摘 要： 基于水声通信系统的需求，设计了基于FPGA的CDMA技术的调制/解调模块，选用m序列作扩频码，BPSK作为调制方式。该设计在EP3C10E144C8N芯片上，实现了各个功能模块，完成了CDMA调制/解调功能，仿真结果表明该设计功能正常并且工作稳定。CDMA调制/解调模块将应用于水声通信系统。
关键词： 水声通信； CDMA； BPSK； FPGA
中图分类号： TN76?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）07?0009?03
Research and implementation of CDMA modulation/demodulation technology
based on FPGA
ZHANG Jin?jin， LI Xin
（College of Information Science and Engineering， Ocean University of China， Qingdao 266100， China）
Abstract： In order to meet the needs of underwater acoustic communication system， the modulation/ demodulation module of CDMA technology based on FPGA was designed. The m sequence is used as spread spectrum code and BPSK is taken as the modulation mode. Each functional module was achieved and CDMA modulation / demodulation function was completed on EP3C10e144c8n. The simulation results show that the system works properly and stably. The CDMA modulation / demodulation module will be applied to underwater acoustic communication system.
Keywords： underwater acoustic communication； CDMA； BPSK； FPGA
0 引 言
任何信息需要借助声、光、电信号进行传递，由于光信号和电信号在海水中的衰减比较严重，而声波是人类迄今为止已知的惟一能在水中远距离传播的能量形势，因此，近些年海洋中的水声通信系统的研究以及开发成了热点。水声通信是指利用水声信道进行通信双方数据传输的通信系统，水声通信系统构成与传统的无线电通信系统构成具有极大的相似性，但是水声通信系统是将电信号转换成声信号，携载信息的声信号在水中进行传播完成系统的数据传输。
1 水声通信系统的总体结构
基于CDMA的水声通信调制/解调系统的设计框图如图1所示，整个设计系统主要实现了信号的CDMA调制/解调、控制DAC以及ADC进行数字采集，模数转换和数模转换由专用的集成芯片来实现。功率放大器的功能是实现对调制信号的放大，信号放大与调理是功率放大的逆过程；发射水声换能器实现将经过放大器产生的电磁能转化为声能，接收水声换能器是将接收到的声信号转化为电信号。
图1 水声通信系统基本模型
设计的水声通信系统电路原理框图如图2所示。系统的主控制芯片是Altera公司的Cyclone Ⅲ系列的EP3C10E144C8N，内部主要包括通信模块、扩频模块、BPSK调制模块及相应的解调模块；外围电路包括整个系统的供电电路、实现A/D转换的ADS7800芯片、实现D/A转换的TY5639芯片、为整个系统提供时钟信号的的晶振电路、实现TTL电平与CMOS电平兼容的电平转换芯片74HC245A、用于烧写目标程序的JTAG接口，另外还包括数据传输的电路等。
图2 水声通信系统的电路设计框图
该系统的工作过程：首先是上位机模拟发射端，将要发送的数字信号经串行口发送给FPGA芯片，通信模块接收数字信息后依次传送给扩频模块BPSK调制模块，至此将接收到的数字信息进行调制后产生的信号经D/A转换器转换成模拟电信号，然后该电信号经水声换能器转换成声信号发送出去，携载了发送方发送信息的声信号在水下环境进行传播。其次是接收端，接收端同样有一个水声换能器负责将接收到的声信号转换成电信号，经A/D转换器后，所得数据信号经同步后进行BPSK解调，最后将解调出来的数字信号经通信模块传给串行口，从而发送给接收端，一次水声通信过程完成。
2 系统的FPGA实现
CDMA又称码分多址，是以扩频通信为基础的一种调制和多址方式，扩频通信技术是一种信息传输方式，要求信号所占有的频带宽度远大于所传信息所必需的最小带宽；频带的展宽是通过编码及调制的方法实现的，并与所传信息数据无关；在接收端则用相同的扩频码进行相关解调来解扩及恢复所传信息数据。其理论依据是信息论中的香农公式[1]：
[C=Blog2（1+SN）] （1）
式中：[C]为信道可能传输的最大信息速率，表示信道容量；[B]表示信道带宽；[S]表示信号的平均功率；[N]表示噪声功率。
从式（1）中可以看出：在信噪比很小的情况下，可以使用增加带宽的办法来提高系统的抗干扰性能，以保证信道容量不变。换句话说，在信道容量相同的条件下，宽带系统比窄带系统的抗干扰性能要好，所以当信噪比太小而且不能保证通信质量时，可以采用增加带宽的方法来改善通信质量[2]。
