黃小娟，王福明

（中北大學(xué)，機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，山西，太原 030051）

0 引言

CDMA（Code Division Multiple Access）是在數(shù)字通信技術(shù)的分支擴(kuò)頻通信的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一項(xiàng)技術(shù)。它主要用于利用相互正交（或者盡可能正交）的不同編碼分配給不同用戶調(diào)制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)多用戶同時(shí)使用同一頻率接入系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)的通信。本文針對(duì)CDMA碼分多址技術(shù)設(shè)計(jì)1個(gè)4路用戶傳輸系統(tǒng),省去了載波調(diào)制部分,把CDMA擴(kuò)頻系統(tǒng)中傳輸?shù)男盘?hào)簡(jiǎn)化為數(shù)字基帶信號(hào),并做出一個(gè)與之相應(yīng)的擴(kuò)頻編碼調(diào)制收發(fā)系統(tǒng)，系統(tǒng)采用Walsh函數(shù)正交碼作為地址碼調(diào)制原數(shù)據(jù)信號(hào),選用m序列作為擴(kuò)頻的偽隨機(jī)碼。

1 CDMA基帶系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)平臺(tái)

開發(fā)工具軟件采用Altera公司的EDA工具M(jìn)AX+PlusII。利用MAX+P1usII中提供的編程語(yǔ)言設(shè)計(jì)方法和圖形設(shè)計(jì)方法實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)各部分的功能。

1.2 CDMA系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

CDMA技術(shù)基于擴(kuò)頻通信的基本原理，將要傳送的具有一定信號(hào)帶寬的信息數(shù)據(jù)，用一個(gè)帶寬遠(yuǎn)大于信號(hào)帶寬的高速偽隨機(jī)編碼信號(hào)去調(diào)制它，使原信息數(shù)據(jù)信號(hào)的帶寬被大大擴(kuò)頻，再經(jīng)載波調(diào)制后發(fā)射出去。接收端則使用完全相同的偽隨機(jī)碼，與接收的帶寬信號(hào)做相關(guān)處理，把寬帶信號(hào)變換成信息數(shù)據(jù)的窄帶信號(hào)（解擴(kuò)）實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。這種擴(kuò)頻通信的明顯特點(diǎn)是采用編碼調(diào)制、頻譜擴(kuò)頻和相關(guān)處理技術(shù)。使用擴(kuò)頻編碼調(diào)制易于保密也可供多用戶使用。另外，對(duì)信息數(shù)據(jù)的頻譜擴(kuò)展，使功率譜密度明顯降低，既不容易被別人發(fā)現(xiàn)又不容易干擾別人。CDMA通信多址干擾的大小決定于擴(kuò)頻編碼間的互相關(guān)值，如果該值非常小乃至可以忽略，那么接收調(diào)解輸出結(jié)果就只有原數(shù)據(jù)信號(hào)和噪聲。所以CDMA可在同一載波頻率上同時(shí)傳送多個(gè)用戶的信息、數(shù)據(jù)、實(shí)現(xiàn)多址通信。編碼之間的互相關(guān)值越小，多址通信用戶就越多。

2 總體設(shè)計(jì)

2.1 CDMA的整體設(shè)計(jì)框圖

整體框圖如圖1所示。

表1 觸發(fā)時(shí)鐘分頻

2.2 利用VHDL語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)的3分頻、24分頻、96分頻電路模塊圖

實(shí)現(xiàn)的3分頻電路模塊圖為圖2所示。

圖2 3分頻電路模塊

實(shí)現(xiàn)24分頻電路的模塊圖為圖3所示。

圖3 24分頻電路的模塊圖

實(shí)現(xiàn)了96分頻電路的模塊圖為圖4所示。

圖4 96分頻電路的模塊圖

3 本系統(tǒng)完成的功能

本收發(fā)系統(tǒng)主要由調(diào)制器和解調(diào)器兩部分組成。它們完成的功能如下:

（a）調(diào)制器:內(nèi)嵌于編碼器中的信息信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的4路輸入信號(hào),經(jīng)Walsh調(diào)制、PN擴(kuò)頻、基帶求和與并串變換成為1路信號(hào),完成調(diào)制。

（b）解調(diào)器:接收端將收到的1路信號(hào)首先進(jìn)行串并變換,在取得同步的基礎(chǔ)上進(jìn)行PN解擴(kuò)和Walsh解調(diào),恢復(fù)出4路輸入信息。

3.1 Walsh碼發(fā)生器

Walsh函數(shù)是一種非正弦的完備正交函數(shù)集。由于它采用的是數(shù)字系統(tǒng)，比較適合于用來表達(dá)和處理數(shù)字信號(hào)。

考慮到是數(shù)字基帶系統(tǒng),本系統(tǒng)采用的Walsh碼組應(yīng)為:

W1={1,1,1,1}; W2={1,0,1,0};

W3={1,1,0,0}; W4={1,0,0,1}。

該發(fā)生器利用MAX+PlusII編程實(shí)現(xiàn)較簡(jiǎn)單,在Walsh碼時(shí)鐘(全局時(shí)鐘的24分頻)的控制下,每出現(xiàn)一次時(shí)鐘跳變事件,輸出端以4為周期依次輸出1111,1010,1100和1001的碼序列。

沃爾什(Walsh)碼是正交碼，經(jīng)常被用作碼分多址系統(tǒng)的地址碼，Walsh碼產(chǎn)生模塊作為擴(kuò)頻傳輸?shù)牡刂反a，并且具有檢測(cè)使用中的兩路Walsh碼是否正交的功能。本設(shè)計(jì)中使用Walsh，存儲(chǔ)在發(fā)射端數(shù)據(jù)寄存器中，擴(kuò)頻過程中根據(jù) Walsh碼的地址控制信號(hào)。抽取兩路 Walsh碼分別對(duì)兩路消息碼進(jìn)行擴(kuò)頻。接收端截獲串行的數(shù)字信息流后 ，從接收端的數(shù)據(jù)寄存器中取出Walsh碼對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行解擴(kuò)。Walsh碼電路的設(shè)計(jì)思路運(yùn)用了譯碼的原理來實(shí)現(xiàn)。

3.1.1 生成Walsh碼調(diào)制（地址編碼）的模塊圖

Walsh碼調(diào)制所生成的模塊圖為圖5所示。

Walsh碼調(diào)制的仿真圖為圖6所示。

圖6 Walsh碼調(diào)制的仿真圖

3.2 PN碼、信息碼發(fā)生器

利用7個(gè)D觸發(fā)器相互級(jí)聯(lián)實(shí)現(xiàn)周期為127的PN序列。具體構(gòu)成依據(jù)m序列特征多項(xiàng)式,由MAX+PlusII提供圖形設(shè)計(jì)方法實(shí)現(xiàn)。PN碼時(shí)鐘為全局時(shí)鐘的3分頻。

信息碼的產(chǎn)生則只需在信息碼時(shí)鐘的控制下,從同樣的級(jí)聯(lián)中引出4路信號(hào)作為信息碼,信息碼時(shí)鐘為全局時(shí)鐘的96分頻。

3.2.1 生成PN擴(kuò)頻的模塊圖

由PN擴(kuò)頻所生成的模塊圖為圖7所示。

3.3 調(diào)制與解調(diào)

在數(shù)字基帶系統(tǒng)中,Walsh碼調(diào)制可以簡(jiǎn)單地用同或門來實(shí)現(xiàn),而PN擴(kuò)頻則可通過簡(jiǎn)單的異或門實(shí)現(xiàn)。

在實(shí)現(xiàn)Walsh碼解調(diào)與解擴(kuò)時(shí),PN解擴(kuò)只需在接收端加1異或門。下面著重介紹一下Wlash碼解調(diào)的方法— —相關(guān)檢測(cè)。

相關(guān)檢測(cè)原理舉例解釋(見表2)。

表2 相關(guān)原理檢測(cè)舉例解釋

Walsh調(diào)制碼即原信息碼與Walsh碼同或,所得4路碼統(tǒng)計(jì)所得1的個(gè)數(shù)并轉(zhuǎn)化成相應(yīng)3比特并行碼,例如表中Walsh編碼的第1列轉(zhuǎn)化為010,第2列為100。在接收端則根據(jù)傳遞來的接收信息逐路進(jìn)行相關(guān)檢測(cè)。相關(guān)檢測(cè)規(guī)則列于表3中。

表3 相關(guān)檢測(cè)規(guī)則

2.2.3 數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收

1）當(dāng)多點(diǎn)的溫度被讀取完之后，溫度數(shù)據(jù)被存儲(chǔ)在相應(yīng)的寄存器內(nèi)，然后，單片機(jī)通過SPI通信，把數(shù)據(jù)發(fā)送給NRF905的發(fā)射緩沖區(qū)；完成發(fā)射任務(wù)后，單片機(jī)進(jìn)行下一輪的溫度采集。

2）另一邊的NRF905檢測(cè)到所設(shè)定的發(fā)射頻率所發(fā)出的信息，進(jìn)行地址校正后，開始接收數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)按順序存放在單片機(jī)的寄存器內(nèi)，用于數(shù)碼管顯示。由于數(shù)碼管顯示是用動(dòng)態(tài)的掃描顯示，在時(shí)間的處理上，單片機(jī)的內(nèi)部程序的延時(shí)要恰當(dāng)，否則會(huì)出現(xiàn)數(shù)碼管跳動(dòng)顯示或者只顯示其中一個(gè)的情況。

3 實(shí)驗(yàn)論證

本實(shí)驗(yàn)用到5個(gè)DS18B20，為了驗(yàn)證數(shù)據(jù)的正確性，首先將各個(gè)傳感器按順序進(jìn)行編號(hào)。把5個(gè)傳感器放在一個(gè)恒溫箱內(nèi)（本實(shí)驗(yàn)恒溫箱為20℃），另一邊的接收數(shù)據(jù)顯示的溫度都是同樣的溫度。這樣做的目的是保證整個(gè)系統(tǒng)的采集是正確的。用手捏住第一個(gè)傳感器，進(jìn)過幾秒鐘之后，檢測(cè)接收數(shù)據(jù)，第一個(gè)的數(shù)據(jù)為32.5℃，明顯高于其他4個(gè)。接著放開手，用手捏住第二個(gè)傳感器，并以此類推，可以分別得到用手捏的溫度為33.0℃, 32.5℃,32℃, 32.5℃。由于手捏的時(shí)間和手溫不一定一致，會(huì)有一個(gè)很小的誤差，對(duì)于本設(shè)計(jì)來說，可以忽略。實(shí)驗(yàn)證明，本系統(tǒng)是確實(shí)可行的。

[1]趙麗娟,邵欣,房世平.基于單片機(jī)的溫度監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].機(jī)械制造,2006(01).

[2]徐姍姍，楊福寶.基CC1000的無(wú)線通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].中國(guó)水運(yùn),2007,12(5):1-4.

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[4]涂兵,肖洪祥.無(wú)線測(cè)溫在電子產(chǎn)品中的應(yīng)用研究[J].電子測(cè)試，2008(7).

[5]DS18B20數(shù)據(jù)手冊(cè) http://www.aterlin.com/upload/files/2008/10/20081017153504555.pdf.

[6]莢慶,王代華,張志杰.基于NRF905的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)[J].國(guó)外電子元器件,2008(01).

[7]NRF905數(shù)據(jù)手冊(cè)http://wt.down.elecfans.com/dm/elec/nRF905%20CN.PDF.

[8]楊光松.基于NRF905的無(wú)線溫度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].微計(jì)算機(jī)信息,2008 (22).