基于DDS與USB的通信對抗教學演示系統(tǒng)

　　1概 述

　　擴展頻譜通信具有抗干擾能力強、隱蔽性好等優(yōu)點，已成為通信對抗與反對抗中最重要的技術(shù)手段，在軍事通信中日益受到重視，跳頻電臺就是擴頻通信在軍事領(lǐng)域中的重要應用。在通信對抗中如何有效地對抗跳頻電臺是目前的一個熱點問題。在通信對抗的教學中為了以實驗的形式向人們展示跳頻通信中干擾與抗干擾的原理，并能對跳頻通信進行偵察和實施多種干擾的效果進行比較，為科研中尋找對跳頻通信的最有效干擾方式提供有效的數(shù)據(jù)和參考，本文給出了一種基于DDS與USB技術(shù)的通信對抗教學演示系統(tǒng)中硬件方案的設(shè)計與實現(xiàn)。

　　2 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計及原理說明

　　系統(tǒng)主要由控制計算機、發(fā)射機、電子偵察模塊、電子干擾模塊和接收機等五部分組成，如圖1所示。計算機主要是用于控制與協(xié)調(diào)各個模塊的工作和數(shù)據(jù)傳輸，決定系統(tǒng)各部分的工作模式并對工作狀態(tài)進行實時監(jiān)視。

　　發(fā)射機在計算機指令的控制下，在指定的工作頻段內(nèi)以相應的方式發(fā)射跳頻信號。電子偵察模塊利用高速A/D采樣技術(shù)與高速FFT實時處理技術(shù)可以快速地捕捉并計算出發(fā)射信號的工作頻率點，同時將偵察到的跳頻數(shù)據(jù)送至電子干擾模塊。接收到偵察數(shù)據(jù)的干擾模塊在計算機控制下利用FPGA控制頻率合成器件產(chǎn)生各種調(diào)制信號，選擇不同的干擾方式對通信電臺實時有效的干擾。干擾信號與實際跳頻信號分別送人合路器中，由合路器送至接收機比較各種不同干擾方式的實際效果。

　　3器件的選擇

　　3．1 A/D芯片與FPGA芯片

　　A/D芯片選用的是為寬帶和多信道數(shù)字無線接收機系統(tǒng)而推出的12位中頻快速采樣芯片AD6640。

　　AD6640是一個高速度、高性能、低功耗，單片式12位AD轉(zhuǎn)換器，內(nèi)含采樣保持電路和基準源。他由單電源+5 V供電，TTL/CMOS兼容電平輸出，中頻采樣頻率的典型值為70 MHz(多信道時)和200 MHz(單信道時)，采樣速率可達65 Mb/s，信噪比SNR的典型值為68 dB，SFDR值為80 dB，功耗為710 mW。AD6640采用兩級子區(qū)式的轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，既保證了精度又降低了功耗，其功能模塊如圖2所示。從圖2可以看出ADC所有需要的功能，包括輸入緩沖，跟蹤保持放大，數(shù)字糾錯以及2．4 V參考電壓都由芯片提供，從而使其設(shè)計變得更輕松。

　　FPGA芯片采用的是Altera公司的ACEXlK系列產(chǎn)品的EPlKl00芯片。其特點是將查找表(LUT)和EAB相結(jié)合，提供了高效率而又廉價的結(jié)構(gòu)?；贚UT的邏輯對數(shù)據(jù)路徑管理、寄存器強度、數(shù)學計算或數(shù)字信號處理(DSP)的設(shè)計提供優(yōu)化的性能和效率，而EAB可實現(xiàn)RAM，ROM，雙口RAM或FIFO功能。這使得ADEXlK適合于復雜邏輯及存儲器功能，如數(shù)字信號處理、寬域數(shù)據(jù)路徑管理、數(shù)據(jù)變換和微處理器等各種高性能通信應用?；诳芍貥?gòu)CMOS SRAM單元，ACEX1K結(jié)構(gòu)具有實現(xiàn)一般門陣列宏功能需要的所有特征，相應的多引腳數(shù)提供與系統(tǒng)元器件的有效接口。先進的處理功能和2．5 V低電壓要求，使得AC2EX1K器件滿足廉價、高容量的應用需要。

　　3．2 DDS芯片

　　DDS芯片選用的是美國的Analog Device Inc(ADI)公司生產(chǎn)的DDS器件AD9854。AD9854數(shù)字頻率合成器是一個采用了先進的DDS技術(shù)的高集成器件。

　　他具有一對內(nèi)部高速、高性能的正交D/A轉(zhuǎn)換器和比較器，可實現(xiàn)數(shù)字合成正交的I和Q路輸出。當輸入一準確的參考頻率，AD9854即可產(chǎn)生一高穩(wěn)定的頻率、相位、幅度可編程的正弦和余弦信號。AD9854的DDS核心具有48 b的頻率分辨率。14 b相位截斷保證了優(yōu)良的SFDR指標。AD9854的電路工藝使同步正交信號輸出的頻率最高達到150 MHz，平均每秒產(chǎn)生1百萬新頻率。AD9854中4～20整數(shù)倍的可編程參考頻率累加器能使外部輸入的低速時鐘轉(zhuǎn)變成內(nèi)部高速時鐘(最高300 MHz)。

　　AD9854能實現(xiàn)除了基本的FSK以外的增強頻譜特性的Ramped FSK。該器件采用了先進的35μmC2MOS技術(shù)使該器件只需要+3．3 V的電源供應。

　　3．3 DAC芯片與USB芯片

　　系統(tǒng)所用的DAC為ADI公司的AD5344，他是一種低功耗12 b數(shù)模轉(zhuǎn)換器。該芯片可應用于便攜式電池電源儀器、可編程電壓和電流源、可編程衰減器、工業(yè)處理控制器以及數(shù)字放大和補償調(diào)節(jié)等方面。圖3為其內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理圖。AD5344有4路12 b DAC，可在2．5～5．5 V之間正常工作，在外接+3 V電壓時典型電流值為500μA，并且具備進一步將電流降至80 nA的節(jié)電模式。他的輸出緩存可將輸出驅(qū)動到兩個電源軌道之上。通過A0和A1可控制選擇哪一路輸出。

　　在控制模塊中LISB芯片選用的是FTDI公司的FT245BM。該芯片是FTDI公司早期生產(chǎn)的一種較通用的支持USB 1．1標準的專用芯片，其優(yōu)點在于芯片通用性好，無需固件配置，控制時序簡單，而且廠家提供了完備的各類庫函數(shù)供編程使用，極大地縮短了開發(fā)周期。

　　FT245BM內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示，F(xiàn)T245BM內(nèi)部主要由USB收發(fā)器、串行接口引擎(SIE)、USB協(xié)議引擎和先進先出(FIFO)控制器等構(gòu)成。他的一個比較明顯的優(yōu)點就是，內(nèi)部集成的模塊功能完備，不需要在使用時重新對其進行配置。在接收到主機發(fā)出的控制命令后，USB收發(fā)器自動執(zhí)行命令，并通過串行接口引擎完成USB數(shù)據(jù)的串/并雙向轉(zhuǎn)換。USB協(xié)議引擎按照USB 1．1的規(guī)范來完成對FIFO控制器的管理，F(xiàn)IFO控制器通過其兩個握手信號的輸出端口RXF#和TXE#來引導外部主控制器對USB芯片的讀寫控制。

　　4系統(tǒng)的設(shè)計實現(xiàn)

　　4．1 干擾模塊的設(shè)計

　　干擾模塊原理圖如圖5所示。在干擾模塊的設(shè)計中，選用了常用的DDS芯片AD9854與FPGA相結(jié)合的方式來產(chǎn)生干擾頻率。為了實現(xiàn)干擾信號功率的可控制，擬在DDS輸出的信號加上衰減器。采用計算機通過USB芯片來控制干擾模式的選擇和干擾信號參數(shù)的選擇。DDS產(chǎn)生的信號先通過低通濾波再放大，目的是為抑制雜散信號。

　　在跟蹤式干擾中，F(xiàn)PGA接收電子偵察所獲得的通信信號，引導DDS產(chǎn)生同頻的干擾信號。在非跟蹤式干擾中，由計算機控制產(chǎn)生單頻干擾、掃頻干擾以及隨機調(diào)頻噪聲等樣式的干擾信號，這些干擾信號和原跳頻信號在合路器合路輸出，送給跳頻接收機，以此來檢驗跳頻通信對這些干擾樣式的抗干擾能力。

　　4．2控制模塊的設(shè)計

　　在系統(tǒng)的整體設(shè)計過程中，非常重要的部分就是對于整個實驗系統(tǒng)的控制。系統(tǒng)的整體控制模塊原理框圖如圖6所示。

　　從圖中可以看出，干擾模塊中的FPGA芯片，在系統(tǒng)控制中起著核心作用。在該模塊中，F(xiàn)PGA主要完成4個方面的任務：

(1)實現(xiàn)與電子偵察模塊的實時通信，不斷地接收偵察模塊送來的跳頻信號信息，并立即做出相應的反應。

(2)實現(xiàn)與計算機主機的通信，控制USB芯片的讀寫程序，隨時接收主機發(fā)出的控制指令，并完成相應的功能。

(3)實現(xiàn)對DDS芯片的控制，根據(jù)需要選擇DDS不同的工作模式。

(4)實現(xiàn)對衰減器的控制，根據(jù)主機的命令選擇不同的頻率幅度。

　　5 結(jié) 語

　　通過對實際硬件電路的分析與調(diào)試，系統(tǒng)實現(xiàn)了計算機對USB芯片的控制、FPGA對DDS芯片的控制、偵察模塊與干擾模塊的互連通信以及各類干擾方式的可控實現(xiàn)。在進行實際試驗時，通過對不同干擾方式的效果進行比較，還可以選擇出對跳頻電臺通信最有效的干擾方式，并且對今后研究實戰(zhàn)形式的跳頻偵察干擾系統(tǒng)具有一定的實際參考意義。