一款基于FPGA的CDMA調制/解調模塊設計

　　任何信息需要借助聲、光、電信 號進(jìn)行傳遞，由于光信號和電信號在海水中的衰減比較嚴重，而聲波是人類(lèi)迄今為止已知的惟一能在水中遠距離傳播的能量形勢，因此，近些年海洋中的水聲通信系統的研究以及開(kāi)發(fā)成了熱點(diǎn)。水聲通信是指利用水聲信道進(jìn)行通信雙方數據傳輸的通信系統，水聲通信系統構成與傳統的無(wú)線(xiàn)電通信系統構成具有極大的相似性，但是水聲通信系統是將電信號轉換成聲信號，攜載信息的聲信號在水中進(jìn)行傳播完成系統的數據傳輸。

　　1 水聲通信系統的總體結構

　　基于CDMA的水聲通信調制/解調系統的設計框圖如圖1所示，整個(gè)設計系統主要實(shí)現了信號的CDMA調制/解調、控制DAC 以及ADC 進(jìn)行數字采集，模數轉換和數模轉換由專(zhuān)用的集成芯片來(lái)實(shí)現。功率放大 器的功能是實(shí)現對調制信號的放大，信號放大與調理是功率放大的逆過(guò)程;發(fā)射水聲換能器實(shí)現將經(jīng)過(guò)放大器產(chǎn)生的電磁能轉化為聲能，接收水聲換能器是將接收到的聲信號轉化為電信號。

　　圖1 水聲通信系統基本模型

　　設計的水聲通信系統電路原理框圖如圖2 所示。系統的主控制芯片是Altera 公司的Cyclone Ⅲ系列的EP3C10E144C8N,內部主要包括通信模塊、擴頻模塊、BPSK調制模塊及相應的解調模塊;外圍電路包括整個(gè)系統的供電電路、實(shí)現A/D 轉換的ADS7800芯片、實(shí)現D/A 轉換的TY5639 芯片、為整個(gè)系統提供時(shí)鐘信號的的晶振電路、實(shí)現TTL電平與CMOS電平兼容的電平轉換芯片74HC245A、用于燒寫(xiě)目標程序的JTAG接口，另外還包括數據傳輸的電路等。

　　圖2 水聲通信系統的電路設計框圖

　　該系統的工作過(guò)程：首先是上位機模擬發(fā)射端，將要發(fā)送的數字信號經(jīng)串行口發(fā)送給FPGA芯片，通信模塊接收數字信息后依次傳送給擴頻模塊BPSK 調制模塊，至此將接收到的數字信息進(jìn)行調制后產(chǎn)生的信號經(jīng)D/A轉換器轉換成模擬電信號，然后該電信號經(jīng)水聲換能器轉換成聲信號發(fā)送出去，攜載了發(fā)送方發(fā)送信息的聲信號在水下環(huán)境進(jìn)行傳播。其次是接收端，接收端同樣有一個(gè)水聲換能器負責將接收到的聲信號轉換成電信號，經(jīng)A/D 轉換器后，所得數據信號經(jīng)同步后進(jìn)行BPSK解調，最后將解調出來(lái)的數字信號經(jīng)通信模塊傳給串行口，從而發(fā)送給接收端，一次水聲通信過(guò)程完成。

　　2 系統的FPGA實(shí)現

　　CDMA又稱(chēng)碼分多址，是以擴頻通信為基礎的一種調制和多址方式，擴頻通信技術(shù)是一種信息傳輸方式，要求信號所占有的頻帶寬度遠大于所傳信息所必需的最小帶寬;頻帶的展寬是通過(guò)編碼及調制的方法實(shí)現的，并與所傳信息數據無(wú)關(guān);在接收端則用相同的擴頻碼進(jìn)行相關(guān)解調來(lái)解擴及恢復所傳信息數據。其理論依據是信息論中的香農公式：

　　C = B log2 (1 + S/N ) (1)

　　式中：C 為信道可能傳輸的 最大信息速率，表示信道容量;B 表示信道帶寬;S 表示信號的平均功率;N 表示噪聲功率。

　　從式(1)中可以看出：在信噪比很小的情況下，可以使用增加帶寬的辦法來(lái)提高系統的抗干擾性能，以保證信道容量不變。換句話(huà)說(shuō)，在信道容量相同的條件下，寬帶系統比窄帶系統的抗干擾性能要好，所以當信噪比太小而且不能保證通信質(zhì)量時(shí)，可以采用增加帶寬的方法來(lái)改善通信質(zhì)量。

　　圖3,圖4為直擴系統的工作原理圖，由信號源輸出的信息碼與偽隨機碼產(chǎn)生器產(chǎn)生的偽隨機碼進(jìn)行模2加或相乘，產(chǎn)生以速率與偽隨機碼速率相同的擴頻序列，然后再用載波去調制擴頻序列，就得到已擴頻調制的射頻信號。接收端解擴的過(guò)程與擴頻過(guò)程相同 ,用本地的偽隨機序列對接收信號進(jìn)行相關(guān)解擴后進(jìn)行解調。

　　圖3 發(fā)射單元原理圖

　　圖4 接收單元原理圖