基于FPGA短波差分跳頻信號發(fā)生器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：差分跳頻(DFH)是一種新的短波跳頻技術(shù)，它主要?dú)w結(jié)為一種G函數(shù)算法，這種G函數(shù)集跳頻圖案、信息調(diào)制與解調(diào)于一體。它的通信機(jī)理與常規(guī)跳頻完全不同，較好的解決了數(shù)據(jù)速率和跟蹤、干擾等問題，代表了當(dāng)前短波通信的一個(gè)重要發(fā)展方向。鑒于此，在研究G函數(shù)算法原理的基礎(chǔ)之上，重點(diǎn)對短波差分跳頻信號的發(fā)生器進(jìn)行基于FPGA的整體優(yōu)化設(shè)計(jì)，并在軟件和硬件環(huán)境下進(jìn)行仿真與實(shí)現(xiàn)，從而指導(dǎo)工程實(shí)踐。
關(guān)鍵詞：差分跳頻；G函數(shù)；現(xiàn)場可編程門陣列

0 引言
短波通信具有通信距離遠(yuǎn)、機(jī)動(dòng)靈活、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，而且是一種抗毀性較強(qiáng)的通信方式，因此在多種領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。隨著跳頻和自適應(yīng)等新技術(shù)的發(fā)展，短波通信的性能也得到進(jìn)一步的提高。但由于短波信道的特點(diǎn)，一方面，其存在多普勒頻移和多徑效應(yīng)，嚴(yán)重影響短波通信的系統(tǒng)性能，特別是對于短波數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，往往達(dá)不到較高傳輸速率；另一方面，其頻率資源有限，易受干擾和竊聽，再加上短波通信所使用的媒介，造成短波通信是一個(gè)時(shí)變、衰落信道，保持良好的通信效果有較高難度。美國Sanders公司推出一種相關(guān)跳頻電臺(tái)采用的差分跳頻技術(shù)在短波信道上實(shí)現(xiàn)了跳速為5000hop／s，傳輸速率最低為2400bps，最高可達(dá)19200bps的指標(biāo)，這在傳統(tǒng)的跳頻系統(tǒng)中是很難實(shí)現(xiàn)的。采用差分跳頻技術(shù)不僅改變了短波電臺(tái)由于信道帶寬窄、空中信道時(shí)變多徑特性而導(dǎo)致的低速率數(shù)據(jù)傳輸?shù)木置妫覙O大地提高了抗跟蹤干擾的能力，代表了新一代短波通信技術(shù)的發(fā)展方向?？紤]到使用FPGA器件進(jìn)行數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)，不僅可以簡化設(shè)計(jì)過程，而且可以降低整個(gè)系統(tǒng)的體積和成本，增加系統(tǒng)的可靠性，本文對短波差分跳頻信號的發(fā)生器進(jìn)行基于FPGA的整體設(shè)計(jì)。

1 G函數(shù)算法原理
差分跳頻系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)在于G函數(shù)的實(shí)現(xiàn)。差分跳頻G函數(shù)的特點(diǎn)是利用跳頻頻率的相關(guān)性來攜帶待發(fā)送的數(shù)據(jù)信息，同時(shí)所產(chǎn)生的頻率序列具有良好的隨機(jī)性和均勻性。常規(guī)的G函數(shù)表達(dá)式為：

式(1)是利用前后跳頻Fn，F(xiàn)n-1之間的相關(guān)性來攜帶數(shù)據(jù)信息Dn，如圖1所示。另一種G函數(shù)算法是由前一跳的頻率、m序列和數(shù)據(jù)信息Dn來決定當(dāng)前的頻率值Fn，如圖2所示，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

G是一個(gè)特定的函數(shù)，由它決定差分跳頻的算法。由此可見，m序列控制的G函數(shù)算法在相鄰跳變頻率之間通過數(shù)據(jù)序列建立了一定的相關(guān)性，亦即相鄰頻率的相關(guān)性攜帶了待發(fā)送的數(shù)據(jù)信息，Dn可取1～4bits。

例如，當(dāng)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息Dn取2bits時(shí)，對Dn編碼見表1。