基于FPGA的通信信号处理的设计

【摘要】和传统的通信信号处理技术相比，FPGA技术具有更多的优点。基于FPGA的通信信号处理设计主要依靠扩频通信技术为支撑，它具有保密和抗干扰性能强、抗衰落能力强、多址通信的优点。通信信号处理的设计中主要包括信号采集板和信号处理板的设计，文章也针对这信号采集板的电路结构和信号处理板的硬件结构做简要叙述。

【关键词】FPGA技术;通信信号处理;扩频通信技术

0.引言

通信信号的处理是指将传统信号数字化，在对数字化信号进行采集变换等方式处理后，最终将传统信号转化为符合需求的信号形式。虽然不同的应用场合的数字处理设备大有不同，总的来可以分为DSP以及FPGA两种。FPGA是英文Field Programmable Gate Array（现场可编程门阵列）的缩写，随着FPGA技术的不断发展，FPGA通信信号处理技术可以很好的解决DSP技术存在的运行规模小、运行速度慢的缺陷。而且FPGA还具有便于系统集成和扩展的优势，越来越多信号处理工程师将FPGA应用于通信信号的实时处理中，该技术的应用已经成为未来通信信号处理的发展趋势。

1.扩频通信技术

1.1 扩频通信技术的概述

扩频通信技术是FPGA的通信信号处理设计的主要技术支撑。扩频通信技术的理论基础来源于香农公式抗干扰理论C=W log2（1+S/N）b/s其中W为信道的宽度，S为信道内所传信号的平均功率，N为信道内部的高斯噪声功率[1]。扩频通信技术中的发射扩频信号占用的宽带大于调制信号宽带，通信信号的接受端也采用相同的扩频码对信号进行解调，将信号转化为所传输的信息。

常见的扩频系统有DSSS系统、跳时扩频系统、FHSS系统等等[2]。扩频信息技术具有众多的优点，该技术在军用和民用领域都有广泛的应用。

1.2 扩频通信技术的优势

1.2.1 保密和抗干扰性能强

通信信号经扩频技术处理后，其功率谱密度特性会发生变化，并和噪音类似，可以很好的实现一些信号对“隐蔽”的需求[3]。而且扩频技术处理后，生成的扩频序列具有一定的未知性，通信信号被他人截获和窃听的可能性降低，通信信号的安全性、保密性更好;通信信号经扩频技术处理后，通信信号可以在更宽的宽带中传输，干扰信号也会处于更宽的宽带中，可以有效的降低干扰信号的干扰功率，扩频信号和噪声的功率比值也会增加，通信信号的抗干扰能力也随之提高。

1.2.2 抗衰落能力强

由于扩频信号需要占据更宽的宽带，及时扩频信号出现衰弱的情况，也只对小部分扩频信号产生影响，大部分扩频信号依旧处于正常的传输状态，对整个频带内的扩频信号影响有限，因而扩频通信技术具有较强的康衰弱能力。

1.2.3 多址通信

不同的扩频码之间的几乎不存在互相关的特性，它们只具有较好的自相关的特性。扩频码的这种特性可以实现扩频通信在不同的扩频序列中使用，形成形式不同的通信网络。在不同的通信网络中，无论频带上存在多少用户，用户之间的通信也不会存在干扰情况发生，很好的实现多址通信的目的，同时也减少了频带资源的使用和浪费。

2.通信信号处理系统设计

2.1 信号集板的设计

信号采集板的主要功能为将接受的信号通过一定技术采样，将信号转换为数字信号，将将所采集的数字信号通过一定的技术手段发送至信号处理板上[4]。通信信号采集板的电路原理如下图。本次设计采用的放大器为具有较高放大性能的OPA690。当外界模拟信号经放大滤波处理后由A/D芯片将模拟信号转换为数字信号，并输入至FPGA的开发板DE2。四角有源晶振作为系统时钟晶振，比采用内部振荡器的DSP设计更加简便。而且采集的信号质量更高，树池的信号也更加稳定。和方波信号相比，其输出信号的占空比也更低，只为方波信号的50%左右。电源端施加电压的大小决定了信号的幅度。信号采集板对采用的为A/D芯片，这种芯片对电源输端的输入的电压的要求极为严格，必须稳定在5V左右[5]。

图1 高速信号采集板电路图设计

2.2 信号处理板的设计

信号处理板的功能主要有两个，第一，将经过扩频调制以后的信号向外传送;第二，将信号采集板采集的信号进行解调、脉压等操作处理，将扩频处理的通信信息进行恢复。在信息处理板的硬件结构由FPGA控制芯片、时钟芯片、DAC芯片以及光路收发器这几个主要的部分组成[6]。具体的信号处理板硬件结构图如下。

图2 信号处理板硬件结构图

3.结语

文章知识对FPGA技术的优势以及FPGA通信信号处理的设计做简要的介绍，和传统单片机和DSP相比，基于FPGA技术的通信信号处理设计具有更加灵活、集成度更高的优势，而且功率也更低，开发的成本也具有很大的优势。FPGA技术不仅可以运用于通信信号的处理，还能应用于图像的处理，移植性和扩展性强，在很多领域都可以广泛的应用。而且随着FPGA技术的不断完善，FPGA技术也将拥有更强大、更丰富的功能，FPGA技术的应用前景和价值也将更加广泛。

参考文献

[1]耿昕.基于FPGA的通信信号处理的设计与实现[D].南京理工大学，2013，（03）.

[2]宋永跃.基于FPGA的通信信号数字滤波技术[J].硅谷，2011，（05）.

[3]李辰飞，纪元法，孙希延.基于FPGA的海洋浮标卫星通信信号设计与实现[J].桂林电子科技大学学报，2013，（04）.

[4]赵宇玲.基于FPGA的信号采集与处理系统设计与实现[D].南京理工大学，2008，（14）.

[5]王琰.基于FPGA的信号采集与处理技术的研究[D].湖北工业大学，2010，（08）.

[6]赵金栋.基于FPGA的多路脉冲信号同步测量技术研究[D].哈尔滨工业大学，2013，（11）.