图3，图4为直扩系统的工作原理图[3]，由信号源输出的信息码与伪随机码产生器产生的伪随机码进行模2加或相乘，产生以速率与伪随机码速率相同的扩频序列，然后再用载波去调制扩频序列，就得到已扩频调制的射频信号。接收端解扩的过程与扩频过程相同，用本地的伪随机序列对接收信号进行相关解扩后进行解调。
图3 发射单元原理图
图4 接收单元原理图
2.1 发射单元设计
发射单元主要包括伪随机序列码模块（PN码发生器），扩频模块，BPSK调制模块[4]。
2.1.1 PN码发生器
PN码发生器采用m序列发生器的原理[5]，m序列式最长线性移位寄存器，是由移位寄存器加反馈后形成的。一个线性反馈移存器能产生m序列的充分必要条件为：期特征多项式为本原多项式。本设计设计了一个7级周期为127的发生器，所选用的本原多项式为[f（x）=1+x+x2+x6，]使用VHDL语言编写。
2.1.2 扩频模块
将PN码发生器生成的m序列与输入的数字信号进行异或，完成扩频功能。扩频模块的RTL图如图5所示。
图5 扩频模块RTL图
2.1.3 BPSK调制模块
调制模块选择了具有恒包络特性的BPSK调制，它是通过基带信号控制载波的相位，使得载波相位发生跳变的一种调制方式。当码元为‘1’时，调制后相位变为180°，当码元为‘0’，时，调制后相位变为0°，为此设计了BPSK调制模块，设计例化了两个ROM，通过Matlab生成.mif文件用来存放0°和180°的数据，另外还有地址选择器，数据选择器。
整个发射端的仿真图如图6所示，clk为系统时钟，clk_bpsk为进行BPSK调制的时钟，datain为输入数据，m_out为生成的m序列，spre_out为扩频后的波形，bpsk_out为BPSK调制后的输出。从结果可以明显地看出输出信号有两次相位变化，一次是从0°～180°的跳变，另一次是从180°～0°的跳变，可以看到数据被正确的调制。
图6 发射单元仿真图
2.2 接收单元设计
为了验证设计系统的可行性，系统里设计了BPSK 解调和解扩模块，并将发射端调制好的数据直接作为接收端的输入数据。BPSK 解调模块里同样例化了一个ROM[6] ，存储了相位为0°的数据，将通过载波同步后的数据与ROM的输出数据进行相乘，然后进行抽样判决，判决结果如图7所示，图中spre_out为发射端扩频完的数据，sam_out为进行抽样判决后并延时了70个clk_bpsk，目的是为了将数据恰好在数据始终的上升沿，p_out表示开始进行解调输出，从图中可以看出判决延时后的数据恰好与扩频后的数据完全相同，只是延时了一段时间表示解调时间。
图7 BPSK解调模块结果图
假设解扩模块里已进行PN码的同步，此处只是进行了一定时间的延时，使其恰好与发射端PN 码相同，然后与 BPSK 解调后的数据进行异或，得到输出数据，结果如8所示，sp_end 为解扩完的数据，p_end 为标志位表示开始进行解扩，datain 为输入的原始数据，从图中可以看出解扩的数据域最初的原始输入数据相同，只是有一段时间的延时，可看出系统进行了正确的解调。
图8 解调仿真图
3 结 语
本文设计了一个基于FPGA的直接序列扩频系统的水声通信调制/解调系统，目的在于使水声无线通信中具有更强的抗干扰性和保密性，系统中包含了信号的扩频及BPSK调制以及相应的解调模块，并且在Modelsim仿真软件上验证成功。虽然BPSK调制相对于2FSK，2ASK具有带宽窄、频率高、抗干扰性强等优点，广泛的应用于中高速通信中[7]。但是在更高速的通信系统中，BPSK调制已经不能满足频带利用率和系统的有效性等要求，故基本采用多进制调相系统。此外，绝对调相系统会产生倒相现象，因此应该考虑采用相对相位调相系统，基于该思路的水声无线通信一定会有更好的应用前景。
参考文献
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[4] 张桂林.直接序列扩频系统的仿真及FPGA的实现设计[D].太原：太原理工大学，2012.
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