基于FPGA的混合扩频发射机设计与实现

摘要：以Alter公司的FPGA为硬件平台，以QuartusⅡ为设计工具，来实现该直扩／跳频混合发射系统。顶层采用图形设计方式，各个模块均采用Verilog语言进行设计。编码模块采用了RS(255，223)码与卷积码(2，1，7)相结合，扩频模块采用GOLD码序列进行扩频，调制模块采用MSK调制。仿真结果表明：各个仿真模块均满足设计的要求，整个系统输出稳定无毛刺，达到了预期的效果。
关键词：直扩／跳频；发射机；Verilog HDL；MSK

0 引言
    扩频通信是将待传输的信息数据用伪随机序列进行调制，实现频谱扩展后再发射出去进行传输。在接收端，使用与发射端相同的伪随机码对接收到的信号进行相关处理，恢复出原来的信息。直扩／跳频(DS／FH)混合模式是一种有效的方法，它结合了直扩扩频与跳频扩频的优点，消除了直扩扩频与跳频扩频的局限性，可广泛应用于军事通信中，达到更好的抗干扰效果。
    该设计以FPGA为硬件平台，以QuartusⅡ为设计工具来实现直扩／跳频(DS／FH)发射机的。顶层采用图形设计方式，各个模块均采用Veri log语言进行设计，编码模块采用了RS(255，223)码与卷积码(2，1，7)相结合，扩频模块采用GOLD码序列进行扩频，调制模块采用MSK调制。

1 发射系统的总体框图
    所设计的发射机系统主要包括：信道编码器、组帧电路、直扩部分、成形电路、调制器、数／模转换器、频率合成器、RS码产生器、混频器、功放、天线等。组成框图如图1所示。

    射频部分主要采用跳频技术将中频信号进行频谱搬移，通过跳频调制和高频混频两步完成，用到频率合成技术和滤波等，这主要通过硬件实现。基带部分则完成FPGA的设计，下面将详细介绍。
    主要可以划分为以下几个模块：编码模块、组帧模块、扩频模块、调制模块。编码模块完成信息的RS编码和卷积编码；组帧模块在经过编码的数据前面添加位同步和帧同步信息；直接序列扩频模块将信号频谱扩展到一个很宽的频段上；MSK调制模块利用扩频序列去调制载波，将扩频调制信号搬移到射频上去，然后经过功率放大，D／A变换发送出去。

2 各个发射模块的功能介绍及设计
2．1 编码模块设计
    整个编码实现由4级组成，分别是RS编码、交织、并／串转换和卷积编码，如图2所示。

2．2 组帧模块设计
    在信息发送端，经过编码的数据插入状态标识组成数据帧。再加上同步序列、帧同步，组成1帧。组帧器的设计思路：首先将输入数据放入一个寄存器，输出12 b的同步序列，以及帧同步码——巴克码；之后，将保存的部分状态标识数据依次输出；最后，通过移位法将输人数据依次移位输出，输完之后加上帧尾。设计结果如图3所示。

    图3中：
    clk：时钟采样信号，组帧器在其上升沿处数据采样，并进行组帧运算。
    reset_n：组帧器异步复位控制信号。定义为1表示不进行复位操作，采样数据有效，组帧器正常操作；定义为0表示进行复位操作，采样数据寄存器清零，组帧器清零。
    data_in：信启、数据的输入端口，其位宽为1 b。
    state_in：状态标识输入比特。
    valid：输入数据的有效位。
    data_out：组帧后码字输出端口，其位宽为1 b。
    outvalid：输出数据的有效位。
2．3 扩频模块设计
    GOLD码序列产生器的设计结果如图4所示。在整个模块中分为2个进程。一是在时钟上升沿到来并且复位结束时，进行m序列优选对的算法，分别将两个31位的m序列值存入寄存器中，初值都为“11111”。另一个进程通过输入位valid进行判断。通过valid=1，进行对位异或运算，计算GOLD码，产生一组码后，将其保存，然后在连续零处添加1个零，然后输出，其余的码组通过移位实现，这样就生成了32 b×32 b的GOLD码，串行输出。

    图4中：
    clk：时钟采样信号，GOLD码编码器在其上升沿处数据采样，并进行产生GOLD码运算。
    reset_n：GOLD码编码器异步复位控制信号。定义为1表示不进行复位操作，数据有效，GOLD码编码器正常操作；定义为0表示进行复位操作，数据寄存器清零，并进行初值赋值。
    valid：开启计算GOLD码的开关。
    out：GOLD码输出端口，其位宽为1 b。
    outvalid：输出数据的有效位。
2．4 调制模块设计
    根据MSK的基本原理，并且根据公式改变频率控制字的值即可改变NCO的输出频率。其中FCW为用二进制初码表示的频率控制字。fin为NCO的采样频率，n为频率控制字的位数，相当为输入二进制初码的位数。即为输出所要求的频率。
    MSK调制器的实现需要3个必要条件。一是在码元转换时刻，进行FPGA中控制NCO的频率输出的切换。二是相位连续。由于NCO输出信号的相位始终能保持连续，满足了条件。三是在一个符号周期内必须包含1／4载波周期的整数倍。根据必要条件三，可以得出下式：
   
    因此，当fs=4 MHz，即输入MSK调制器的符号采样率为4 MHz，当n=20时，则fc为20 MHz，即载波频率为20 MHz。因此，便完成了MSK调制器的FPGA实现。
    根据上面的实现方式，需要一个开关，根据输入码字“1”或“0”来改变NCO输入频率字，分别输出频率24 MHz与16 MHz。于是设计的MSK调制器如图5所示，前面部分是开关，后面部分是NCO。

    图5中clk：时钟采样信号，MSK调制器的开关在其上升沿处数据采样。
    clk_sample：时钟信号，NCO时钟采样信号。
    data_in：MSK调制器的字符输入端口，其位宽为1b。
    reset_n：MSK调制器异步复位控制信号。定义为1表示不进行复位操作，数据有效，MSK调制器正常操作；定义为0表示进行复位操作，数据寄存器清零，MSK调制器清零。
    valid：开启MSK调制器的开关。
    out：MSK调制器输出端口，其位宽为16b。
    outvalid：输出数据的有效位。

3 验证与实现
    下面详细叙述采用CycloneⅡ开发板进行编码、组帧、扩频、调制模块的验证结果。
3．1 编码模块的验证
    首先验证RS编码模块。采用输入信号为1～223，这223个十进制数。通过Matlab仿真，输出的校正位应该是104，237，65，17，239，22，155，184，61，164，225，240，171，17，31，251，196，2，221，208，31，239，17，192，196，214，197，41，87，190，41，120。QuartusⅡ测试结果由图6所示。从图中可以看出，设计符合要求。

    其次验证交织编码模块。输入数据为上面RS编码器的输出。输出数据为1，17，33，…；2，18，34，…；3，19，35，…；…；16，32，48，…。仿真结果如图7所示。由于数据太长无法显示，只显示部分。

    最后验证卷积编码，同时达到验证整个编码器的功能的目的。输入数据为上述编码输入的数据。根据Matlab的仿真，输出的数据为1，1，1，0，1，1，1，1，0，0，0，1，1，1，0，0，1，1，1，0，…。仿真结果如图8所示，参考时钟为clk16。

3．2 组帧模块的验证
    组帧模块比较简单，状态标识通过外界输入，且长度要求为31b。此模块的输入数据为上面编码模块的输出数据。仿真结果如图9所示，从frame_valid为高电平开始，输出12 b的“1”的导频码；后面是7 b的帧同步码——巴克码；之后，将部分状态标识数据与卷积编码器的输出数据1，1，1，0，1，1，1，1，0，0，0，1，1，1，0，0，1，1，1，0，…依次输出；最后输出剩余状态标识数据。
3．3 扩频模块的验证
    扩频实现原理：输入数据与扩频码进行异或运算，需要一个异或运算器，如图10所示。

    图10中clk：时钟信号，异或运算器在其上升沿处数据采样。
    frame_data：异或运算器的数据输入端口，其位宽为1b。
    frame_valid：输入数据的有效标志位。
    gold_valid：GOLD码输出有效标志位。
    gold_data：GOLD码。
    goldout_valid：输出数据有效标志位。
    gold_out：异或运算器输出端口，其位宽为1b。
    扩频模块的输入数据为组帧模块输出的数据，码为GOLD码。仿真结果如图11所示，clk16_31是采样时钟，frame_out是数据输入，gold是GOLD码输入，out为输出。

3．4 调制模块的验证
    由于是验证模块的正确性，因此时钟与数据都是随便取的。将程序下载到FPGA平台上，通过SignalTapⅡ捕捉数据。结果如图12所示，clk1M是输入数据，out是MSK调制的输出结果。

4 结语
    FPGA是整个发射机的核心，且FPGA的可编程性使电路的设计更具灵活性。本文即是以FPGA为硬件设计平台，QuartusⅡ为设计工具设计实现的一种直扩／跳频混合扩频发射系统。给出了发射机的系统模型，以及各个模块的设计原理和仿真波形。仿真结果表明该FPGA设计是正确可行的，加入了扩频模块，使得整个系统具有较高的性能指标，输出稳定无毛刺。