基于FPGA的多用户扩频码捕获研究及硬件仿真

论文摘要

扩频通信技术具有抗干扰能力强、隐蔽性好、可以实现码分多址等许多独特的性能。扩频技术在数字蜂窝移动通信系统、卫星移动通信、室内无线通信和未来的个人通信中被广泛采用。在扩频系统中,直接序列扩频码分多址（Direct Sequence Code Division Multiple Access, DS-CDMA）系统是目前应用最广泛的扩频系统。码分多址技术有着能处理多媒体数据业务的异步特性,提供比传统多址技术更高的系统容量,抵抗信道的频率选择性衰落以及提供方便的多用户接入等优势。这使得直扩码分多址技术在未来的移动通信系统中具有决定性的应用前景。对扩频码的捕获一直是DS-CDMA中重点研究的问题。在含有多个用户的直扩系统（Direct Sequence Spectrum system, DS-SS）中,不同用户的扩频信号之间会产生多址干扰的问题。这是多用户扩频系统中扩频码捕获的难点之一。本文从异步码分多址系统出发,对由5个用户组成的多用户直扩系统的扩频码捕获进行了研究。论文首先阐述了扩频通信的基础知识,并对目前主要的直接序列扩频码捕获方法进行了分析和比较。针对系统的特点及实现问题,本文采用了一种改进的捕获结构,即多路延时相关捕获。该结构易于在FPGA芯片中实现,同时综合考虑了设备复杂度和捕获时间两方面的因素,在适当增加硬件规模的情况下,也很好地提高了捕获速度。然后论文应用MATLAB对设计的捕获方案进行软件仿真,并对相关捕获算法进行仿真验证。最后,论文应用高速硬件描述语言,基于Altera公司的FPGA对多路延时相关捕获方法予以实现,并在Modelsim中完成系统的硬件仿真。系统采用模块化设计,其中采样后的数据量化阶数、相关累加器、用户扩频码及码的长度等都可以很方便地更改。这有利于系统将来的扩展,以及复用于同类的扩频系统,体现了较好的灵活性和兼容性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题来源
• 1.2 课题研究的背景
• 1.3 课题研究的目的和意义
• 1.4 国内外在该方向的研究现状及分析
• 1.5 课题研究的主要内容
• 第2章 扩频码捕获理论基础
• 2.1 扩频技术的理论基础
• 2.1.1 香农公式
• 2.1.2 扩频通信系统的数学模型
• 2.1.3 直接序列扩频系统
• 2.2 伪随机序列
• 2.2.1 m 序列
• 2.2.2 M 序列
• 2.2.3 Gold 序列
• 2.3 码分多址系统
• 2.3.1 CDMA 的产生与发展
• 2.3.2 CDMA 技术的特点
• 2.3.3 DS-CDMA 系统
• 2.4 本章小结
• 第3章 常用捕获方法研究及方案的选择
• 3.1 扩频码捕获的基本原理
• 3.2 扩频码捕获的研究内容
• 3.3 滑动相关捕获法
• 3.3.1 滑动相关捕获法原理
• 3.3.2 滑动相关捕获法性能分析
• 3.4 匹配滤波器捕获法
• 3.4.1 匹配滤波器捕获法原理
• 3.4.2 匹配滤波器捕获法性能分析
• 3.5 序列相位搜索捕获法
• 3.5.1 序列相位搜索捕获法原理
• 3.5.2 序列相位搜索捕获法性能分析
• 3.6 多路延时相关捕获法
• 3.6.1 多路延时相关捕获法原理
• 3.6.2 多路延时相关捕获法性能分析
• 3.7 本章小结
• 第4章 系统设计及软硬件仿真
• 4.1 系统参数与工作环境
• 4.2 系统设计及软件仿真
• 4.2.1 扩频码的选择与构造
• 4.2.2 扩频信号的产生
• 4.2.3 相关运算的仿真验证
• 4.3 系统方案的VHDL 描述及硬件仿真
• 4.3.1 系统硬件功能框图
• 4.3.2 前端处理
• 4.3.3 载波相位偏移的解决与ROM 模块设计及仿真
• 4.3.4 扩频码产生模块的设计及仿真
• 4.3.5 累加模块的实现与仿真
• 4.3.6 系统实现与仿真
• 4.4 结果分析
• 4.4.1 FPGA 芯片选择
• 4.4.2 芯片占用资源情况
• 4.4.3 捕获时间分析
• 4.4.4 以最大相关值为判决方式
• 4.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢