（通信与信息系统专业论文）vhf波段高速跳频数据通信发射系统的研究、设计与实现.pdf

v h f 波段高速跳频数据通信发射系统的研究、设计与实现 摘要 由于未来通信的发展提出了抗干扰能力强和信息容量大等要求， 所以基于跳频技术的数据通信系统越来越受到业界的重视。在本文 中，我们将设计出一整套工作于v h f 波段的适于数据通信的高速跳 频发射系统。 文中对本跳频发射系统的主要组成部分：t u r b o 信道编码、混沌 跳频码发生器、b f s k 数据调制以及高速频率合成器a d 9 8 5 4 进行 了详细的论述，并对系统的连接、调试及系统指标的测量进行了具体 的讨论。其中，t u r b o 信道编码、混沌跳频码发生器、d d s 驱动均 由d s p 编程实现；b f s k 数据调制和跳频调制均由a d 9 8 5 4 频率合 成器完成。 我们主要使用了a g i l e n t 公司的逻辑分桥仪1 6 7 2 g 、调制域分析 仪5 3 31 0 a 及频谱分析仪e 4 4 0 7 b 对实验结果进行了测试。测试结 果表明该实验系统完全能够满足我们设计时提出的要求，即在信道间 隔为6 4 k h z 、频点数为2 5 6 的4 0 5 6 3 8 4 m h z 的v h f 频段上实 现了信道速率为3 2 k b p s 、跳频速率为2 0 0 0 跳秒的跳频通信。 另外，在跳频发射系统实现的过程中，我们对混沌跳频序列采用 了宽间隔处理，使跳频间隔达到了序列长度的4 8 5 ；我们还通过 对d s p 程序的进一步优化，已经使发射系统的信道速率提高到 6 4 k b p s ，相应的跳频速率提高到4 0 0 0 跳秒。 v h f 波段高速跳频数据通信发射系统的研究、设计与实现 关键词：跳频通信，t u r b o 信道编码，混沌跳频序列， b f s k 调制，频率合成器，d s p ，a d 9 8 5 4 翌! ! 燮塑夔型型苎! ! ! 墅堕坚竺! 型些筮鲤塑：里生! 竺塑堡! ! 竺! 竺竺! 竺兰! 竺翌型竺墅! ! l a b s tr a c t t h ed e v e l o p m e n to fc o m m u n ic a t i o n s 1nt h ef u t u r e r e q u ir e s s t r o n ga n t i - j a ma b i l l t ya n di a r g e 1 n f o r m a t i o nc a p a c i t y 。s o t h ed a t ac o m m u n ic a t io nb a s e do nf ht e c h n o lo g yh a sb e e np a i d m o r ea n dm o r ea t t e n t i o nt o 工nt h et h e s i s w ew i l ld e s i g na s e to ff ht r a n s m i s s i o rs y s t e m ，w h i c hw o r k s1nt h ev h fw a v e b a n da n d1 ss u i t a b l ef o rt h ed a t ac o m m u n i c a t i o n i nt h et h e s is 。 t u r b oc h a n n e l m o d u l a t i o na n d a d d i t i o n ，w ed i w em a i n l yd is c u s st h ef o l l o w i n gc o m p o n e n t s ， e n c o d i n g ，c h a o t i c f hc o d e g e n e r a t o r ，b f s k h i g h s p e e df r e q u e n c ys y n t h e s i z e r a d 9 8 5 4 i n 5 c u s st h es y s t e m n t e r c o n n e c t i o n - s y s t e md e b u g a n dt e s tr e s u lt t h et u r b oe n c o d e r ，c h a o t i cf hc o d eg e n e r a t o r a n dd r i v e ro fd d sa r er e a l z e d nd s p ，a n dt h e b f s ka n df h m o d u l a t i o na r ef u l f i l l e db yf r e q u e n c ys y n t h e s i z e r a d 9 8 5 4 o u rf ht r a n s m is s i o ns y s t e m1 st e s t e db yt h el o g i ca n a l y z e r 1 6 7 2 g m o d u l a t i o n d o m a i n a n a l y z e r 5 3 3 1 0 aa n ds p e c t r u m a n a l y z e re 4 4 0 7 b ，w h i c ha r ep r o d u c e d b ya g i 1e n t t h et e s t r e s u lts h o w st h a to u r s y s t e m t o t a l1ym e e t st h ed e s ig n r e q u i r e m e n t so ff r e q u e n c yb a n d w id t hf r o m4 0t o5 6 3 8 4 m h z ，d a t a r a t eo f3 2 k b p s ，h o p p i n gr a t eo f2 0 0 0h o p sp e rs e c o n d ，c h a n n e l g a p o f6 4 k h za n dh o pn u m b e ro f25 6 b e s id e s ，t h ec h a o t ic f h s e q u e n c e sp r o c e s s e db ym e t h o do f p a i r in gf r e q u e n c yb a n dt og e taw id e rf h1n t e r v a l t h er e s u l t s h o w st h a tt h ea v e r a g e n t e r v a l s4 8 5 o fh o pn u m b e r a l s o ， b yo p t i m i z in g t h ed s p p r o g r a m ，t h e t r a n s m is s i o n s y s t e m p o s s e s s e sah i g h e rd a t ar a t eo f6 4 k b p s ，a h i g h e rh o p p i n gr a t e o f4 0 0 0h o p sp e rs e c o n d k e y w or ds if h c o m m u n i c a t i o n s ，t u r b oe n c o d e r ， c h a o t i cf hs e q u e n c e ，b f s k ，f r e q u e n c y s y n t h e s i z e r , d s p , a d 9 8 5 4 v h f 波段高速跳频数据通信发射系统的研究、设计与实现 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 扩展频谱通信( s p r e a ds p e c t r u mc o m m u n i c a t i o n s ) 简称扩频通信，是通信领 域中一个重要的发展方向，它一经出现便引起世界各国学者和军方的极大关注。 扩频通信系统是指待传输信息的频谱用某个特定的扩频函数扩展后成为宽频带 信号，送入信道中传输，再利用相应手段将其压缩，从而获取传输信息的通信系 统。扩频的基本特点就是传输信息所用信号的带宽远远大于信息本身的带宽，因 此它具有很强的抗人为干扰、抗窄带干扰、抗多径干扰的能力，并且还具有信息 隐蔽、截获率低、低的空间无线电波“通量密度”及多址保密通信等优点。 目前，扩频通信主要有如下几种基本类型：真接序列扩频、跳频、线性调频 和跳时。直接序列( d s ) 扩频技术通过将基带信号与一速率适度的伪随机码序列相 乘，从而将基带传输能量连续地扩展到所要求的带宽上：跳频( f h ) 则是按随机的 方式在所要求的带宽范围内改变窄带传输的瞬间频率：线性调频( c h i r p ) 技术要求 传输的瞬间频率以适当的方式在所要求的整个带宽范围内扫描，从而扩展发射波 的频谱；跳时( t h ) 则要求按伪随机的时间间隔进行高功率突发宽带传输。 作为扩频通信的一种，跳频通信系统( f r e q u e n c y h o pc o m m u n i c a t i o n ss y s t e m ) 越来越受到业界的重视，并获得了广泛的应用。在蜂窝移动电话系统中，s f h 9 0 0 系统采用了跳速为2 5 0 跳秒的慢跳频技术( 其跳频速率比数据比特率低一个数 量级，在每跳时间内可以传输几百比特) 【l 】；g s m 系统亦采用了跳速为2 1 7 跳 秒的慢跳频技术。在无线局域网中，工作在2 4 g h z l s m 频段的“蓝牙”( b l u e t o o t h ) 技术采用了5 0 0 跳秒的跳频技术，实现了个人计算机、笔记本电脑以及其他数 据终端设备或是家用电器之间的无线高速数据通信1 2 1 。 近几年来，随着微电子技术的日益发展，出现了诸如高速数字信号处理器 s p ) 、现场可编程门阵列( f p g a ) 、直接数字频率合成器( d d s ) 等芯片，为跳频 通信系统的设计和实现带来了深刻的变革。高速数字信号处理d s p 芯片的同益 成熟，为通信信号在数字域的实时处理提供了可能：直接数字频率合成器d d s 的完善很好地解决了高速跳频通信对跳频频率合成器的要求。因此，在这种背景 v h f 波段高速跳频数据通信发射系统的研究、设计与实现第一章绪论 下，我们应该大量采用上述这些先进的数字技术，尽可能实现跳频通信系统的数 字化、软件化，以全面提高系统的可靠性、智能性和技术可升级性。 1 2 跳频通信系统概述 跳频通信技术是扩频通信的主要方式之一，它是使信号载波频率依照某一特 定的伪随机序列和数字信息而不断变化的通信方式。在发送端，信息序列经信道 编码后与伪随机码序列按跳频图案控制频率合成器，使其输出频率在信道里随机 跳跃地变化。在接收端，用与发端相同的本地伪随机码序列发生器构成的跳频指 令去控制本地频率合成器，使其输出的跳频信号与接收到的跳频信号在混频器中 差出一个固定中频信号来，再经过数据解调和信道译码获得原始信息。 跳频系统中扩展频带的宽度是由跳变的频率总数n 和频率跳变的最小间隔 ( 即信道间隔) w d 来决定的，即为n w d 。当信道间隔等于数据调制频谱宽度 时，跳频系统发射信号的频道间隔不发生重叠。然而，一些实用的跳频系统中是 允许发射信号频道间隔重叠的，这种重叠可以大大减小传输扩频信号所需的带 宽，或在扩频带宽相同的条件下增加跳频数目n ，从而提高系统的处理增益。 跳频通信系统具有许多优点： 1 跳频信号载波在整个宽频带内跳变，以“躲避方式”提高抗干扰性。对f h s s 来说，只有当干扰信号能量大于接收机比特判决门限，而且在每次跳变时隙内， 干扰频率恰巧位于跳频的频道上时，干扰信号才有效。 2 具有良好的抗远近效应的性能，在非常强的邻近干扰下具有通信能力。 3 具有多址和高的频带利用率。 4 易于与现有的常规通信体制兼容，因为它具有一次信息调制灵活的特点。 5 易于和其它调制类型的扩频系统组合，构成各种混合式，如f h d s 、t h f h 等。 6 起到了频率分集的作用，在移动通信环境中具有很好的抗多径衰落能力。 1 3 跳频发射系统的主要参数和关键技术 本论文主要研究的内容为v h f 波段高速跳频数据通信发射系统的设计与实 现，系统预定的各项指标如表1 1 所示。 2 v h f 波段高速跳频数据通信发射系统的研究、设计与实现第一章绪论 表1 - 1v h f 波段高速跳频数据通信发射系统的指标 信道速率 3 2 k b s信道问隔6 4 k h z 信道编码t u r b o 码频点数2 5 6 调制方案b f s k系统带宽 16 3 8 4 m h z 跳频速率2 0 0 0 跳秒中频 4 0 5 6 3 8 4 m h z 跳频序列宽间隔混沌跳频序列频率合成器 a d 9 8 5 4 1 3 1 系统的主要参数 ( 1 ) 处理增益：跳频系统的处理增益为 g p = n 其中n 为跳变频点数。由式( 1 1 ) 可知，跳频信号的处理增益等于跳频的频点数。 跳频系统可用的跳变频率越多，则处理增益越大，抗干扰能力也就越强。本系统 的处理增益为2 5 6 。 ( 2 ) 跳频速率：跳频速率是指每秒的频率跳变次数。从抗人为干扰角度，跳 速越高，敌方对跳频信号的截获、跟踪和测向越困难。目前技术还没有能跟上 1 0 0 0 跳，秒的跟踪干扰机。如果跳速达到1 0 0 0 0 跳秒，因电波传播延迟，跟踪干 扰就变得不现实了。 目前普遍采用的速率分类有三种：快速、中速和慢速。一般认为：慢速跳频 在5 0 跳秒( 或1 0 0 跳秒) 以下；高于5 0 0 跳秒( 或1 0 0 0 跳秒) 称为高速跳频； 中速跳频则介于快、慢之间，即5 0 跳秒到5 0 0 跳，秒( 或1 0 0 跳秒到1 0 0 0 跳 秒) 之间1 3 】0 本系统的跳频速率预定实现2 0 0 0 跳，秒，因此属于高速跳频系统。 ( 3 ) 码片速率：在跳频系统中，码片( c h i p ) 用来代表系统中时间最短的不问断 波形。对于慢跳频( 即在每个跳频间隔内存在多个调制码元) ，系统中最短的不 间断波形取决于符号速率；对于快跳频( 即在每个调制码元间隔内存在多次频率 跳变) ，系统中最短的不间断波形取决于跳频速率。若令系统的码片速率( c h i pr a t e ) 为，跳频速率( h o pr a t e ) 为，符号速率( s y m b o lr a t e ) 为r s ，则r c - - - m a x ( r h ，r s ) ， 即跳频系统中的最高速率。由于本系统采用b f s k 数据调制，符号速率即为信道 v h f 波段高速跳频数据通信发射系统的研究、设计与实现第一章绪论 速率3 2 k b s ，跳频速率为2 0 0 0 跳秒，每一个跳变的载波频率上将有1 6 个比特 的数据调制，因此本系统属于慢跳频系统，码片速率就等于信道速率，即= 3 2 k b s 。 ( 4 ) 跳频带宽：跳频带宽是指跳频扩谱的最大频率范围。可表示为 睨，= n - ( 1 - 2 ) 其中n 为跳频带宽内的信道数日，w d 为信道间隔。跳频带宽越宽，系统抗截获、 抗干扰的能力越强。目前跳频系统设计的跳频带宽有两种，一种是分频段跳频， 例如j a g u a r - v 跳频电台，将3 0 8 8 m h z 频段分为九个分频段，在每一分频段 6 4 m h z 带宽所含的2 5 6 个信道中跳变，其优点是便于频率管理。另一种是全频 段跳频，例如s i n c g a r s - v 跳频台，它在3 0 8 8 m i - i z 频段全部2 3 2 0 个跳频信 道中跳频。本系统采用全频段跳频设计，在4 0 5 6 3 8 4 m h z 频段全部2 5 6 个跳 频信道中跳频。 1 3 2 系统的关键技术 在跳频发射系统中，信道编码器、数据调制器、跳频序列发生器和频率合成 器构成了系统的主要部分。下面我们将对它们分别加以论述。 ( 1 ) 信道编码：在跳频通信的实际工作环境中，除了高斯白噪声外，还存在 着多种干扰噪声。同时，数据通信对通信的可靠性要求是很高的，一般要求误码 性能优子1 0 一。因此，用于数据通信的跳频系统更需要采用设计复杂、纠错能力 强大的前向纠错码( f e c ) 对数据进行保护。考虑到数据通信系统对通信的实时性 要求并不高，允许出现译码时延，我们的跳频发射系统最终选择了最新出现的采 用迭代译码算法的并行级联卷积码( t u r b oc o d e ) 作为信道编码，用其编译码算法 的复杂度来换取纠错能力的提高，以满足实际跳频数据通信系统对误码性能的要 求。 t u r b o 码是一种新的信道编码方案，级联( c o n c a t e n a t i o n ) 、迭代( i t e r a t i o n ) 和软 输入软输出( s o f i - i ns o f t - o u t p u t ) 译码是t u r b o 码的主要思想，它的提出使多年来人 们寻求逼近s h a n n o n 极限的纠错码的努力向前迈进了一大步。t u r b o 码在低信噪 v h f 波段高速跳频数据通信发射系统的研究、设计与实现第一章绪论 比情况下具有极强的纠错能力，如c b e r r o u 给出的采用并行的两个约束长度1 ( c = 5 的r s c 编码器和6 5 5 3 6b i t s 长的交织器，采用迭代译码的方法，经过1 8 次迭代 后，为获得1 0 5 的误比特率，所需的信噪比仅为0 7 d b 。因此，将t u r b o 码用于 跳频数据通信中对数据进行保护，以对抗跳频通信所面临的各种干扰就成了一个 非常有意义的课题。关于t u r b o 信道编码将在第二章中详细讨论。 ( 2 ) 数据调制：为了在跳频系统中实现高速数据传输，首先要解决的一个问 题是选用一种合适的具有较高通信效率的数字调制方案。对于跳频技术，它通常 与m 进制频移键控( m f s k ) 调制联合使用，由k = l 0 9 2 m 个信息比特决定发送m 个 频率中的哪一个。m 进制信号的频率在跳频带宽内，由频率合成器完成伪随机的 跳变。在常规m f s k 系统中，数据码元调制固定频率的载波；而在f h m f s k 系统 中，数据码元调制频率伪随机变化的载波。在实际系统中，数据调制和跳频调制 通常可以一步实现，即由数据和跳频序列共同控制频率合成器的输出，从而一次 性完成两种调制。 m f s k 调制具有恒包络的特性，即在调制信号的幅度上不携带被调制数据的 信息，这一点尤其在移动通信中表现出了极强的抗幅度衰落的优势。 在本系统中，我们采用了较为简单的b f s k 调制方式，关于具体的设计与实 现请参阅本文第五章内容。 ( 3 ) 跳频码序列：用来控制频率跳变的伪随机序列( p n 序列) 称为跳频码 序列。在跳频码序列的控制下，信号载波按其规律进行跳变，称为跳频图案。正 确地选择和设计跳频码，对提高系统的抗截获、抗干扰和保密性能都有重要意义。 理想的跳频码应具有相关性好、跳频间隔宽、均匀性好、多址能力强、周期长等 特点。 常用的跳频码序列有m 序列和r s 序列。二元m 序列的自相关性能较好， 易于产生和复制。r s 序列是一种b c h 码，由于它也有良好的相关特性，再加上 它比同样长度的m 序列可产生更多的跳频图案，因而在f h 系统中得到了较为广 泛的应用。 近1 0 年来，混沌序列在通信领域中的应用，特别是在扩频通信中的应用越 v h f 波段高速跳频数据通信笈射系统的研究、设计与实现第一章绪论 来越受到通信界的关注。它的初始值问任意小的差别在迭代中被指数放大，使得 混沌序列具有很强的多址能力。同时混沌的长期行为还表现出明显的随机性和不 可预测性，因此将其用作跳频序列来产生跳频图案将为改善跳频通信系统性能提 供一个新的途径。我们通过大量的数值模拟和计算机仿真，证实了由混沌序列产 生的跳频序列具有相关性能好、跳频间隔宽、多址容量大、均匀性好、产生速度 快、保密性好等诸多优点，并最终将其应用到我们的跳频发射系统中。有关本系 统的跳频码的设计和实现将在第三章中详细论述。 ( 4 ) 频率合成器t 跳频速率、跳频带宽和跳频数是决定整个系统性能的主要 参数。跳频数越多，跳频带宽越宽，系统的处理增益就越大：跳频速率越高，就 越能适应高速数据传输，并能有效地抑制干扰，特别是人为转发性干扰。以上这 些参数均受到系统中频率合成器的限制，因此，频率合成器的性能直接影响着整 个跳频系统的性能。 目前常用的频率合成器主要有三种：直接模拟式频率合成器( d a s ) 、锁相环 频率合成器( p l l ) 、直接数字频率合成器( d d s ) 。对于d a s ，由于设备体积庞大， 成本昂贵，因此在跳频中很少使用。p l l 方案输出频率高，但频率切换速度较慢， 频率分辨率与环路锁定时间存在着矛盾，因此不适合在高速跳频系统中应用。而 d d s ，作为一种高集成度的芯片，当被配有精确的参考时钟时，可产生高分辨率、 高切换速率、高稳定度的输出频率，因此，我们最后采用了一种新型的d d s 芯 片a d 9 8 5 4 作为本跳频发射系统的频率合成器。关于a d 9 8 5 4 的性能和在本系 统中的应用将在第四章中详细论述。 青息 t u r b o 信道编 f s k d a t a i l l # 列码器 i 划 混沌跳频序 列发生器 t m s 3 2 0 c 5 4 9 a d 9 8 5 4 图1 - 1 跳频发射系统结构框图 6 v h f 波段高速跳频数据通信发射系统的研究、设计与实现第一章绪论 以上就我们的跳频发射系统中的主要部分：信道编码器、数据调制器、跳频 序列发生器和频率合成器进行了简单的论述，图1 - 1 即为本系统的结构框图。其 中，t u r b o 信道编码器、混沌跳频序列发生器均在d s p 芯片t m s 3 2 0 c 5 4 9 中由 汇编编程实现；频率合成器和b f s k 数据调制均由d d s 芯片a d 9 8 5 4 实现；同 时，d s p 还完成对a d 9 8 5 4 的驱动控制。本设计方案应用了软件无线电的思想， 完全符合通信系统数字化、软件化的发展趋势。 v h f 波段高速跳频数据通信发射系统的研究、设计与实现第二章t u r b o 信道编码 第二章t u r b o 信道编码 从1 9 9 3 年b e r r o u 等在国际通信会议( i c c 9 3 ) 上提出t u r b o 码以来，短短几 年，它已经成为用差错控制提高误码性能的有效手段之一，其优异的译码性能使 其被确定为第三代移动通信系统i m t - 2 0 0 0 的核心技术之一。理论上，它由于很 好地应用了s h a n n o n 信道编码定理中的随机性编、译码条件，从而获得了几乎接 近香农理论极限的译码性能。文献【4 】采用修正b a h l 译码算法仿真，在a w g n 信道下，1 2 码率的t u r b o - c o d e 经1 8 次迭代译码后可得到：在e b n 0 = 0 7 d b 时， 比特误差概率为1 0 。5 。 、 t u r b o 码目前在心4 a r s a t 移动卫星通信系统中和c d m a 多用户检测中已 有所应用，i m t - 2 0 0 0 还将t u r b o 码作为其传输高速数据的信道编码标准。在此 我们大胆选用了t u r b o 码作为跳频发射系统的信道编码，并已经在t i 公司的 t m s 3 2 0 c 5 4 9 中成功实现。 2 1t u r b o 码的基本概念 t u r b o 码是一种新的信道编码方案。级联( c o n c a t e n a t i o n ) 、迭代( i t e r a t i o n ) 和软 输入软输出( s o f t i ns o f t - o u t p u t ) 译码是t u r b o 码的主要思想。所谓级联就是以多个 短码来构造长码。因为要想提高编码的性能，就必须加大编码中具有约束关系的 序列长度。但是直接提高分组码编码长度或卷积码约束长度都使得系统的复杂性 急剧上升，在这种情况下，级联码既可以减少译码的复杂性，同时又能够得到等 效长码的性能。与传统的串行级联相比，t u r b o 码即采用了全新的“并行级联” 结构。 t u r b o 码的译码思想是将整个译码问题分成更小的问题对其中的每个子 码进行译码，获得局部最优解，并以迭代的方式共享信息。实现上，对应于两路 编码器的两个子译码器之间可循环交换信息，实现反馈迭代译码，其工作方式像 t u r b oe n g i n e 一样，故称为t u r b o 码。 2 2t u r b o 码编码器 2 2 1 分量码的组成 8 v h f 波段高速辟频数据通信发射系统的研究、设计与实现第二章t u r b o 信道编码 从理论上说，分组码、代数码和卷积码都可以作为t u r b o 码的分量码，而且 分量码编码器的组成也可以是不同的。但实际上，只有符合一定限制的分量码才 能尽可能地提高码字的自由距离，保证t u r b o 码的译码性能。卷积编码是前向纠 错码中很重要的一类，t u r b o 码的分量码编码器正是在卷积码的基础上进行改进 的，其中加入了反馈信息。 我们的t u r b o 码编码器中采用的分量码是码率为1 2 、寄存器级数为4 的( 2 ， i ，4 ) r s c 码( 递归系统卷积码) ，其结构如图2 1 所示。该编码器的编码过程为： 当前信息位d k 和当前四个寄存器状态s k 按照图中结构相异或得到数据位a k 和校 验位v k 当时钟上跳沿到来时寄存器数据均右移一位，a k 移入第一个寄存器，得 到下一个寄存器状态s k 十l ，为下一比特编码做好准备。 位u k 位v k 图2 - i ( 2 ，l ，4 ) r s c 编码器 2 2 2t u r b o 码编码器的组成 t u r b o 码编码器是由两个或多个分量码通过交织器进行级联而得到的，目前 比较常用的是并行级联的方式。编码器连接的分量码编码器的个数一般没有什么 限制，而且分量码也不一定要具有相同的约束长度和编码效率。 在我们的跳频发射系统中，t u r b o 码编码器采用了两个相同的分量码编码器 并行级联的结构，其结构框图如图2 2 所示，这也是一种比较典型的t u r b o 码编 码器结构，其中分量码即采用图2 一l 所示的r s c 编码器。信息序列 d k ) ；( d 1 ， d 2 ，d n ) 经过一个n 位交织器( 本系统采用了一个8 位的交织器) ，形成一个 新的序列 d k ) = d 1 ，d 2 ，d n ( 长度与内容没变，但比特位置经过重新排 列) 。 d k 和 d k 分别传送到两个相同的分量码编码器( r s c l 和r s c 2 ) 中，生 9 波段高速跳频数据通信发射系统的研究、设计与实现第二章t u r b o 信道编码 成校验序列 v m 和 v 2 k 。为了提高码率，序列 v l k 与( v 2 k 需要经过删余器从这 两个校验序列中周期地删除一些校验位，最终生成校验位序列 v k ) 。 v k 与未编 码序列 u k 经过复用调制后，即生成t u r b o 码序列 c k ) 。图2 2 中的两个分量码 编码器的码率均是i 2 ，为了得到i 2 码率的t u r b o 码，本系统采用了删余矩阵p = 【l0 ，01 ，即删去来自r s c l 的校验序列v l k 的偶数位置以及来自r s c 2 的校 验序列v 2 k 的奇数位置比特。 信息序列 d k 图2 - 2t u r b o 码编码器结构框图 2 3t u r b o 信道编码的d s p 实现 在我们的跳频发射系统中即采用了上述t u r b o 码作为系统的信道编码，并已 经在t m s 3 2 0 c 5 4 9 中成功实现，这不仅体现了固件( 固化在硬件内部的软件) 实现的高效性，而且也符合通信系统设计向着数字化、软件化发展的趋势。 2 3 1t u r b o 信道编码算法的优化 为了尽可能地提高跳频发射系统的信道速率，需要使d s p 中t u r b o 信道编码 部分的指令尽量精简，具有高效性，因此我们采用了全汇编软件编程，并进行了 编码算法的优化。 从图2 1 所示的r s c 分量码结构中我们不难发现，k 时刻的输出校验位v k 和下一比特编码所需的k + l 时刻的寄存器状态s 仅仅与k 时刻寄存器状态s k 和输入的信息位d k 有关，而这种关系又是固定不变的，因此我们完全可以绘制 出该编码器的状态转换表，如表2 - 1 所示，通过查表的方式来实现t u r b o 码编码 器中分量码的编码部分，省去了复杂的异或和移位等运算，大大简化了编码过程， 1 0 v h f 波段高速跳频数据通信发射系统的研究、设计与实现 第二章t u r b o 信道编码 提高了编码效率。后面所附的汇编源代码中的注释部分已经详细讲述了t u r b o 信 道编码在d s p 中实现的细节，因此这里不再赘述。 表2 - ir s c 编码器的状态转换表 寄存器输入信下一状输出校寄存器输入信下一状输出校 状态s k息位d k态s k + 1验位v k状态s k 息位d k态s k + l验位7 k 0 0 0 000 0 0 0o0 0 0 011 0 0 01 0 0 0 to1 0 0 000 0 0 1l0 0 0 01 0 0 1 0 o1 0 0 l10 0 1 010 0 0 l0 0 0 l lo0 0 0 1 l 0 0 1 111 0 0 10 0 1 0 0 o1 0 1 0l0 1 0 010 0 1 0o 0 1 0 1 o0 0 1 010 1 0 l11 0 1 00 0 1 1 0 o 0 0 1 1 o0 1 1 011 0 1 1l 0 1 1 lo1 0 1 100 1 1 1l 0 0 1 1l 1 0 0 001 1 0 0l1 0 0 010 1 0 00 1 0 0 100 1 0 0 11 0 0 1 11 1 0 00 1 0 1 0o0 1 0 1o1 0 1 011 1 0 ll 1 0 l lo1 1 0 101 0 1 1l0 1 0 11 1 1 0 000 1 1 0 01 1 0 0l1 1 1 0l 1 1 0 1o1 1 1 0o 1 1 0 110 1 1 0l 1 1 1 001 1 1 1l1 1 1 0 l0 1 1 1o 1 1 1 100 1 1 11 l l l l 11 1 1 1o 2 3 2d s p 片内硬件定时器在t u r b o 编码中的应用 我们的跳频发射系统预定的信道速率为3 2 k b s ，为了实现该速率，系统使用 了t m s 3 2 0 c 5 4 9 芯片内的硬件定时器。 2 3 2 1d s p 片内硬件定时器简介 t m s 3 2 0 c 5 4 9 芯片内有一个1 6 位的软件可编程硬件定时器，可用于周期性地 产生中断。定时器的分辨率为器件的时钟输出c l k o u t 速率。 定时器有3 个存储器映像寄存器：t i m 、p r d 和t c r 。p r d 为定时器周期寄存 器，存放定时值；t i m 为定时器寄存器，减一计数，当减到0 时用p r d 的内容对 其重新加载；t c r 为定时器控制寄存器，其内容为定时器的控制和状态位，预分 频计数器p s c 和定时分频比例器t d d r 即在其中，t d d r 用于确定定时器的输入时 钟分频数，当p s c 减一计数到0 时，重新加载t d d r 的值。有关定时器的详细内 容可参阅文献 5 。 v h f 波段高速跳频数据通信发射系统的研究、设计与实现 第二章t u r b o 信道编码 定时器包含两个部分：主定时模块和预分频器模块。 主定时模块包括两个寄存器：p r d 和t i m 。在正常情况下，t i m 由预分频器模 块驱动，每输入一个脉冲时减一，当t i m 减到0 时，用p r o 的内容对其重新加载。 主定时模块的输出是定时器中断信号t i n t ，送到c p u 产生中断。 预分频器模块包括两个寄存器：t d d r 和p s c 。p s c 的输入是c l k o u t 信号，每 输入一个c l k o u t 信号p s c 减一，正常工作时，当p s c 减到0 ，用t d d r 的内容对 其重新加载。 因此，定时器中断的速率由下式决定： 3 面面鬲j d 雨k a u t 网( 2 - i ) 式中f c 。为系统时钟c l k o u t 的频率。 定时器初始化的步骤如下： 1 对寄存器t c r 中的t s s 位置l ，使定时器停止工作： 2 将定时值装入p r d ； 3 装入t c r 以初始化t d d r ；对t s s 位清0 以产生c l k o u t 信号：对t r b 位置1 ， 重新加载定时初值。 定时中断使能的步骤如下： 1 对中断标志寄存器i f r 中的t i n t 位置1 以清除已经悬挂的定时中断； 2 对中断屏蔽寄存器i m r 中的t i n t 位置i 以允许定时中断； 3 对状态寄存器s t l 中的i n t m 位清0 以允许所有的可屏蔽中断。 2 3 2 2 定时器在t u r b o 编码中的应用 我们的跳频发射系统将信道速率定为3 2 k b s ，即t u r b o 编码器输出数据位的 周期为1 3 2 k = 3 1 2 5 u s ，该项指标由定时器实现。当定时器每次发生中断时， 中断服务子程序将已经计算出的一位数据位输出，以确保恒定的3 2 k b s 信道速 率。本系统中，我们选用的d s p 系统时钟频率f c l 。为i o m h z ，设定t d d r = o ，定 时器中断速率f t ，。即为信道速率3 2 k b s ，根据式( 2 1 ) 可求得p r d = l o m 3 2 k - - 1 v i - i f 波段高速踌频数据通信发射系统的研究、设计与实现第二章t u r b o 信道编码 = 3 1 1 5 ，在此我们取p r d 为3 1 1 ，对应实际信道速率为3 2 0 5 k b s 。 2 3 3t u r b o 信道编码数据的输出 在本系统中，我们选用了d s p 的x f 引脚作为t u r b o 编码数据的输出引脚， 将该引脚与a d 9 8 5 4 芯片的f s k 数据输入引脚相连。可以方便地实现系统的f s k 数据调制，有关f s k 调制的内容将在后续章节中详细论述。 图2 3 为示波器( a g i l e n t5 4 6 2 1 a ) 测出的x f 引脚波形图。从图中可以看到， d s p 成功实现了速率恒定的t u r b o 信道编码，信道速率为3 2 0 5 k b s ( 由于示波 器光标的精度限制只显示为3 2 2 5 8 k h z ) ，并且输出波形与手算的t u r b o 编码结 果完全一致，从而证明了t u r b o 信道编码软件的正确性。 图2 - 3 倍道速率为3 2 k 的t u r b o 编码输出 通过对程序指令的进一步精简，目前我们的跳频发射系统已经可以实现信道 速率为6 4 k b s 的t u r b o 编码输出，如图2 4 ，这也是本系统在t u r b o 信道编码 上的一个突破： 图2 - 4 倍道速率为6 4 k 的t u r b o 编码输出 附，跳频发射系统中t u r b o 信道编码部分的d s p 关键代码c d a t as e c t 。d a t a ：存放原始信息数据 ! 理卫墨垦壹望坠塑墼塑望堡垄墅墨竺竺塑塞：堡盐量塞墨 苎三兰旦塑堕望塑里 o f f l o f f 2 j l a o z h l s t a t e o s t a t e l w o r d u s e c t u s e c t u s e c t s e c t w o r d s e c t w o r d t e x t 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 1 0 l o l b o f f l 1 。o f f 2 。1 4 j i a o z h i ，1 s t a t e o ” 0 0 0 0 0 b ，1 0 0 0 0 b ，1 0 0 1l b ，0 0 0 1i b s t a t e l 1 0 0 0 1 b ，0 0 0 0 1 b ，0 0 0 1 0 b ，1 0 0 1 0 b 存放查状态表时的偏移量s 。 存放交织后的数据 输入也为0 时的1 6 个可能状态转换 s k + 【：d 4 - d i ，v k ：d o 输入d t 为1 时的1 6 个可能状态转换 s k + l ：9 4 一d i ，v k ：d o t i n t ：bt i m e r i n t ：定时器的中断向量 ：术窜木料幸丰事丰幸$ 章宰$ 料料枣枣幸木料木$ 料料料初始化林料木卓木幸卓幸章聿木料料幸幸术木木木料章料牵幸料 s t m 0 4 3 0 h ，t c r ：定时器停止和复位 s t m 3 1 1 ，p r d ：( 3 1 1 + 1 ) o 1 u s = 3 1 2 u s ，频率3 2 0 5 k s t m 0 4 2 0 h ，t c r：定时器启动 r s b xi n t m ；开中断 s t m0 0 0 8 h i m r s t m 0 8 2 0 h ，p m s t：使i p t r 为0 0 0 0 1 0 0 0 0 ，定时器中断服 s t # o ， ( o f f l )：务子程序耍放在0 8 4 c h 的位置 s t r i o ，$ ( o f f 2 ) ：寄存器初始状态设为全0 s t m # s t a t e o ，a r 4 s t m # s t a t e l ，a r 5 s t m # 1 5 ，a r 7 ：8 个输入数据，1 6 个输出数据时一跳 c a l l g e t d a t a ：获得原始信息数据和交织数据 w a i t ：bw a i t ：料料料料丰木木料料丰年料木术料丰丰年定时器中断服务子程序丰 木料幸t 奉料串料木料木丰年木木料料奉 t i m e r i n t ：p s h ma l ：现场保护a 、t c p s 咖 s t o ：书料木料章木幸幸料料幸料料半 料 使t u r b o 码编码后的数据输出+ 幸幸木幸料料丰年丰丰木料木料牵丰 j 5 ： l d # 0 ，a s u b ( r e 9 1 ) a b cj 2 ，a g e q s s b x) ( f ；d s p 的x f 引脚输出数据卜高电平 b j 3 j 2 ： r s b xx f ：d s p 的x f 引脚输出数据o 一低电平 j 3 ：p o p m s t o p o p m a l ：恢复a 、t c ：料木料木料 木术木料率丰丰料串丰丰木料 丰丰车t u r b o 信道编码木 料木木木料 料料幸丰幸料卑木 林 丰木料 b a n z j i a o y a n ， a r 3 ：判断是系统位还是校验位输出 r o ra ：系统位输出 s t # o 十( r e 9 1 ) b c j 1 ，n c s t # l ， ( r e g i ) 1 4 v h f 波段高速跳频数据通信发射系统的研究、设计与实现 第二章t u r b o 信道编码 j 1 ：l d b * a r 3 + ，t l o o p 2 使a r 3 由0 变为i j i a o y a n ：校验位输出 p s h ma r 3 p s h m a l ：料 幸幸奉料料料木木料料木料料幸幸第一路r s c 编码器编码料幸幸木木幸木丰料料料料料木 料料料丰 m 删a r 4 ，a r 3：a r 3 先指向s t a t e 0 b c f 6 ，n c m v 姒a r 5 a r 3 f 6 ：m v d m o f f l ，a r o l d u * a r 3 + 0 ，a：使a r 3 加a r o ，指向下一状态和输出 l d u* a r 3 ，a r o ra：获得校验位 s t la 。 ( o f f l ) ：获得下一状态s 一( 偏移最) b cf 9 ，t c；t c 为0 时第一路校验位作为输山 s s b xt c：t c 为l 时第二路校验位作为输山 s t # o ， ( r e 9 1 ) ：存放第一路校验位，待下次中断时输出 b c f 8 ，n c s t # 1 ，+ ( r e 9 1 ) bf 8 ：料料料木料料 半料 料料幸丰丰幸木第二路r s c 编码器编码料料木料 料丰$ 料 料 丰丰料料料 ：代码与第一路相似 ：料$ 料 料 十 十+ 料料料判断是否需要重新获得信息数据 十料 + 料料 料料+ 十十 l o o p 2 ： b a n zl o o p l ，* a r 7 一 s t m# 1 5 ，a r 7 l d u ( d a t a ) a l d u ( j i a o z h i ) ，b s t# o ( o f f l ) s t# o ( o f f 2 ) l o o p l ：r e t e ：定时器中断返回 ：+ 十料十料料料 料料料 料 存放原始信息数据和交织数据十抖 十料料料# 十 木丰 料木丰 g e t d a t a ：s t m # d a t a ，