关于FPGA的直接扩频通信系统设计

导读

本篇适用于有一定通信基础的大侠，本篇使用的理论不仅仅是扩频通信。为了便于学习，本章将会以实战的方式，对整个工程的仿真。并对一些关键的仿真结果进行说明。各位大侠可依据自己的需要进行阅读，参考学习。

第三篇内容摘要：本篇会介绍系统的仿真设计。

仿真

一、模块的建立及其仿真环境的生成

1.1、在计算机上，找一个没有中文字符的目录，新建以下几个文件：

可以建立的文件，sim_wave.do 是仿真波形保存文件.tt.do。其代码如下：

#建立 library 名为”work”vlib workvmap work work#编译当前目录（。/）中的 top.v、mcu.v …。 vlog -work work -L mtiAvm -L mtiOvm -L mtiUPF 。/top.vvlog -work work -L mtiAvm -L mtiOvm -L mtiUPF 。/mcu.vvlog -work work -L mtiAvm -L mtiOvm -L mtiUPF 。/slaver.vvlog -work work -L mtiAvm -L mtiOvm -L mtiUPF 。/coder.vvlog -work work -L mtiAvm -L mtiOvm -L mtiUPF 。/add_noise.vvlog -work work -L mtiAvm -L mtiOvm -L mtiUPF 。/decoder.vvlog -work work -L mtiAvm -L mtiOvm -L mtiUPF 。/correct.vvlog -work work -L mtiAvm -L mtiOvm -L mtiUPF 。/Correct_Decoder.v#仿真 work 中的 top 模型vsim -novopt work.top

以上是输入方式进行仿真，也可以直接使用图形化的方式进行仿真。但没有开始仿真，因为我们以下还要添加一条语句。但没有响应的文件。tt.bat 的代码如下：

echopausevsim -do 。 t.dopause

tt.bat 文件为批处理文件，仅为打开 modelsim、运行 tt.do 文件使用。也可以不使用该文件（以下不会详细介绍）。

1.2、将对应的代码写到相应的文件中（sim_wave.do、tt.bat 文件可以不管）。

1.3、用 modelsim 的打开方式打开 top.v 文件（或者你先打开 modelsim，然后把目录修改成以上所述的目录也可）。运行的界面如图 7（modelsim6.5d）：

图中的乱码均为modelsim不兼容我所使用的notepad软件编写的中文字符，大侠均可不以理睬。

1.4、在 Transcript 中输入”do tt.do”，运行当前目录下的 tt.do 文件。运行过程中，最后跳出如图 8 的窗口。如果有错误，会在 Transcript 中用红色字体说明（当然，这里都是英文）。

图8

在框图 1 中为整个仿真平台上的模型，可以点击模型+展开。框图 2 显示当前模型所含的项目。

1.5、添加波形，如图10、11，对模块 coder 添加波形，并对波形进行分组。

图10

图11

对所有仿真模型添加波形，并且分组，如图 12。

图12

1.6、仿真开始 在 Transcript 中输入”run -all” 等待结果。以上将生成仿真环境的全过程。下面会将对各个模块进行说明。

二、模块仿真

2.1、模块 mcu 仿真

mcu 扮演一个信源产生模块。

在 send_ena 使能的情况下，当 insourse_ena 为高时，数据从 indatabyte 第 7 位端口输出到 coder 模块，图中发送十六进制 24 的过程，仅在 insourse_ena 为高时发送。该模块还产生两个时钟，两个时钟分别是 31 倍的频率。clk1 和 clk31。

2.2、模块 coder 仿真

模块 coder 将对 mcu 传送的数据进行编码、扩频。

图中的 in_data_buf 为发送码，当接收到 send_ena 后，先发送头和数据帧，然后才发送数据如图中从 133600us 开始发送数据”0010”（十六进制 2）后发送监督码的”101”，在 177000us 开始发送数据”0100”（十六进制 4）后发送监督码”110”。所有数据经过信道编码后，out_data 发送出去。

2.3、模块 noise 仿真

添加干扰，经 coder 发送的 2bit 数据扩展到 3bit 数据，并与噪声进行加性。

图中是对 1bit 数据进行扩频后，其中 un_noised_data 为输入数据（无噪声）、经过与 noise 数据相加，得到数据 noised_data。这模块就是充当信道中的加性干扰源。

2.4、模块 decoder 仿真

解扩是本系统的设计重点。它包含同步头的同步和数据的接收等。

本设计采用一个循环伪随机作为解扩码。采用一个 31bit 的寄存器，初始化为级数为 5 的 m 序列，首尾循环。那么，在寄存器每一位上采数，都可以得到一个伪随机序列。分别得出 31 个 m 序列。而且靠近的寄存器位，采集的 m 序列只有一位的移位。因此，可以采用该方法，在发送端发送的数据，不管为何时发送，在 31bit个寄存器中的 1 个寄存器中与之对应。更通俗的说法，不管发送设备何时开始发送。都可以在 31bit 的寄存器中找到一个寄存器采到的 m 序列与之对应。

由于在 31 比特的寄存器同时采数是比较耗费 FPGA 内部资源，所以本设计采用寄存器的每 10 个 bit 位进行一一处理。如果前 10 个没能找到对应的 m 序列，则累加到后 10 个，以此类推，在 3 次的累加中，总能完全扫描完 31bit 位的寄存器。此时可以找到对应的比特位。

由于发送设备的数据头为 10 个”1”和 1 个”0”，而在 10 个”1”中的 1 是延伸的，没法直接得到相邻”1”的交界，而在得到合适的 m 序列位后，必须进行同步，同步的方法为采集最后一个”0”作为同步。

在接收完成数据头后，进行数据帧同步。数据帧是 4bit 数据”0000”和 3bit 监督位”000”。

接收完成数据帧之后才是数据的开始。由于数据比较大，累加基数这里是 100，阀值为 30，那么，当接收到 130，说明接收到一个”1”。

接收的整体工作状态，sum1~sum10 分别采集 10 个寄存器比特位，当有1 个接收超过 130，说明寄存器该为上的 m 序列可以接收到 1 个”1”，sum 是对数据帧和数据的解扩统计。

一个完整数据解扩的过程，clk31 是采集时钟，数据为 in_data_buf，从输入到输出，延迟一段时间后传送到解扩模块。psumi 为解扩的值，通过累加得到sum（in_data［2］判断。为 1，则加;为 0，则减）。如果 sum 超过 130，说明发送数据为”1”，否则为”0”。（以上为数据”1”的例子）

通过解扩的数据，送到 correct 模块进行纠错。

2.5、模块 correct 仿真

模块 correct 为纠错模块。它将解扩后的数据进行分析，即对汉明码的反运算。该模块的仿真过程省略。

2.6、模块 Slaver 仿真

Slaver 是接收模块端，它将解扩、纠错后的数据进行存储。仿真过程省略。

2.7、模块 Top 仿真

Top 模块应该放第一块讲解，因为它是一个仿真平台，它的子模块包括 mcu 和slaver。它将两个模块的发送接收进行统计、并且进行计算、输出，并对模块参数设置。以下设置发送数据比特位为 500 的输出结果（图 19、图 20）：

图19

图20

以上是整个设计的仿真过程。

本篇到此结束，直接扩频通信也到此结束，各位大侠，有缘再见！

编辑：jq