（通信与信息系统专业论文）高速跳频通信系统关键技术研究与基带设计.pdf

两北一f 业大学硕士学位论文摘要 摘要 跳频通信系统作为扩频通信体制中的一种重要类型，以其出色的抗远近效 应、抗干扰能力，在军用、民用通信领域中得到了广泛的应用。 本文对高速跳频通信系统进行了深入研究，完成了系统设计以及基带部分的 设计和实现。在系统设计方面，选用2 f s k 调制方式，并从镜像频率的抑制等方 面考虑，选择了合适的跳频频带。在基带设计方面，对跳频器设计、跳频序列设 计、快速位同步、跳频图案同步、跳频信号解调等跳频通信系统关键技术做了深 入研究，采用d d s 作为跳频器，m 序列作为伪随机序列，并以对偶频带法实现 了宽间隔跳频，采用了超前滞后支路法作为位同步方法，t o d 信息法作为跳频图 案同步方法，采用软件无线电思想，在由d s p 、f p g a 、d d s 、a d c 等可编程器 件组成的电路板上，实现了跳频速率高达4 0 k h p s 的高速跳频通信系统的基带部 分设计。 本高速跳频通信系统4 0 k h p s 的跳频速率在国内处于领先水平，各关键模块 性能优良，接口一致且工作稳定，可以灵活组合成多种数字通信系统的基带部分。 本论文对今后数字通信系统基带部分的研究和实现具有很强的借鉴意义。 关键字：高速跳频软件无线电跳频器跳频序列位同步跳频图案同步 西北工业大学硕士学位论文摘要 a b s t r a c t t h es y s t e mo ff r e q u e n c yh o p p i n gi so n eo ft h es p r e a df r e q u e n c yc o m m u n i c a t i o n s i t i sb r o a d l yu s e di nm i l i t a r ya n dc i v i l f i e l d sb e c a u s eo fi t sn e a r - f a rr e s i s t a n c ea n d a n t i - j a m m i n ga b i l i t y t h i sd i s s e r t a t i o nr e s e a r c h e st h ef a s tf r e q u e n c yh o p p i n gs y s t e ma n d a c c o m p l i s h e st h e d e s i g no ft h es y s t e ma n dt h e b a s e b a n dr e a l i z a t i o n t h e s y s t e mc h o o s e s2 f s k m o d u l a t i o nm a n n e ra n da p p r o p r i a t eh o p p i n gb a n d w i d t hf r o mt h ea s p e c to fm i r r o r f r e q u e n c yr e s t r a i n i n g i ta l s or e s e a r c h e st h ek e yt e c h n i q u e so ff r e q u e n c yh o p p e r , f r e q u e n c yh o p p i n gs e q u e n c e ，b i ts y n c h r o n i z a t i o n ，h o p p i n gp a u e r ns y n c h r o n i z a t i o n ， h o p p i n gs i g n a ld e m o d u l a t i o na n ds oo ni nb a s e b a n dd e s i g n t h i sd i s s e r t a t i o na d o p t s d d sa sf r e q u e n c yh o p p e r ms e q u e n c ea sp r ns e q u e n c e ，l e a d i n g - l a gm e t h o da sb i t s y n c h r o n i z a t i o n ，t o di n f o r m a t i o nm e t h o da sh o p p i n gp a r e r ns y n c h r o n i z a t i o n i tu s e s d u a l i t yf r e q u e n c ym e t h o dt or e a l i z et h ew i d ei n t e r v a lo fh o p p i n gf r e q u e n c y f i n a l l y i t r e a l i z e st h eb a s e b a n dd e s i g no fah i g hs p e e df r e q u e n c yh o p p i n gs y s t e mw i t h4 0 k h p s b a s e do nt h es d ri nt h ep c b c o m p o s e do fd s p , f p g a , d d s ，a d ca n ds oo n t h eh o p p i n gs e q u e n c eo ft h i ss y s t e mh a sr e a c h e du p o n4 0 k h p s ，w h i c hi sk e e p i n g a h e a di nt h i si n d u s t r y t h ek e ym o d u l e sa r ce x c e l l e n t l yp e r f o r m e da n dh a v eu n i f o r m i n t e r f a c e sw h i c hc a ns t a b l yw o r k t h e yc o u l da s s e m b l et h eb a s e b a n dp a r to fs e v e r a l d i g i t a lc o m m u n i c a t i o ns y s t e m sa n dh a v eg r e a ts i g n i f i c a n c ei nt h ef u t u r er e s e a r c ha n d t e a l i z a t i o n k e yw o r d s ：f a s tf r e q u e n c yh o p p i n g ，s d r ，f r e q u e n c yh o p p e r h o p p i n gs e q u e n c e ， h o p p i n gp a t t e r nf r e q u e n c y , b i ts y n c h r o n i z a t i o n ，h o p p i n gp a t t e r ns y n c h r o n i z a t i o n b 西北r 业大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 跳频通信系统简介 第一章绪论 1 1 1 跳频通信系统概念和特点 在众多的通信技术中，扩频通信技术因其具有独特的抗干扰能力以及较宽的 使用频带在军事通信领域倍受青睐。扩频通信系统是指发射的信息被展宽到一个 很宽的频带上，这一频带比要发送的信息带宽宽得多，在接收端通过相关接收， 从而将信号恢复到信息带宽的一种通信系统。 根据扩频通信系统调制方式的不同，它可以分为直接序列扩频方式( d s ) 、跳 频方式( f h ) 、跳时方式f i h ) 、宽带线性调频( c h i r pm o d u l a t i o n ) 方式以及兼有以上 方式中二种以上的混合方式。其中，跳频通信方式是指载波受一伪随机码的控制， 不断地、随机地跳变，可看成载波按照一定规律变化的多频频移键控( m f s k l 。 跳频通信具有抗干扰能力强、截获率低、多址组网能力强、抗衰落能力强、 易于与窄带通信系统兼容等特点，是一种很有前景的通信方式。 1 _ 1 2 跳频通信系统组成 跳频通信系统的组成如图1 - 1 所示。 信源卜- 丽圈一 预天jl 虱螂一+ 乜刚扩卜，1 确古 一1 一 、一厂j 一。 一 。一 j ni f l + f l 。 频率合成器j 频率合成器l 1 _ ll 一1 r r 一 p n 码产生器lp n 码产生器h r _ | 同步系统1 图1 - 1 跳频通信系统组成框图 在发射端，p n 序列控制频率合成器产生随机跳变的载频，信源的输出信号对 浚跳变载波进行调制，得到已调跳频信号，经高放后发射。 在接收端，接收到的信号经过高放、滤波后送至混频器。接收机的本振信号 也是一受p n 序列控制的跳变频率信号，两个频率合成器的频率跳变规律是相同 西北： 业大学硕：上学位论文第一章绪论 的，但对应的频率有一频差，恰好为接收机的中频。只要收发双方的伪随机码 同步，就可使收发双方的频率合成器产生的跳变频率同步，经混频器后，得到一 载频不变的中频信号，然后对此中频信号进行解调，就可恢复出发送的信息。而 对干扰信号而言，由于不可能和跳频信号有同样的跳变规律，所以与本地的频率 合成器产生的本振载频混频后的信号通过中频滤波器后被滤除掉，不能对系统形 成干扰，达到了抗干扰的目的。在这里，混频器实际上担当了解跳器的角色，只 要收发双方同步，就可将频率跳变信号转换成为一中频固定的信号。 1 1 3 跳频通信系统的主要技术指标【l l 1 频率范围 频率范围是指跳频通信系统：【作的频段范围。 g j b l l 2 8 a 一2 0 0 2 规定，机载超短波电台的频段根据不同的使用要求，选用某 一部分频段或者组合频段。陆空协同通信频段为3 0 m h z 8 8 m h z ；民航和军航共 用通信频段为1 0 8 m h z 1 5 6 m h z ；海空协同通信频段为1 5 6 m h z 1 7 4 m h z ；军 航专用通信频段为2 2 5 m h z 4 0 0 m h z 。 2 信道间隔 任意两个相邻信道之间的标称频率之差，称为信道间隔。 g j b l l 2 8 a 2 0 0 2 规定，机载超短波电台的信道间隔是2 5 k i - i z ，如另有要求， 在1 2 5 k h z 、8 3 3 k h z 或5 k h z 中选取。 3 跳频带宽 跳频电台工作时最高频率与最低频率之间所占的频带宽度，称为跳频带宽。 从图1 - 2 跳频信号频谱图中可以清楚地看到跳频带宽的概念。 国1 - 2 跳频信号频谱图 g j b 2 9 2 8 9 7 规定，战术超短波跳频电台的跳频带宽分为全频段跳频和分频段 跳频，具体规定如下。 2 西北t 业大学硕士学位论文 第一章绪论 ( 1 ) 全频段跳频：3 0 m h z 8 7 9 7 5 m h z ( 频段可扩展) ； ( 2 ) 分频段跳频：在3 0 m h z 8 7 9 7 5 m h z 中任选。 跳频带宽的大小与抗宽带或部分频带噪声干扰的能力有关。跳频带宽越宽， 抗噪声干扰能力越强。因此，最好能够在整个工作频率范围内实现跳频。 4 跳频频率数目 跳频电台工作时跳变的载频频率点的数目，称为跳频频率数目。 跳频电台工作时跳交的载波频率点的集合，称为跳频频率集，也称为跳频频 率表。 在一次通信中，用于跳频的频率是预先设置好的，使用注入枪注入或者从面 板输入到跳频电台。跳频电台应能存储多张跳频频率表。 5 跳频处理增益 跳频处理增益g ，的定义是 p 唧一百 式中矿跳频扩谱覆盖的总带宽； r 跳频瞬时带宽。 在跳频通信系统中，频谱的扩展基本上与跳频速率无关，而是取决于最小频 率问隔a l ；。和实际使用的频率数目q 。在相邻频率邻接时，跳频最小频率间隔 。等于跳频瞬时带宽r ，即。= r 。此时，跳频处理增益q 等于全部可用 频率数q ，即 啡；i w 一碍 6 调制方式 由于载波频率的跳变，在发射机和接收机的频率合成器之间保持相位相干是 很困难的。因此，f h m f s k 、f h d p s k 是跳频通信通常采取的调制方式。 g j b l l 2 8 a 一2 0 0 2 规定，机载短波跳频电台的调制方式为t3 0 m h z 8 8 m h z 为 调频( f m ) ：1 0 8 m h z 1 5 6 m h z 为调幅( a m ) 和调频( f m ) 1 5 6 m h z 1 7 4 m h z 为调 频( f m ) ；2 2 5 m h z 4 0 0 m h z 为调幅( a m ) 和调频( f m ) 。 7 跳频速率 跳频速率是指跳频电台载波频率跳变的速率，通常用一秒钟内载波频率跳变 的次数来表示。 跳频速率与抗跟踪式干扰的能力有关。跳频速率越高，抗跟踪式干扰的能力 西北1 ：业大学硕士学位论文第一章绪论 越强。但是，跳频速率受到通信信道和元器件水平的限制。 g j b 2 9 2 8 9 7 规定，跳频速率小于1 0 0 h o p s s 为低速，1 0 0 h o p s s 1 0 0 0 h o p s s 为中速，大于1 0 0 0 h o p s s 为高速。 8 跳频序列 在跳频通信系统中，用来控制载波频率跳变的多值序列通常称为跳频序列。 跳频序列的作用主要有以下两点：( 1 ) 控制频率跳变以实现频谱扩展；( 2 ) 在 跳频组网时作为地址码。 常用的跳频序列有r s ( r e e d s o l o m o n ) 序列、m 序列等。对跳频序列的要求是 循环周期长、最小码距大、随机性强等。 9 跳频序列周期 跳频序列不出现重复的最大长度，称为跳频序列周期，既可用位数来表示， 也可用时间来表示。用时间表示的跳频序列周期等于用位数表示的跳频序列周期 乘以每跳占据的时间。 g j b 2 9 2 9 9 7 规定，短波跳频电台的跳频序列周期不小于1 年。g j b 2 9 2 8 - 9 7 规定，超短波跳频电台的跳频序列周期不小于1 0 年。 跳频序列周期与抗截获( 破译) 的能力有关。跳频速率周期越长，敌方破译越困 难，抗截获的能力越强。 1 0 跳频图案 在跳频序列控制下，载波频率跳变的规律称为跳频i 驾案。 跳频图案是时间的函数，可用时频矩阵来表示。时频矩阵可直观描述出频率 跳变的规律，如图1 - 3 所示。 图1 - 3 时频域上的跳颇图案示意图 4 曲北工业人学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 最小跳频间隔 在一个完整的跳频周期中，跳频图案相邻两个载频之间频差绝对值中最小的 频差叫做该跳频通信系统的最小跳频间隔。最d , 1 0 b 频间隔由跳频序列决定。 在设计跳频通信系统时，希望最小跳频间隔尽量大。因为只有最小跳频间隔 足够大，才能充分体现跳频通信系统的抗远近效应、保密性强的特点。 1 2 初始同步时间 从跳频发射机开始发送初始同步信息到跳频接收机实现与发射机同步并进入 跳频通信状态所需的时间，称为初始同步时间。 初始同步时间影响跳频通信的顽存程度。同步过程一旦被敌方破坏，跳频通 信系统将瘫痪。通常希望初始同步建立过程越隐蔽越好、时间越短越好。 g j b 2 9 2 8 9 7 规定，超短波跳频电台初始同步时间应小于o 6 s 。g j b 2 9 2 9 9 7 规 定，短波跳频电台初始同步时间不大于5 s 。 1 3 迟入网时间 跳频电台欲进入正在工作的跳频通信网时，该跳频电台从进入跳频工作状态 起到正确入网的时间，称为迟入网时间。 g j b 2 9 2 8 9 7 规定，中速和高速超短波跳频电台迟入网时间应小于6 s 。 g j b 2 9 2 9 9 7 规定，短波跳频电台应具有迟入网功能，但没有规定具体时间。 1 4 同步概率 同步概率为跳频电台建立同步次数与发送同步信息总次数之比。g j b 2 9 2 9 9 7 规定，对于短波跳频电台，同步概率应高于9 5 。 1 5 组网方式 根据是否具有统一的时间基准，跳频组网方式可分为同步组网和异步组网。 根据跳频序列的汉明相关性能，跳频组网方式可分为正交组网和非正交组网。 因此，跳频组网方式可有：同步正交跳频组网、同步非正交跳频组网、异步 非正交跳频组网。 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 1 2 论文研究的内容及待实现跳频通信系统的技术指标 1 2 1 论文研究内容 本文首先对跳频通信系统的基础理论知识进行了概述，然后对跳频器设计、 跳频序列设计、跳频同步技术等跳频通信系统关键技术的理论设计和实现进行了 详细论述。本文实现了一实际跳频通信收、发机系统，使用了软件无线电技术来 进行基带部分的软、硬件设计，并给出了详细的测试结果。 1 2 2 待实现跳频通信系统技术指标 本文在制定待实现跳频通信系统技术指标时，尽量符合g j b l l 2 8 a - 2 0 0 2 、 g j b 2 9 2 8 9 7 等军标的要求，但在跳频频率范围、跳频速率等技术参数上，为了充 分发挥系统性能，超越了军标的要求。具体技术指标如下： 1 跳频频率范围： 2 信道间隔： 3 跳频带宽： 4 跳频频率数目： 5 跳频处理增益： 6 跳频速率： 7 最小跳频间隔： 8 迟入网时间： 9 初始同步最大时差； 1 0 8 m h z 1 8 9 8 4 m h z 8 0 k h z ： 8 1 8 4 m h z ； 1 0 2 4 点； 1 0 2 4 倍； 4 0 k h p s ； 4 0 0 k h z z - _ 0 5 s ； z - 3 0 s 。 曲北工业大学硕士学位论文 第二章高速跳频通信系统系统设计 第二章高速跳频通信系统系统设计 2 1 频率合成器的选择 频率合成器是跳频通信系统的关键部件。 目前，有以下几种基本的频率合成技术：直接式频率合成( d s ) 、间接式频率合 成( i s 或p l l ) 和直接数字式频率合成( d d s ) 。 直接式频率合成器( d s ) 利用倍频( 乘法) 、分频( 除法) 、混频( 加法与减法) 及滤 波，从单一或几个参考频率中产生多个所需的频率。该方法频率转换时间快f 小于 l o o n s ) ，但由于它在电路中采用混频器和开关导致了串扰而使得电路结构复杂且 体积较大、功耗较高。 间接式频率合成器( i s 或p u 0 具有控制灵活、频率范围宽、体积小、成本低的 特点，但面i 临高速、超高速的技术要求，锁相环路的固有惯性已成为严重的障碍， 不适用于频率高速改变的场合。 d d s 技术是随着数字集成电路的发展而出现并已迅速走向实用的频率合成的 新方法。d d s 全部采用数字器件，具有集成度高、体积小、超高速的频率转换能 力( 能达几十n s 量级) 、极高的频率分辨力( 可达m h z 量级) 等优点。d d s 的高分 辨力与高速频率切换是d s 、p u 。无可比拟的。 由于本系统是高速跳频通信系统，所以要求频率合成器输出频率转换迅速且输 出频道多，故采用d d s 作为频率合成器。选择的具体型号为a d 9 9 5 4 ，其输出频率 上限达到了1 6 0 m h z 。 软件无线电的基本思想是使a d c 尽量靠近模拟前端，把尽可能多的功能用软 件实现。但由于目前a d c 的采样速率和d s p 的处理速度等因素的限制，直接射 频采样技术仅仅在短波频带内可以实现。本高速跳频通信系统的工作频段为 1 0 8 m h z 1 8 9 8 4 m h z ，带宽为8 1 8 4 m h z 。a d 9 9 5 4 输出信号在带宽上满足了系 统的要求，但是达不到输出信号的频率上限要求，无法实现射频信号的直接产生 和直接采样，所以必须进行频谱扩展或搬移。 2 2 频谱扩展、搬移方式的选择 由于d d s 输出频率范围较低，在大多数方案中需要辅助倍频器、锁相环或混 频器以达到所需频段。 塑j ! 三! 三些查堂堡主兰些丝苎一 第二章高速跳频通信系统系统设计 2 2 2 2 2 2 2 2 2 。2 2 2 2 。2 2 = = 一 ；：；：；：= ：= ： 总体来说，频谱的搬移或扩张包括无环路反馈和含有环路反馈两类方法。前 者主要包括混频、滤波法倍频；后者主要为p l l ( 锁相坏) 法。 混频法实质上是将数字化放在中频进行，发射端产生的中频信号与本振混频 并滤波后，频谱搬移到射频段。混频法实现频谱搬移的框图如图2 - 1 所示。 a 图2 - 1d d s + 混频器方案 图2 - 2 是图2 _ 1 中( a ) 、c o ) 、( c ) 、( d ) 各点的频谱图，其中本振频率，上，厶。 ( a ) d d s 输出基带信号频谱 f f a | l ( b ) 本振频谱 f ( c ) 混频后频谱和滤波器幅频特性 ( d ) 滤波后信号频谱 图2 - 2 混频法实现频谱搬移各点频谱图 f 假设d d s 输出基带信号的频谱( 图2 - 2 中a 图) 为非对称形状是为了更清晰地 区分基带信号的高、低频率。 混频法的优点是射频端频率随中频变化迅速，理论上仅受模拟滤波器的q 值 的影响；缺点是对模拟滤波器要求较高，谐波难以完全滤除，造成输出波形频谱 不纯。 p l l 法是将射频信号分频后与已调的中频信号进行锁相，从而获得已调的射 八一 蟪 、 、g 一 露 西北t 业大学硕士学位论文 第一二章高速跳频通信系统系统设计 频信号，如图2 - 3 所示。其中，s i q ) 为中频己调信号，8 0 0 ) 为射频已凋信号，且 o ) 频率是8 ；o ) 频率的n 倍。 图2 - 3d d s + p l l 方案 p u 。法的优点是输出频谱宽，又由于p u 。对波形有提纯作用，故输出频谱较 纯；缺点是频率变化时p u 。环路的稳定时间较长，从而限制了跳频速率，即使是 双环切换方式的p u 。法，频率变化速率也比混频法慢。 另外值得注意的是混频法实现的是频谱的搬移，而p u 。法实现的是频谱的扩 张。 由于本高速跳频通信系统的跳频速率达4 0 k h p s ，而p l l 法的稳定时间在m s 级，所以采用了混频法实现频谱的搬移。 2 3 系统设计 2 3 1d d s 输出频率的确定 用混频法实现频谱搬移时，混频器后要加一滤波器以滤除不需要的边带，而 现实中的滤波器不可能像理想滤波器一样拥有锐截止的特性，必然存在一定的过 渡带，假设其过渡带带宽为b 。图2 2 ( c ) 给出了混频后滤波器的幅频特性图( 虚线) ， 由图可见要在低通滤波器后得到完整且纯净的下边带信号，要求 b = f = ( + k ) 一( 一) = 2 k ，即要求： k = 等( 2 - 1 ) 二 同时，为了保证d d s 输出波形的质量、减小d d s 后面低通滤波器的压力， 应该保证在d d s 输出波形的一个周期内有足够多的点。d d s 每个周期的点数 fff n = 孚，若要求n = n ( 给定值) ，则，0 = 量s 告，即要求： 西北工业火学硕十学位论文 第二章高速跳频通信系统系统设计 ， ，k = i i s ( 2 - 2 ) v 可见，为了能更好地抑制镜像频率，d d s 的输出频率不能太低；为了得到更 好的输出波形，d d s 的输出频率也不能太高，必须同时满足公式2 - 1 和公式2 2 。 综合考虑各个因素，取d d s 的输出频带为5 0 1 6 m h z 1 3 2 m h z ，取本振频率 ，工= 2 4 0 m h z ，取低通滤波器通带为0 2 0 0 m h z ，过渡带为2 0 0 m h z 2 8 0 m h z 。 2 3 2 系统结构设计 图2 4 是发射端系统结构框图，该系统采用混频法来实现频谱搬移。 图2 4 发射端系统结构框图 d s p 根据信源的输出和p n 序列的输出，通过f p g a 来控制d d s 生成基带跳 频信号，然后该基带射频信号和高频本振混频、滤波，得到射频跳频信号，射频 跳频信号经过高频放大后由天线发射。图2 - 5 是图2 - 4 中a 、b 、c 、d 各点的频 谱图。 ( a ) a 点基带跳频信号频谱 c o ) b 点本振频谱 f ( c ) c 点混频后频谱和滤波器幅频特性( d ) d 点射频信号频谱 图2 - 5 发射端a 、b 、c 、d 各点频谱图 l o 西北工业大学硕士学位论文 第二章高速跳频通信系统系统设计 跳频通信系统是扩频通信系统的一种，扩频通信系统的特点是在解调之前首 先解扩，因此，跳频通信系统也需要在解调之前首先解跳。接收端的频率合成器 和接收信号按照相同规律跳变，但是在频率上相差一个中频 ，这样经过混频、 滤波后就可得到固定中频的窄带信号，从而实现了解跳。在接收端，本系统仍然 使用d d sa d 9 9 5 4 作为频率合成器。接收端接收到的射频信号的频带为 1 0 8 m h z 1 8 9 8 4 m h z ，而a d 9 9 5 4 的输出频率上限为1 6 0 m h z ，由于混频时要求 ；厂，一l ，即频率合成器的输出频率要比接收信号高一个中频，而a d 9 9 5 4 的 上限频率达不到此要求，所以采用二次混频结构。 图2 - 6 为接收端系统结构框图。 o 母矩吁砸蛩嘧辱 高莳d p 型岳 l b0 图早一1 甲 皿jl ，土 n 序列p i 一oi 信宿i 图2 - 6 接收端系统结构框图 首先，通过第一级混频将接收到的信号的频谱搬移到较低频段；其次，由d d s 作为第二本振进行二次混频 然后，只要保证接收端d d s 的跳频图案和接收到的 跳频信号一致，就可以得到固定频率的中频信号，实现解跳；最后，f p g a 控制 a d 9 2 8 8 对信号进行中频采样，并在数字域中利用正交n c o 实现数字解调。d s p 控制各单元协调工作。图2 7 是图2 - 6 中各点的频谱图。 a ( a ) a 点接收信号的频谱图( b ) b 点第一本振的频谱图 | 西北工业大学硕士学位论文 第二章高速跳频通信系统系统设计 ( c ) c 点第一次混频后的频谱图和滤波器幅频特性( 虚线) ( d ) d 点第二本振的频谱圈 a f t o7 | z f ( e ) e 点第二次混频后的频谱图和带通滤波器幅频特性( 虚线) ( of 点解跳后的中频信号 图2 7 接收端a 、b 、c 、d 、e 、f 各点的频谱图 2 3 3 基带硬件平台设计 基带部分的硬件平台以可编程器件为主，包括d s p ( t m s 3 2 0 v c 5 4 1 0 a ) 、 f p g a ( e p l c 6 q 2 4 0 c 8 ) 、d d s ( a d 9 9 5 4 ) 、a o c ( a 0 9 2 8 8 ) 、高精度温补时钟源以及 周边辅助电路。 图2 8 为基带部分的硬件框图。 图2 - 8 基带部分硬件框图 二 睛北工业人学硕士学位论文 第二章高速跳频通信系统系统设计 f p g a 是硬件逻辑的载体，完成基带信号采样后的混频、滤波等操作和对 d d s 、a d c 等外部逻辑的控制；d s p 控制f p g a 内部逻辑以及d d s 、a d c 等逻 辑单元完成跳频通信系统基带部分的发射与接收以及一系列计算任务；高精度时 钟源为整个系统提供时问基准，经过d s p 、f p g a 、d d s 等器件内部锁相环倍频， 为各器件提供主时钟；f l a s hr o m 用于存储d s p 的程序；多路稳压电源为各部分 提供多组电压，且模拟、数字部分分开供电，保证了模拟部分信号的信噪比和频 谱纯度。 图2 - 9 为d s p 和f p g a 的连接图。 f p (，a 咽 d a t a b u s 、1 6 d s p a d d r b u s 、1 6 l j g 剁l o g i c r 、， c o n t r o l b u s 咽 图2 9 d s p 和f p g a 的连接框图 f p g a 上的逻辑设计采用了o n c h i p b u s + u s e r l o g i c 的s o p c 设计思想。 o n c h i p b u s 采用了a l t e r a 的a v a l o n 总线。a v a l o n 交换结构是a l t e r a 公司提出的一 种在可编程片上系统中连接片上处理器和各种外设的互联机构，它是一种同步总 线，包含完善的总线仲裁逻辑，并针对自身产品进行了逻辑优化，特别适合用在 a l t e r af p g a 上。但是，a v a l o n 总线和c 5 4 x 系列d s p 的外部存储器异步接口时 序不兼容，为此，设计了b u sb r i d g e 模块，实现了两种总线间数据的透明传输。 b u sb r i d g e 的结构如图2 1 0 所示，一边是d s p e m i f 的s l a v ei n t e r f a c e ，连接 到d s p 的e m l f ，映射到d s pi o 空间；另一边是a v a l o n 总线的m a s t e ri n t e r f a c e ， 连接到a v a l o n 总线。 图2 1 0b u sb r i d g e 的结构示意图 阿北t 业大学硕士学位论文 第二章高速跳频通信系统系统设计 f p g a 的内部逻辑采用了模块化的设计思想，每个l o g i c 都包括 a v a l o n s l a v e i n t e r f a c e 、r e g i s t e r f i l e 和u s e r l o g i c 三部分，如图2 - 11 所示。 图2 1 1l o g i cm o d u l e 的结构示意图 其中，a v a l o n s l a v e i n t e r f a c e 是a v a l o n b u s 的从接口逻辑；r 晒s t e r f i l e 是寄存 器组逻辑，通过a v a l o n e 总线映射到d s p 相应的1 0 地址空间；u s e r l o g i c 用于实 现用户逻辑，其功能完全由r e g i s t e r f i l e 的内容决定。各个模块独立工作，模块之 间的通信通过片上总线进行，增加了设计的灵活性，便于维护和扩展，并可以利 用s o p cb u i l d e r 工具完成系统的集成。 1 4 西北工业大学硕士学位论文 第三章高速跳频通信系统关键模块设计 第三章高速跳频通信系统关键模块设计 3 1 跳频器设计 本设计选用了d d s 作为跳频器。本章首先介绍了d d s 的结构及工作原理； 然后论述了跳频器的数字接口设计和模拟输出设计，并给出了d d s 后面的低通滤 波器的幅频响应仿真结果和d d s 输出端的波形图。 3 1 1d d s 的结构及工作原理 d d s 可以视为由n c o 和高速d a c 构成。 n c o 决定y d d s 输出信号的频率范围、分辨率、相位分辨率等参数，它主要由 相位累加器、相位偏移加法器和余弦表构成，如图3 - 1 所示。 图3 1n c o 的结构框图 ：f t w ( f r e q u e n c yt u r n i n gw o r d ) 决定了n c o 输出波形的频率，其关系 式扑 黑嚣憎当0 砩 掣f t w 。2 3 1 ；d ：乩脚c 。时 钟频率。 相位偏移控制字p o w ( p h a s eo f f s e tw o r d ) 决t n c o 输出波形的相位偏移，其 关系式为a 中。面p o w 劢。p o w 主要用于相位调制系统中。 余弦表的地址线位宽决定了n c o 的相位分辨率，其关系式为 妒z 二吾2 玎一o 0 0 0 0 1 2 0 r a d - 0 0 0 0 6 8 7 。 余弦表的数据线位宽决定了n c o 的幅度分辨率，其关系式为 a a ：满量程幅度。 d d s 输出信号的频率分量丰富，如图3 - 2 所示，因此为了得到频率单。的信 碡1 l j 业大学硕士学位论文 第三章高速跳频通信系统关键模块设计 号，必须在d d s 输出端加一滤波器来取出其中某一频率分量，一般情况下都是加 低通滤波器取基波分量。 图3 - 2 d d s 输出信号频谱图，c 为系统主肘钟频率，f o 为d d s 输出信号频率 本系统选) 舶d d sa d 9 9 5 4 f ) c j 主要参数为：3 2 b i t 相位累加器、1 4 b i t 相位偏移控 制字、1 9 b i t 余弦表地址线位宽、1 4 b i t 数据线位宽。最高系统主时钟频率为4 0 0 m h z ， 此时输出正弦波频率范围为0 h z 1 6 0 m h z 。当a d 9 9 5 4 的系统主频为4 0 0 m l - i z 时， 频率分辨率，= 务= 4 0 f 0 x 1 0 6 - - 0 0 9 3 胁。 3 1 2 跳频器的实现 图3 3 为a d 9 9 5 4 与f g p a 、d s p 的连接图。 d s p 、兰， 图3 - 3a d 9 9 5 4 与f p g a 、d s p 的连接图 低通 f _ l i 燮j _ 高精度、低温漂的2 0 m h z 时钟源经过a d 9 9 5 4 内部锁相环2 0 倍倍频至4 0 0 m h z 后作为a d 9 9 5 4 的主时钟。数字接口采用了比标准s p l ( s e r i a lp e r i p h e r a li n t e r f a c e ) 接 口增加了1 0 u p d a t e 信号的变型s p i 接口，并使用变长的数据格式。为了适应复杂的 数字接口，在f p g a 中设计了d d sc o n t r o l l e r 逻辑，完成了对所有时序和数据格式的 转换。d s p 仅通过读写d d sc o n t r o l l e r 中的几个寄存器就可以实现对d d s 的所有操 作。a d 9 9 5 4 的输出端采用了互补电流输出，经过变压器耦合并通过低通滤波器后 得到基频信号。 1 6 i j l l i t ；i 业人学坝| = 学化沧艾 玳- 啦l 岛进跳频迎信系统；( ! 键模块吐i i = 1 2 1 1 1 = = e ! = = = ! = = # = ! = = = = = = ! ! ! = ! ! = = = = = e = ! ，= = = # = = = = o = = = = = = = 一= = ! = = ! = z ! = = ! 一 1 ，数字接r 设计 a d 9 9 5 4 数字接口部分采用了双缓冲结构，图3 4 魁浚数宁接l 1 的永意图。 剀3 - 4 a d 9 9 5 4 烈缓冲数字接l = 吲j 构图 从图中可知，对a d 9 9 5 4 的操作分为两步：1 、通过s p i 接口把数据送到i o b u f f e r l a t c h e s 里：2 、给出i o u p d a t e 脉冲，如图3 5 所示，当i o u p d a t e 为高时， 在s y n c _ c l k 的第二个上升沿，i o b u f f e r l a t c h e s 里的数据彳进入d d s 内核寄存器。 这样做的目的是使内核寄存器中的数掘严格在s y n cc l k 的上升沿变化，避免产生 亚稳态；另一个好处是通过控制i ou p d a t e 脉冲来控制d d s 参数的变化时刻，比 较容易实现同步。 s | y s c l k n n n n ln n n n n nn nn n n n n n n n n n nn n n n 日nn 肿n n n n n n nn n l n s y h c _ c 。k 厂1 - r ：历：n 厂1r 厂 r r r 几一 ；? m m 一广1 厂 一 一d a t a i ；n 二二j 五二3 c 二二= 二j 三二二二二二汇二至互二 o 一、r a i n s 玉五= ) ( 二二二二二三三二二二二二) ( 二一i 丁一一 图3 - 5 a d 9 9 5 4 双缓冲数字接口时序图 图3 - 6 是a d 9 9 5 4 为用户提供的s p i 接口时序图。 一、 ：! ! ：! 羔：一l 一：= = = ：竺! ! ：! ! ：兰厂 厂、八八八八、厂、厂、- 厂、八厂、八八八八八 s e r i a lp o r tw r i t et i r r m g c l o c k5 1 a l tt o t , , c s 、 = ：竺：! l ：二：厂 s c 。一 八厂八八厂、厂、八厂 上八八八八八八八八 s 一= 1 7 1 6i$141 31 21 1 t e = d o n i t c a r e = 二二二 s o o c 匿! ) ( ! 互爆d 巨x 蜀匝砸固 互互) _ 3 - w i r e s e r i a l r ) “r e a d l - i ；1 1 l i c t o c k5 t a l ll o w 蚓3 - 6a d 9 9 5 4s p ij i i 、i h 两北工业大学硕一t ：。1 位论文 第三章高速跳频通信系统关键模块设计 和一般的s p i 接r _ | 1 ：同，a d 9 9 5 4 的s p i 接口数据长度不固定，玎i 同的指令后 面跟随的数据k o f - - 等 。d d sc o n t r 0 1 1 e r 接口转换逻辑完成了对所l - r a 4 序和数据 格式的转换，这样d s p 在对a d 9 9 5 4 操作的时候就刁i 需要考虑不同指令的接口数 据格式问题，只需给出指令和数掘即可。 d d sc o n t r o l l e r 模块在系统中的位置如图3 7 所示。 n j 、 喜b 葬罔 d s p厂一s p l _ _ d d s 图3 7d d sc o n t r o l l e r 模块在系统中的位置 d d sc o n t r o l l e r 作为一个从设备，一端挂在a v a l o n 总线上，另一端和d d ss p i 接口相连，它主要包括a v a l o n e 总线从逻辑和s p i 接口时序两部分。s p i 接口时序 使用有限状态机实现，用v e r i l o n gh d l 描述，程序见附录1 。d d sc o n t r o l l e r 中 根据d d s 的指令转换数据长度的部分也用v e r i l o gh d l 描述，程序见附录2 。 d d sc o n t r o l l e r 中r e g i s t e r f i l e 的结构见表3 - 1 。 表3 - 1d d s c o n t r o l l e r 的r e g i s t e r f i l e 地址寄存器读写属性说明 o hw e rw r1 5 b i t 一一l b i t ：r e s e r v e d0 b i t ：w o r k e n a b l e 1 hf d f d rw r t 5 b i t 0 b i t ：f s k 两频点频差对应d d s f t w 的值 2 hd f h r w r15 b i t 8 b i t ：r e s e r v e d 7 b i t 0 b i t ：d d s f t w 3 9 ：3 2 】 3 hd f m rw r 1 5 b i t 0 b i t , d d s h w 0 3 1 ：1 6 】 4 h d f l rw r 1 5 b i t 0 b i t ：d d s f t w 0 t 5 ：0 】 关于各个寄存器的详细说明见附录3 。 d s p 只需对相应寄存器操作就可以实现对d d s 的控制。 3 1 3 模拟输出设计 a d 9 9 5 4 采用互补电流输出= 本设计通过变压器耦合，并使用了无源阻容低通 滤波器进行滤波。图3 - 8 是a d 9 9 5 4 模拟输出端变压器耦合和低通滤波器的电路 图。 jl | 北1 业人学坝 “学位论文 第二章高述跳频j i n 信系统关键谈块设计 图3 - 8a d 9 9 5 4 模拟输山端变j 毛器耦台和低通滤波器的电路幽 阁3 - 9 是在p s p i c e a d 模拟、数字混合仿真环境巾得到的罔3 - 8 中低通滤波器 的频率响应曲线。由图可见，该滤波器的截止频率大约为2 0 0 m h z ，通带较为平 ，过渡一特较窄，其性能满足系统监求。 、 i ： ：。土： ij 幽3 - 9 低过滤波器幅频响应曲线 图3 1 0 是用a g i l e n t5 4 6 2 2 d 示波器测得的d d s 输出端低通滤波器前、后端 的信号波形。从图中可见，低通滤波器的滤波性能较好。 ( a ) d d s 输出波形( 低通滤波前)d d s 输出波形( 低通滤波后) 图3 1 0d d s 输出端低通滤波器前、后波形酗 竭 p q j 匕工业大学硕士学位论文 第三章高速跳频通信系统荚键模块设计 3 2 调制解调逻辑设计 奉设计选用了2 f s k 作为信号调制方式。本节首先介绍了调制方式的选择： 然后介绍了调制模块和解调模块的设计。在解调模块设计中，详细论述了理论设 计和逻辑实现，最后给出了d s p 上的程序流程图。 3 2 1 调制方式选择 信号的调制方式有