìn)入20世紀(jì)60年代后，隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，許多新型器件的出現(xiàn)，特別是大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路、微處理器、數(shù)字信號處理(DSP)器件、擴(kuò)頻專用集成電路(ASIC)以及FPGA等這樣的新型器件的問世，使擴(kuò)頻通信技術(shù)有了重大的突破和發(fā)展。到本世紀(jì)80年代初擴(kuò)頻通信技術(shù)開始被應(yīng)用于民用通信領(lǐng)域。為了滿足目益增長的民用通信容量的需求和有效地利用頻譜資源，各國都紛紛提出在數(shù)字峰窩移動通信、衛(wèi)星移動通信和未來的個人通信中采用擴(kuò)頻技術(shù)，擴(kuò)頻技術(shù)已廣泛應(yīng)用于蜂窩電話、無繩電話、微波通信、無線數(shù)據(jù)通信、遙測、監(jiān)控、報警等系統(tǒng)中。
從國內(nèi)來看，近十多年來，出于民用通信特別是陸地移動通信的迅速發(fā)展，擴(kuò)頻通信的研究也在不斷深入。各大高校及一些科研機(jī)構(gòu)都在進(jìn)行這方面的工作，如清華大學(xué)、天津大學(xué)、北京郵電大學(xué)、西安電子科技大學(xué)、南京郵電大學(xué)等都在積極地開展擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的研究。
從國外來看，軍事通信技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展，軍工產(chǎn)品向民用產(chǎn)品的轉(zhuǎn)化，直接推動了擴(kuò)頻通信理論、方法、技術(shù)等方面的研究發(fā)展和應(yīng)用普及。


1.2.2 FPGA用于開發(fā)擴(kuò)頻通信的發(fā)展?fàn)顩r
隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，設(shè)計與制造集成電路的任務(wù)已不完全由半導(dǎo)體廠商來獨立承擔(dān)。系統(tǒng)設(shè)計師們更愿意自己設(shè)計專用集成電路(ASIC)芯片，而且希望ASIC的設(shè)計周期盡可能短，最好是在實驗室里就能設(shè)計出合適的ASIC芯片，并且立即投入實際應(yīng)用之中，因而出現(xiàn)了現(xiàn)場可編程邏輯器件(FPLD)，其中應(yīng)用最廣泛的當(dāng)屬現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)和復(fù)雜可編程邏輯器件(CPLD)。FPGA芯片與傳統(tǒng)的ISLD芯片(Programmable Logic Device)、PAL及GAL ……（未完，全文共14579字，當(dāng)前僅顯示3468字，請閱讀下面提示信息。收藏《畢業(yè)論文：基于FPGA的DS擴(kuò)頻捕獲技術(shù)的研究》）