基于FPGA的跳頻通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

跳頻通信系統(tǒng)作為擴(kuò)頻通信體制中的一種重要類(lèi)型，以其出色的抗遠(yuǎn)近效應(yīng)、抗干擾能力，在軍用、民用通信領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。跳頻通信方式是指載波受一偽隨機(jī)碼的控制, 不斷地、隨機(jī)地跳變，可看成載波按照一定規(guī)律變化的多頻頻移鍵控(MFSK)。跳頻通信的頻率受偽隨機(jī)碼控制不斷跳變，跳頻圖案可以設(shè)置幾千乃至上萬(wàn)個(gè)，收發(fā)兩端只要跳頻圖案一致，跳頻時(shí)間同步，就可在信息傳輸過(guò)程中不斷跳變空間頻率信道，實(shí)現(xiàn)跳頻通信。

近年來(lái)隨著半導(dǎo)體工藝和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，dsp（Digital Signal Processor）、FPGA（Field Programmable Gates Array）等現(xiàn)代信號(hào)處理芯片越來(lái)越成熟和普遍使用，以前只能理論研究的跳頻技術(shù)有了實(shí)現(xiàn)的可能。

1 基于FPGA/dsp的跳頻系統(tǒng)硬件架構(gòu)

本跳頻通信系統(tǒng)的發(fā)射系統(tǒng)如圖1。信源信息進(jìn)入dsp進(jìn)行信道編碼；隨后dsp根據(jù)編碼結(jié)果使能FPGA控制DDS在中頻段產(chǎn)生跳頻信號(hào)；最后混頻器把信號(hào)頻率搬移到射頻上，經(jīng)過(guò)高頻放大器放大后發(fā)射。

接收系統(tǒng)如圖2。天線將接收到的信號(hào)經(jīng)過(guò)高頻放大器放大后，與第一本振混頻，產(chǎn)生第一中頻信號(hào)；DDS受dsp控制，作為第二本振，與接收到的跳頻信號(hào)按相同規(guī)律跳頻（但頻率相差一個(gè)中頻），至此得到了固定中頻，完成解跳；隨后，對(duì)信號(hào)進(jìn)行中頻采樣，在數(shù)字域中利用正交NCO（NCO位于FPGA中，受dsp控制）實(shí)現(xiàn)數(shù)字解調(diào)；得到的結(jié)果在dsp中進(jìn)行信道解碼，恢復(fù)原始信息，送到信宿。

可以看到本跳頻系統(tǒng)中，F(xiàn)PGA是硬件邏輯的載體，完成基帶信號(hào)采樣后的混頻、濾波等操作及對(duì)DDS、ADC等外部邏輯的控制；dsp控制FPGA內(nèi)部邏輯以及DDS、ADC等邏輯單元完成跳頻通信系統(tǒng)基帶部分的發(fā)射與接收及其一系列計(jì)算任務(wù)；高精度時(shí)鐘源為整個(gè)系統(tǒng)提供時(shí)間基準(zhǔn)，經(jīng)過(guò)dsp、FPGA、DDS等器件內(nèi)部鎖相環(huán)倍頻，為各器件提供主時(shí)鐘。

2 dsp與FPGA之間的數(shù)據(jù)通信設(shè)計(jì)

dsp與FPGA之間的接口如圖3所示。

FPGA上的邏輯設(shè)計(jì)采用了OnChipBus+UserLogic的SOPC設(shè)計(jì)思想。其中OnChipBus采用Avalon總線。Avalon交換結(jié)構(gòu)是Altera公司提出的一種在可編程片上系統(tǒng)中連接片上處理器和各種外設(shè)的互聯(lián)機(jī)構(gòu)，是一種同步總線，包含完善的總線仲裁邏輯，并針對(duì)自身產(chǎn)品進(jìn)行邏輯優(yōu)化，特別適合用在Altera FPGA上。但是，Avalon總線與C54x系列dsp的外部存儲(chǔ)器異步接口時(shí)序不兼容，為此，設(shè)計(jì)了Bus Bridge模塊，一邊是dsp EMIF的Slave Interface，連接到dsp的EMIF，映射到dsp IO空間；另一邊是Avalon總線的Master Interface，連接到Avalon總線，從而實(shí)現(xiàn)兩種總線間數(shù)據(jù)的透明傳輸。

FPGA的內(nèi)部邏輯采用了模塊化的設(shè)計(jì)思想，每個(gè)Logic都包括AvalonSlaveInterface、RegisterFile和UserLogic三部分。其中， AvalonSlaveInterface是AvalonBus的從接口邏輯；RegisterFile是寄存器組邏輯，通過(guò)Avalone總線映射到dsp相應(yīng)的IO地址空間；UserLogic用于實(shí)現(xiàn)用戶(hù)邏輯，其功能完全由RegisterFile的內(nèi)容決定。各個(gè)模塊獨(dú)立工作，模塊之間的通信通過(guò)片上總線進(jìn)行，增加了設(shè)計(jì)的靈活性，便于維護(hù)和擴(kuò)展，并可以利用SOPC Builder工具完成系統(tǒng)的集成。

3 基于dsp/FPGA的跳頻系統(tǒng)基帶部分關(guān)鍵模塊設(shè)計(jì)

3.1 跳頻器設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)選用DDS作為跳頻器。DDS可以視為由NCO和高速DAC構(gòu)成。NCO決定了DDS輸出信號(hào)的頻率范圍、分辨率和相位分辨率等參數(shù)，它主要由相位累加器、相位偏移加法器和余弦表構(gòu)成。其具體實(shí)現(xiàn)如圖4。

為了適應(yīng)復(fù)雜的數(shù)字接口，在FPGA中設(shè)計(jì)了DDS Controller邏輯，完成了對(duì)所有時(shí)序和數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換。dsp僅通過(guò)讀寫(xiě)DDS Controller中的幾個(gè)寄存器就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)DDS的所有操作。DDS的輸出端采用了互補(bǔ)電流輸出，經(jīng)過(guò)變壓器耦合并通過(guò)低通濾波器后得到基頻信號(hào)。

3.2 調(diào)制解調(diào)FPGA邏輯設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用了2FSK調(diào)制方式。2FSK調(diào)制實(shí)際上就是根據(jù)二進(jìn)制碼流的極性輸出頻率f0(頻點(diǎn)0)或頻率f1(頻點(diǎn)1)，跳頻通信系統(tǒng)根據(jù)跳頻圖案決定載波頻率，但歸根結(jié)底就是改變DDS的輸出信號(hào)頻率。

本設(shè)計(jì)采用了相干解調(diào)方式，圖5給出FPGA的正交NCO相干解調(diào)邏輯圖。

圖5中ACC為32bit相位累加器，Sub32提供π/2的相位平移得到Q支路的波表地址，Lanch32的作用是使相位累加器的輸出結(jié)果延時(shí)一個(gè)時(shí)鐘周期，保持I、Q支路嚴(yán)格同步，因?yàn)镾ub32的運(yùn)算會(huì)使Q支路延時(shí)一個(gè)時(shí)鐘周期。雙口ROM存儲(chǔ)余弦表，同時(shí)產(chǎn)生I支路和Q支路的波形。

正交NCO、數(shù)字混頻器、低通濾波和采樣調(diào)整模塊共同構(gòu)成了解調(diào)單元DeModulationLogic。
DeModulationLogic在FPGA系統(tǒng)中的位置如圖6所示。


3.3 跳頻序列的dsp控制設(shè)計(jì)

跳頻序列是決定跳頻通信系統(tǒng)跳頻圖案的偽隨機(jī)序列。對(duì)跳頻序列的要求是循環(huán)周期長(zhǎng)、最小碼距大、隨機(jī)性強(qiáng)等。本設(shè)計(jì)采用了理論研究最完備、易于產(chǎn)生的m序列作為跳頻序列，在dsp中通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)偶頻帶法對(duì)最小跳頻間隔的控制，dsp判斷相鄰兩次生成的m序列的碼距是否符合要求。若不符合最小碼距的要求，則跳到此次生成碼的對(duì)偶頻道上去。如圖7所示。


3.4 同步設(shè)計(jì)

同步是跳頻通信系統(tǒng)的核心技術(shù)。跳頻通信系統(tǒng)的同步包括載波同步、位同步和幀同步（跳頻圖案同步）。
由于本設(shè)計(jì)采用2FSK調(diào)制解調(diào)方式，所以?xún)H需要接收端提供一個(gè)與所接收到的載波信號(hào)同頻的本地載波信號(hào)即可，因而可以不進(jìn)行載波跟蹤，直接通過(guò)設(shè)置頻率合成器的頻率控制字實(shí)現(xiàn)收發(fā)同頻即可實(shí)現(xiàn)載波同步。
位同步是以解調(diào)電路為基礎(chǔ)的。由于碼速率較高，位同步運(yùn)算大都在FPGA中通過(guò)硬件完成。

圖8(a)是沒(méi)有同步時(shí)的示波器波形圖，圖8(b)是同步后的示波器波形圖。通道一（上方）是發(fā)送端的發(fā)送脈沖，通道二（下方）是接收端的位同步脈沖。位同步以后，接收端的位同步脈沖和發(fā)射端的發(fā)射脈沖完全對(duì)齊，波動(dòng)范圍不超過(guò)1μs, 最大偏移不超過(guò)碼元寬度的4％。圖中，時(shí)間：5μs/格；電壓2V/格(上)；電壓2V/格(下)。

跳頻圖案同步是跳頻通信系統(tǒng)中特有的同步概念，它是指接收方的跳頻圖案與發(fā)射方跳頻圖案保持一致的過(guò)程或狀態(tài)。在跳頻通信系統(tǒng)中，幀同步和跳頻圖案同步概念相似，有時(shí)候不加區(qū)分, 本設(shè)計(jì)選用13位巴克碼{1，1，1，1，1，-1，-1，1，1，-1，1，-1，1}作為幀同步信號(hào)。圖9是FPGA中信號(hào)跳頻圖案同步示意圖。

最上方信號(hào)是發(fā)射端跳頻序列的波形；中間信號(hào)是接收端跳頻序列的波形；最下方是幀同步信號(hào)。當(dāng)識(shí)別到巴克碼時(shí)，幀同步信號(hào)出現(xiàn)一負(fù)脈沖，完成接收端調(diào)頻序列發(fā)生器反饋系數(shù)和初始相位的加載。從圖9中可知：(1)接收端跳頻序列與發(fā)射端跳頻序列變化規(guī)律一致，跳頻圖案同步成功；(2)最小碼距滿足要求，通過(guò)對(duì)偶頻帶法得到寬間隔跳頻序列成功。

本文對(duì)跳頻通信技術(shù)及基帶各關(guān)鍵模塊進(jìn)行了深入探討和分析，給出了高速跳頻通信系統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并通過(guò)軟件無(wú)線電技術(shù)對(duì)其進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。

系統(tǒng)以TI公司dsp為中心控制單元，Altera公司的FPGA為硬件邏輯平臺(tái)，AD公司的DDS為頻率合成器，采用2FSK調(diào)制解調(diào)方式，超前滯后支路的位同步方式，TOD跳頻圖案同步方式，以m序列作為跳頻序列，輔助對(duì)偶跳頻間隔控制手段，實(shí)現(xiàn)了高速、寬間隔跳頻通信系統(tǒng)。系統(tǒng)達(dá)到40kbps的跳頻速度，1 024個(gè)跳頻頻道，108M～189.84MHz的跳頻帶寬，400kHz的最小跳頻間隔，小于0.5s的入網(wǎng)時(shí)間以及小于30s的同步最大時(shí)差。

本高速跳頻通信系統(tǒng)與同類(lèi)系統(tǒng)相比最大的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在它40kbps的超高速跳頻速率和近百兆的跳頻帶寬上。通過(guò)與國(guó)內(nèi)外類(lèi)似系統(tǒng)進(jìn)行比較，40kbps的跳頻速率處于技術(shù)領(lǐng)先位置。各關(guān)鍵模塊性能優(yōu)良，接口一致且工作穩(wěn)定，可以靈活組合成多種數(shù)字通信系統(tǒng)的基帶部分。相信本文對(duì)今后數(shù)字通信系統(tǒng)基帶部分的研究和實(shí)現(xiàn)具有很強(qiáng)的借鑒意義。