FPGA在多进制正交扩频通信系统中的应用

    摘 要： 讨论了高速无线分组网络中多进制正交扩频通信系统的设计和实现，其中在系统核心部分的扩频编码调制和解调等很多功能都由FPGA来完成，并对此进行了详细的介绍。

    关键词： FPGA 扩频通信 多进制正交扩频 QPSK调制   

    门阵列逻辑电路在数字系统设计中得到广泛的应用，因此从GAL、EPLD直至目前的FPGA（现场可编程门阵列），容量和功能以及可靠性都得到很大的发展。目前的FPGA结构采用总线方式，布局布线方便灵活，Altera公司的FLEX10K系列FPGA掩埋带有入出寄存器的RAM块，更加方便地应用于CPU系统。随着器件的发展，开发环境进一步得到优化。Altera公司的Maxplus II为用户提供了良好的开发环境，含有丰富的库资源，很容易实现各种电路设计和完成较复杂的运算，使一部分软件硬化，这对高速系统来说，是非常有效的。它支持多种输入方法，并有极强的仿真系统，支持你随心所欲的设计。最大的优点是支持在线调试，这对于长期从事电路设计调试者来说，极大地提高了效率。

    分组无线网作为一种重要的无线分组通信形式，在军事和民用通信领域一直受到广泛的重视。信息技术的迅猛发展对分组无线网提出更高的要求，即要求更高的信息速率，支持综合业务，具有很强的抗干扰性能等。要满足这些要求，必须采用新技术来设计新一代分组无线终端。我们提出了采用多进制正交扩频的方法，以实现高速(256kbps和512kbps安全可靠的通信，提出了新的设计思路并采用一系列新技术。应用Altera公司的FLEX10K系列FPGA实现多进制正交扩频编码，快速Hadamard变换法，时序控制逻辑等功能，极大地简化了系统。本文就系统原理和FPGA的应用展开讨论。

    １ 多进制扩频编码的实现

    1.1 正交扩频系统的组成

    综合考虑系统带宽和通信速率以及实现的复杂性等因素，我们确定采用16进制的正交扩频方案，并用Walsh函数作为扩频正交码，信息速率分为两档，函数周期分别为64（低速）和32（高速）。Walsh函数其自相关特性较差，同步捕获困难，我们提出在原多进制正交扩频的基础上，增加一个辅助的同步逻辑信道的新方法。并选用m序列作为其扩频码，该同步信道信号被调制到与信息信道正交的载频上，图１给出了调制部分的原理框图。传输数据经串并变换将信息每4个比特分为一组，完成２到16进制变换。I信道传输同步控制及辅助信息（导频信道），并采用ｍ序列调制。而Q信道传输数据信息（信息信道），采用Walsh函数编码。I、Q支路分别进行正交调制，合成QPSK调制的中频信号送至电台。

    1.2 正交扩频编码规则

    前面已介绍了同步码和信息码分别采用m序列和Walsh函数进行扩频。如果按照所给的框图来实现，必须加乘法器，增加了系统的复杂性。查表编码以其快速、简单、方便等优点受到人们的青睐，故编码采用存储查表法。把所选取周期为64的m序列分别和16种Walsh函数（32位/64位），依据I、Q支路次序按位交织后形成数据储存于EPROM，然后根据同步信息和数据信息作为地址进行查表。同步支路每一比特对应于一个周期为64的m序列。信息支路在低速情况下，64位Walsh函数与同步支路码长相同，而在高速情况下，64位的同步码要与两个32位Walsh函数依次交织。因此，需要一位地址做奇偶控制。根据上述编码规则，规定速率控制位为高位地址，同步码为次高位地址。

    1.3 正交扩频编码的实现

    图2示出多进制扩频编码的实现原理。其中，分频链形成低位地址、EPROM的片选线、并／串变换的锁存信号和移位信号以及其他时钟源。串／并变换输出形成信息地址。地址形成单元主要是控制两种速率下的地址选择，选取不同的扩频码。当速度为低速时，A3=Ax ，而Sd0～Sd3对应为A4～A7；当速度为高速时，A3=Sd0，而A7=Ax，用来做奇偶定位，Sd0～Sd3对应为A3～A6。同步码产生单元输出同步支路的同步序列，依次为32位0、1码和48位巴克码。时钟控制单元产生巴克码和扰码使能信号，并在同步码发完时刻给终端送出时钟信号TXC。从图中可以看出，采用查表法很方便地实现了正交扩频编码，用一些时序组合电路替代了复杂的乘法器。

    由于Walsh函数自相关性很差，抗多径的能力很弱。而扩频通信的抗多径能力完全由扩频序列的自相关能力决定。因此，多径传播的情况下直接使用Walsh函数序列扩频必将带来严重的码间串扰。为了减少Walsh函数序列扩频的码间串扰、增加系统的保密性和抗干扰能力，通常在正交扩频后再乘上一个长码序列做扰码，改善Walsh函数自相关特性。我们采用了24位的长扰码。由CPU通过系统总线将２４位的掩码和初始码加载给FPGA，然后与输入数据进行动态运算。经过加扰的Q支路信息和I支路同步信息，合成扩频编码后的数据比特流进行QPSK调制。我们用Altera公司的FLEX81188-240-2芯片实现所有的逻辑电路，内部逻辑资源占用30%左右，I/O脚占用87%左右，布线资源占用40%左右，余留部分资源便于系统扩展。

    ２ 正交扩频码的解扩解调

    信号的解扩接收框图见图3。其中FPGA在I信道接收的同步时钟控制下对Q信道进行多进制相关解扩运算，是接收机电路的核心单元。考虑到在高速分组无线网环境下要进行相干接收非常困难，我们采用了最佳非相干接收原理进行多进制正交码解扩运算。其中，多路相关解扩运算部分结构复杂，资源消耗量大，是FPGA实现的最主要工作。

    图３中的多进制解扩单元是接收机的核心单元，完成了最佳非相干运算的核心部分。运算量大，用软件方法很难实现。经评估我们发现，采用AD公司最新的DSP器件ADSP21062也只能实现其运算量的1/3左右。我们用一片Altera公司的FLEX10K100实现了并行相关解扩算法实现的三种方案：串行FHT法、并行FHT法、并行积分法。图４是并行FHT方案的实现原理图。经统计内部逻辑资源约占用70%，I/O脚占用10%左右，布线资源占用60%左右。

    系统收发两端经中频对接，多进制正交扩频通信系统对QPSK调制的多进制扩频信号能够进行正确解扩和解调，证明设计方案正确可行。

    总之，我们项目的要求是设计和实现应用于未来高速分组无线网中的新一代分组无线终端，支持难度比较大，必须采用一系列新的技术和新的器件才能实现。我们通过应用Altera公司最新的FPGA产品，充分利用了其高速、大容量、组合灵活方便等优点，并用Altera的Maxplus=II开发环境所提供的库资源，最大限度地利用和发挥FPGA的优势，不但大大简化了系统设计，而且缩短了设计周期。

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