（通信与信息系统专业论文）士兵电台软硬件平台和跳频同步的设计与实现.pdf

摘要 跳频通信具有很强的抗干扰、抗哀落、抗截获能力，兼有能多址组网应用等 诸多优点，在现代军事通信尤其是战术抗干扰电台当中，跳频通信技术获得了广 泛的应用，用以保障部队在恶劣的战场电磁环境下建立可靠的战术数据和话音通 信。跳频同步是跳频通信的技术关键，只有实现了快速精确的同步，才能正确提 取传递信息，发挥出跳频通信的优点。同时跳频同步也是跳频通信系统开发的难 点，特别在高跳速工作时实现同步捕获和跟踪需要精心设计方案。 目前微电子技术迅猛发展，处理器增长速度也随之加快，嵌入式系统领域发 生了翻天覆地的变化，它已成为研究热点，其特点非常符合现代军事通信所关注 的设备协同性，软件可编程性及系统开放性等多项要求。本文的工作就是在嵌入 式系统的架构下实现一种适应现代军事新要求的高速跳频电台。 本文针对高速跳频通信系统中同步的主要要求，提出了一种高速跳频通信同 步方案，采用同步字头法和时间信息t o d 相结合的方法实现跳频同步。本文详细 描述了以a r m 为核心的嵌入式系统的设计与实现。软件平台采用嵌入式l i n u x 系 统，并且建立了交叉编译环境。最后对论文做了总结与展望。 关键字：跳频跳频同步t o da r m 嵌入式系统l i n u x a b s t r a c t p o s s e s s i n gt h es t r o n ga b i l i t yo fa n t ii a m m i n g ，a n t i - f a d i n g ，a n t i i n t e r c e p t i o na sw e l l a st h ea p p l i c a t i o no fm u l t i p l ea c c e s s ，f r e q u e n c yh o p p i n g ( f h ) c o m m u n i c a t i o ni sw i d e l y u s e di nt h em o d e mm i l i t a r yc o m m u n i c a t i o n e s p e c i a l l yi nt h et a c t i c a l a n t ij a m m i n g r a d i ow i t ht h ep u r p o s eo fe n s u r i n gt h em o d e ma r m yt ob u i l dc e r t a i nr e l i a b l ed a t aa n d v o i c ec o m m u n i c a t i o n u n d e r s o m e a d v e r s e e l e c t r o m a g n e t i cs u r r o u d i n g s s y n c h r o n i z a t i o ni st h ek e yo ff hc o m m u n i c a t i o n w h i c hc a nc o n v e yi n f o r m a t i o na n d e x e r tt h ea d v a n t a g eo ff hc o m m u n i c a t i o no n l ya f t e rt h er e a l i z a t i o no fh i g h s p e e d ， a c c u r a t es y n c h r o n i z a t i o n m e a n w h i l e s y n c h r o n i za t i o ni sa l s ot h ed i f f i c u l t yo ft h e d e v e l o p m e n to ff hs y s t e m ，w h i c hn e e d ss u p p l i c a t e dd e s i g ne s p e c i a l l y i nt h ef a s t f r e q u e n c yh o p p i n g ( f f h ) a tp r e s e n tt h em i c r o e l e c t r o n i ct e c h n o l o g ys w i f ta n dv i o l e n td e v e l o p m e n t ，t h e p r o c e s s o rr a t eo fr i s ea l s os p e du pa l o n gw i t hi t ，e m b e d e ds y s t e md o m a i nt oh a v et h e e a r t h s h a k i n gc h a n g e i tt ob e c o m et h er e s e a r c hh o ts p o t ，i t sc h a r a c t e r i s t i cc o n f o r m st o t h em o d e mm i l i t a r ym e s s a g ec e n t e ra t t e n t i o nt oc o o p e r a t i o np e r f o r m a n c e ，r e p e a t a b l e p r o g r a m m i n g ，a n ds y s t e mo p e np e r f o r m a n c ea n ds oo nm a n yr e q u e s t s t h em a i nw o r k o ft h i sp a p e ri sr e a l i z i n gah i g h - s p e e df x e q u e n c yh o p p i n gs t a t i o na d a p t i n gt on e w m i l i t a r yr e q u i s i t i o nb ye m b e d e ds y s t e m a f t e rt h ei n t r o d u c t i o no ff hc o m m u n i c a t i o n sp r i n c i p l e ，b a s e do nt h em a i n r e q u e s t so fs y n c h r o n i z a t i o nf o rah i g h - s p e e df h c o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，t h i sp a p e rp u t s f o r w a r das y n c h r o n i z a t i o ns c h e m eo fah i g h s p e e df hs y s t e m ，w h i c hi sa c h i e v e db y u s i n g m e t h o dc o m b i n e ds y n c h r o n i z a t i o n h e a dw i t ht i m e o fd a y ( t o d ) t h i sp a p e r d e s c r i b e sh a r d w a r ep l a t f o r n li nad e t a i lw a y , a n di t i sae m b e d e ds y s t e mt h a tc o r eo f a r m s o f t w a r ep l a t f o r n qa d o p t se m b e d d e dl i n u x ，a n di ts e tu pa c r o s s - e d i tc i r c u m s t a n c e l a s ts u m m a r i z e da n de x p e c t a t e dt h ep a p e r k e y w o r d s ：f h f hs y n c h r o n i z a t i o nt o da r me m b e d e ds y s t e m l i n u x 第一章绪论 第一章绪论 1 1研究背景 1 1 1 士兵电台研制的提出及特点 数字化战场是现代军事发展的必然趋势。作为国家军队的决策机关应尽早制 订我军数字化部队建设的总体规划。作为国防科研部门则更应及早对数字化装备 及其关键技术进行论证和预研。 前美国陆军参谋长沙利文上将曾预言：在2 l 世纪的战争中，超工业发展的部 队将具有更大的流动性，需要在更远的距离上进行通讯联络，更快地进行机动作 战，并运用更远距离发射平台上的火力。 通讯能力的现代化是实现军队现代化的首要条件。与部队的规模相适应，不 同层次的数字化装备的研究也是不可缺少的。上至军级军区级的数字化指挥系统， 下至单兵的数字化系统，它们的性能优劣将直接影响未来数字化战争的胜负。 单车单兵都是作战中的最小单位，武器装备的优劣、人员素质的高低在现代 战争中起到至关重要的作用。我国的军事建设正向信息化、现代化迈进。为了满 足未来复杂的战场环境中警戒、侦察、登陆作战、小分队敌后作战需求，必须解 决单兵之间，单兵与上级指挥中心之间的战场态势信息和其他信息的互连互通问 题。以自组织网为中心的单兵通信系统不仅能顺利解决以上问题还能对陆、空领 域的作战防御系统的完善起到关键作用。 随着近年来国际形势的变化和反恐的需求，城市战、巷战、丛林战等小规模 战斗发生的可能性越来越大，传统的士兵之间的靠暗语、手势进行协调沟通越来 越不适合现代战争。另一方面指挥员要获取战场信息，只有位于最前沿的单车单 兵才能提供最准确、最及时的信息。战场上的每一个最小独立战斗单位，如一个 野战排班、一辆坦克、一架飞机、一艘战舰等都应具有接入并利用军队通讯基础 设施的能力。 利用自组织网特性构建的军用士兵电台系统具有以下特点： 1 机动性好，开通快捷 现代战争战场态势瞬息万变，对战时通信的机动性和实时性要求也越来 越高。由于c 4 i s r ( c o m m a n d ，c o n t r o l ，c o m m u n i c a t i o n ，c o m p u t e r , i n t e l l i g e n c e s u r v e i l l a n c e & r e c o n n a i s s a n c e ) 等系统的广泛采用，对数据量的需求也大为提 高。传统的通信手段在需要不断变换场所的前沿团、营一级的指挥所中已显 得有些力不从心。若采用无线局域网就可以较好地解决这些问题。在战时， 只需要把装有无线网卡的p c 或者数据终端，按照战术要求进行组网即可，具 三 士兵电台跳频同步和软硬件平台的设计与实现 有“即插即用 的特点。 2 移动特性好 军用士兵电台系统支持终端在移动的过程中接入网络。这在军事领域显 得尤为重要。单兵背负式或者车载式数据终端可以作为远端站，直接或者通 过无线接入点实时与指挥部交换信息。在特殊情况下，为一个建制部队组网， 当它以一定速度行进时，也可无中断地收发数据。 3 较高的吞吐量 现代战争对战时的信息依赖越来越大。从战场电子地图到c 4 i s r 系统，无 不需要大量的数据。军事通信也正在向高速率、数据化方向发展。军用士兵 电台系统可以提供2 m b p s 的速率，不仅能够提供话音还能提供多媒体等数据 业务，适合现代战争数据通信的要求。 4 提供标准的数据接口 军用士兵电台系统提供标准的有线和无线数据接口，如r j l1 ，r s 2 3 2 等 接口。在战时军用士兵电台系统可以方便地与地面有线网络接口；在没有有 线网的地域，可以与卫星或者微波接力接口。通过这些标准接口，可以迅速 建立起前线和后方指挥机构之间的通信联络。 5 较好的抗毁性能 很显然，军用士兵电台系统可以避免敌方的“硬杀伤对脆弱的有线电 缆的破坏。并且，如果对传输距离没有太大的要求，天线可以很小，不易暴 露目标。另外，利用分布式方式组网，即便是其中的一些节点被摧毁，其它 的节点依然可以进行正常的通信。 6 较远的传输距离 军用士兵电台系统通过采用不同的天线技术和发射功率，其终端之间的 传输距离可以达到几百米至数公里，甚至更远。 1 1 2 应用 目前的士兵已经发展到每秒几千跳甚至上万跳，传输速率可达到每秒几兆比 特，支持话音、数据业务。以下列举几个典型的跳频技术大应用： 美国s a n d e r s 公司的c h e s s 系统高速短波跳频电台采用了相关跳频技术， c h e s s 发射机每秒中2 5 6 m h z 的宽频带内发出了5 0 0 0 跳，每跳持续时间 2 0 0 微秒，采用升余弦函数进行脉冲整形，以减少邻道干扰。每秒5 0 0 0 跳中，有2 0 0 跳用于信道探测，其余的4 8 0 0 跳用于数据传输，如果采用 b p h = 4 ，其中2 比特用于1 2 纠错编码，就可以产生各种标准波特率( 2 4 0 0 ， 4 8 0 0 ，7 2 0 0 ，1 4 4 0 0 ，1 9 2 0 0 ) 。信息速率为4 8 k b p s 时，其误码率可达到1 0 。5 量 第一章绪论 级。同时由于该系统跳频速率高达5 0 0 0 跳秒，带宽2 5 6 m h z ，具有很强 的抗干扰能力，而且跳频驻留时间在微秒量级，抗多径能力强。 单信道地空无线电系统( s i n c g a r s ) 是战斗网无线电台v h f f m 中的一个 系列，是美国陆、海、空和海军陆战队在近距离应用的新一代甚高频战斗 网无线电通信系统，是战术战场指挥员在前沿2 0 公里地域内指挥部队和 空中支援的主要手段，配有e c c m 模块，具有电子反干扰能力，能够提 供高度可靠的保密话音通信和数据通信。它可装备美军的师和独立部队， 自至坦克、战车、自升机、榴弹炮和执行任务的排、班或组等小部队。进 入芯片时代，美军的s i n c g a r s v 单信道地面与机载无线电系统v h f 通 信需求计划应运而生。该计划旨在采用跳频技术提供高度安全的电子抗干 扰保护来率先提供通用的通信业务，s i n c g a r s 旨在取代美国现在使用 的少数电台。其中最突出的是s i n c g a r s 大量取代了v r c 1 2 无线电台 系列( 该电台通模拟话，特定数据链路所要求的数据率为1 2 b s 。最新的改 进型s i n c g a r ss i pcs i n c g a r s 改进计划) 的数据率提高到5 0 0 0 b s 。 1 2 士兵电台研制的目标和战技指标 我国目前把信息战和数字化部队发展作为国防重点项目，单兵通信系统作为 数字化部队重要组成部分，越来越受到各级首长的重视。士兵电台是单兵通信系 统的重要组成部分。为适应我军数字化部队建设的需要提出了研制士兵电台。 军用士兵电台研制目标： 1 低功耗：为满足野战环境供电要求，对电台必须专门进行低功耗设计，使 其耗电最低。 2 使用方便：人机界面友好，使用操作简便。 3 数传功能：电台与电台通过无线进行数据交换与话音传输。 4 高可靠性：为了适应各种恶劣条件下作战使用要求，电路上采用高度集成 化的电路，结构上进行各种加固措施。 军用士兵电台的主要功能和战技指标： 士兵电台体积小巧，在3 0 0 5 0 0 米范围内进行话音、数据传输等。可通过数据 口配接数据终端，完成组网功能。 频点数：5 0 个 跳频速率：4 0 0 0 h s 预制信道数：1 0 个 抗干扰方式：跳频 一4 士兵电台跳频同步和软硬件平台的设计与实现 工作方式：双工、数话同传 工作种类：数字化、数据 数据速率：不小于2 m b p s 组网方式：自组织网络 网络用户数：1 6 个： 数据速率： 不小于2 m b p s ( 网内总信息速率) ； 内置保密单元； 单跳通信距离：大于3 0 0 m ； 1 3本文的主要内容 本文就是在以上背景下，结合项目“军用士兵电台 而开展起来的。我们对 军用士兵电台系统的设想是：参考国外的研究模式和设计方案，利用现有技术， 提出一种可行的、可靠的、廉价的、实用的解决方案，走自己的路子，研究一套 适合于我国国情的、部队能够实战装备的军用士兵电台系统。作者参加了项目的 研制工作，并且承担了如下工作： 设计并实现了一种跳频同步方案。 搭建了军用士兵电台的嵌入式平台。 进行了操作系统的移植和调试。 全文各章节的内容安排如下： 第一章为绪论，介绍了军用士兵电台的背景及其特点，给出了系统的设计要 求。 第二章介绍了跳频同步方案的设计与实现。 第三章介绍了硬件平台即以a r m 为核心的嵌入式平台的设计与实现。 第四章介绍了软件平台的设计与实现。 第五章测试。 第六章为总结与展望，对本文的研究成果做了总结，并指出了进一步的研究的 方向。 第二章跳频同步设计与实现 第二章跳频同步设计与实现 跳频通信中的关键技术之一就是跳频系统的同步技术，跳频同步是指跳频电 台收、发双方达到跳频图案、跳频频率集同步、跳频跳速与跳变时刻的一致 3 1 。 这是收发解跳所必须的几个条件。 2 1跳频同步的重要概念m 3 1 2 1 1 同步捕获与跟踪 跳频同步的过程实际上就是逐步消除收发双方在时间和频率上的不确定性的 过程。 同步字头法是将带有同步信息( 时间信息) 的同步字头置于跳频信号的最前 端，收方根据同步字头法的特点，可以从接收到的跳频信号中把它们识别出来， 并用于启动跳频码发生器，从而实现收发双方的同步。同步头中使用的频率被称 为同步频率，它们是用来传送同步信息，使收发双方迅速实现同步的一组频率。 这种方法中，一般首先在频率跳变规律和系统时间信息之间建立一定的联系，这 样就可以通过对同步头中所携带的时间信息的逐步确认来消除双方频率的不确定 性。 跳频同步一般分为捕获和跟踪两步进行：捕获指的是收方搜索并确认发方同 步头的过程；跟踪是指接收方通过对同步信息的进一步接收达到双方跳频图案同 步的过程。因此上述联系包括两个层面的内容；同步频率与时间信息之间和跳频 图案和时间信息之间的联系。 接收方在捕获同步头的过程中一般采用低于正常跳速的( 正常跳速的几分之 一) 速率进行搜索，一旦捕获到同步头就可以根据其中携带的有关时间信息获得 发方同步频率的跳变规律，进而转为正常跳速进行同步跟踪。 2 1 2初始同步与连续同步 初始同步是指接收方通过接收同步字头实现与发送方跳频同步的过程；连续 同步是指接收方在取得初始同步后，仍然需要通过接收发方插入在一般信息( 如 话音信号) 中的同步信息来保持同步，以免因为收发双方时钟差别等原因丢失跳 频同步。 初始同步中用到的频率称为同步频率。我们将用于连续同步的频率称为勤务 频率，即勤务频率是插入在传送一般信息的频率之间，传送同步信息，使得接收 机与发射机实现连续同步和维持同步的一组频率。一般将用勤务跳频率传送的同 曼士兵电台跳频同步和软硬件平台的设计与实现 步信息称为勤务信息。实际上，同步频率和勤务频率是同一组频率，只是这组 频率应该具有足够的随机性并随时间变化，以提高同步信息的防截获、抗干扰能 力。另外，迟入网电台的入网同步也是依靠勤务信息实现的。 2 1 3 系统时间信息( t o d ) 4 1 t o d ( t i m eo fd a y ) 的设计主要是为了达到跳频序列周期的要求，t o d 为时间 参数，由年、月、日、时、分、秒组成。如同步头携带所有t o d 信息，则同步头 跳数多，通信建立的同步时间长，不能满足系统要求。由于收发双方都有较精确 的时钟，其t o d 的差别在于t o d 的低位，则同步头只需携带t o d 的低位，这样， 缩短了同步头长度，减少了通信建立的同步时间，达到系统要求对t o d 的长度k n 的设计，该长度可由式( 2 1 ) 得出 2 乙五( 式2 1 ) 来确定。本电台中，假定序列周期要求大于5 年。由于 2 4 0 4 0 0 0 + 3 6 0 0 + 2 4 + 3 6 5 8 7 2 年 5 年 故，本方案中的t o d 的长度应为4 0 比特。 我们将该4 0 比特分为高位( t o d h ) 和低位( t o d t ) 两部分，每部分为2 0 比特， 如图2 1 所示。 t o d ht o d h t o d ht o d lt o o , r o d , b i t 3 9b i t 3 8b i t 2 0 b i t l 9b i t l 8 b i t 0 图2 - 1t o d 的表示 t o d 信息对于同步建立非常重要性，并要求即使在设备关机的时候，t o d 也 必须能够准备计时。 t o d 的实现是通过对晶振产生的时钟进行分频得到的，在本系统的设计中， 选用了精度为1 0 。的4 0m h z 的晶振，用c p l d 对其进行了1 0 0 0 0 分频即得t o d 。 对t o d 的调整并不修改本机的t o d 值，而是通过加上一个t o d 偏移量 a t o d ，来实现。在驻留方，该偏移量a t o d 由式( 2 2 ) ， a t o d = t o d r 一兀旧，( 式2 - 2 ) 得出，其中，t o d r 为接收到的远端的节点的t o d 。 同理，对跳沿的调整也是在对自身的跳变时刻的基础上延迟或提前一个偏移 量实现的。 第二章跳频同步设计与实现 2 1 4 相关码的选择 7 一 为了保证同步信息的正确接收，需要选取自相关和互相关性良好的相关码组。 对于快速跳频电台来说，由于跳速快，每跳携带的信息量少，所以选用的相关码 不能超过每跳发送的数据比特数：同时由于同步信息的位数较多，对应相临的跳间 的相关码应不相同，同时同步头的第一跳也要与其它跳区分，因此要求的相关码 个数较多。 1 m 序列6 i r n 序列是特性很好的伪随机序列，它的优选对互相关值己接近w e l e c h 给出的 相关特性下限。但是，它们能彼此构成有效对的数口很少，表2 1 给出了线性移位 寄存器阶数n ，最大长度序列周期n ，本原特征多项式数口孤的数据，也就是给出 了不同周期的m 序列的序列数口。当序列最大长度周期n 较小时( 小于等于6 3 ) ， 同一周期的m 序列数口在6 个以下，不满足系统要求。 n n = 2 ”一1 n m 1ll 231 37 2 41 52 53 1 6 66 3 6 71 2 71 8 2 m 序列优选对 周期为n = 2 ”一1 的m 序列 a ， b ) ，简写为a ，b ，总可以找到一个正整数q ， 使b = a q l a 【q 】是对序列a 按码元间隔q 取出一码元构成的序列。只要q 2 。且与 n = 2 ”一l 互质，即g c d ( n ，q ) = 1 ，且l 爿n a n 。控制器 第三章硬件平台的设计与实现 u a r t 陪爿 辱= = 剖 1 2 s u s b 设备| a 以- , q = = 纠 1 2 c p s 。i m m c 总= o= = 刮 g p i o h 看门狗睁爿 辱= 二剖 r t c 总 b u s 控伟口 r x 线 辱= = 剖 a d c s m 酵= 二令 | t i m e r p w m p = = = 玲 图3 - 2s 3 c 2 4 1 0 集成资源功能框图 本项目选用的是以a r m 9 为核心的处理器$ 3 c 2 1 4 0 ，$ 3 c 2 4 1 0 是韩国三 星电子最近推出的一款基于a r m 9 2 0 t 内核的1 6 3 2 位r i s c 嵌入式微处理器。该 处理器主要面向于手持式设备以及高性价比、低功耗的通用应用。图3 1 为 删9 2 0 t 的结构框图，图3 2 为$ 3 c 2 4 1 0 在内核外所集成资源的功能框图。 a r m 9 2 0 t 核由a r m 9 t d m l 、存储管理单元m m u 和高速缓存三部分组成， m m u 可以管理虚拟内存，高速缓存由独立的l6 k 地址和1 6 k 数据高速c a c h e 组 成。a r m 9 2 0 t 有两个内部协处理器：c p l 4 和c p l 5 。c p l 4 用于调试控制。c p l 5 用于存储系统控制以及测试控制。$ 3 c 2 4 1 0 集成了一个l c d 控制器( 支持s t n 和 t f t 带有触摸屏的液晶显示屏) 、s d r a m 控制器、3 个通道的d a r t ，4 个通道的 d m a 。4 个具有p w m 功能的计时器和一个内部时钟、8 通道的1 0 位a d c 。s 3 c 2 4 1 0 还有很多丰富的外部接口，例如触摸屏接口、1 2 c 总线接口、1 2 s 总线接口、两个 u s b 主机接口、一个u s b 设备接口、两个s p i 接口、s d 接口和m m c 卡接口。 在时钟方面$ 3 c 2 4 1 0 也有出色的表现，该芯片集成了一个具有日历功能的r t c 和 具有p l l ( m p l l 和u p l l ) 的在芯片时钟发生器。m p l l 产生主时钟，能够使处理 器工作频率最高达到2 0 3 m h z ，这个工作频率己能够使处理器轻松运行w i n c e ， l i n u x 等操作系统以及进行较为复杂的信息处理。u p l l 产生实现主从u s b 功能的 时钟。 $ 3 c 2 4 1 0 将系统的存储空间分成8 个b a n k ，每个b a n k 的大小是1 2 8 m 字节， 总共1 g 字节。b a n k 0 到b a n k 5 的开始地址是固定的，用于r o m 或s 洲。b a n k 6 和b a n k 7 用于r o m 、s r a m 或s d r a m ，这两个b a n k 的大小可编程的，并且这 垄士兵电台跳频同步和软硬件平台的设计与实现 两个b a n k 具有相同的大小。b a n k 7 的开始地址是b a n k 6 的结束地址，是灵活可变 的。所有内存块的访问周期都是可编程的，外部w a i t 扩展了访问周期。$ 3 c 2 4 1 0 x 采用n g c s 7 - 0 】八个通用片选线来选择八个b a n k 区。 $ 3 c 2 4 1 0 支持n a n d 闪存b o o tl o a d ，n a n d 闪存具有容量大，比n o r 闪存 更具竞争力的价格等特点，系统设计者采用n a n d 闪存和s d r a m 组合可以获得 非常高的性价比。 $ 3 c 2 4 1 0 具有三种b o o t 方式，处理器从n a n d 闪存b o o t ；从1 6 位宽的r o m b o o t ，从3 2 位宽r o mb o o t 。本模块中，b o o t l o a d 代码和操作系统镜像放在外部的 n a n d 闪存，采用n a n d 闪存b o o t s 。$ 3 c 2 4 1 0 对于片内的各个部件采用了独立的 电源供给：内核采用1 8 v 供电；存储单元采用3 3v 独立供电，对于一般s d r a m 可以采用3 3 v ，对于移动s d r a m 可以采用v d d 等于1 8 2 s v ，v d d 等于 3 0 3 3 v ：l o 采用独立3 3v 供电。 3 2 2 微处理器外围器件的选择1 8 1 9 1 当前一般的3 2 位嵌入式微处理器都不再内置较大的r o m 和r a m ，所以需要自 行选择r o m 和r a m 。对于士兵电台来说，需要的r a m 容量不会小；它需要满足操 作系统核和文件系统的r a m 需求，还要满足应用程序的r a m 需求。如果选择 s r a m ，性能指标当然好，但是价格太高，所以转向选择性价比较高的s d r a m 。 因为士兵电台里的协议程序和操作系统的需要并要求断电后也不丢失，所以 需要使用大容量非挥发存储器。我们选用了n a n d f l a s h ，性价比高，适合于数据存 储。 由于n a n d f l a s h 不是线性寻址，一般不能用来进行系统启动( 有的处理器集成了 n a n d f l a s h 控制器，可支持从n a n d f l a s h 启动，但$ 3 c 2 4 1 0 不支持) ，为此还需要一块 线性寻址的r o m 作为系统引导之用。我们使用的是n o r f l a s h ，它的读出和普通的 r o m 无异，程序可以在其中运行。同时，n o r f l a s h 擦写相对容易，便于将来系统 软件升级。 士兵电台还需要一个能和p c 机通讯的接口，便于数据的读出和对士兵电台的 软件设置和升级等。最简单的就是r $ 2 3 2 接口，非常容易实现，应用也方便，只是 传输速率比较低。因为我们还为传输大容量数据时开发了u s b 口，当使用1 1 标准 时，最高传输速率可以达到1 2 m b p s 。 3 2 3 跳频单元器件选择 在设计整个电台的时候，考虑到以后的可升级性，本项目采用了通用的软件 第三章硬件平台的设计与实现 无线电的体系架构，采用了f p g a + d d s 做为电台的跳频部分。 本项目采用a l t e r a 公司的c y c l o n e 系列f p g ae p l c 3 t 1 4 4 c 8 芯片【l 引，该 芯片基于1 5 v 、0 1 3 m 及全层铜s r a m 工艺，其采用1 4 4 管脚的t q f p 封装，具 有2 9 1 0 个逻辑元件( l e ) 和用于时钟的锁相环以及d d rs d r 和快速周期r a m 存储器所需的专用双数据率( d d r ) 接口，其还具有嵌入式存储资源、新型可编 程架构、专用外部存储接口电路等特点。其管脚间的延迟为5n s ，即频率为2 0 0 m h z 。配置芯片采用e p c s l 芯片，可以提供1 m b 的存储容量，具有在系统编程( i s p ) 能力和多次编程能力，且具有包括i s p 和f l a s h 存储器访问接口等特性，采用8 引 脚小外形封装，增加了在低价格、小面积应用领域的使用机会。 本项目采用的d d s 为a d i 公司高性能的d d s 芯片a d 9 9 5 4 i i9 1 ，a d 9 9 5 4 时钟 频率为4 0 0 m h z ，相位噪声小于1 2 0 d b c h z l k h z ，频率跳变速度大于l m h z ，3 2 位频率控制字，片内带可编程锁相环路，可以实现0 - 1 6 0 m h z 的输出频率范围。 最重要的是，其供电电流小于2 0 0 m a ，核心采用1 8 v 电压，非常适合低功耗、便 携式小型士兵电台的要求。 3 3硬件平台的实现 图3 - 3跳频电台结构及模块接口图 军用士兵电台的结构和模块接口原理框图如图3 3 所示。本文主要阐述的是硬 件平台一一中央控制单元模块和跳频单元模块( 伪码发生控制器和频率合成器) 。 竺士兵电台跳频同步和软硬件平台的设计与实现 3 3 1 中央控制单元模块 中央控制单元( 以下简称a r m 板) 由基于a r m 9 的嵌入式系统，主要由 $ 3 c 2 4 1 0 嵌入式微处理器、存储系统和外部接口组成。图3 4 是a r m 板的硬件框 图。 图3 - 4中央控制单元的硬件框图 设计的a r m 板的内部组件如下： 核心处理器：在这个中央控制单元中，主c p u 是上面所介绍的s a m s u n g 公司 的$ 3 c 2 4 1 0 。 存储系统 主要由三部分组成：n a n df l a s h ，s d r a m 和n o rf l a s h 。 n a n df a l s h ：n a n d f l a s h 是s a m s u n g 公司的s m a r t m e d i a 卡，主要用于 存放b o o t 程序、操作系统镜像、应用程序以及大容量的数据文件。本电台选用的 是容量为6 4 m b 的k 9 s 1 2 0 8 v o m 。它与$ 3 c 2 4 1 0 专门的n a n df a l s h 接口相连。 s d r a m ：被用来运行操作系统以及各类数据的缓存，本电台选用s a m s u n g 公 司的3 2 m b 的k 4 s 5 6 1 6 3 2 c ，它是4 m x l 6 b i t 4 b a n k 的同步d r a m 。本电台用2 片k 4 s 5 6 1 6 3 2 c ，实现位扩展，使数据总线宽度为3 2 b i t ，总容量为6 4 m b 。它的地 址空间映射在$ 3 c 2 4 1 0 的b a n k 6 。 n o rf l a s h ：采用a m d 公司的a m 2 9 l v 8 0 0 b ，容量为i m b 。在这里n o r f l a s h 主要用于前期的调试和操作系统的下载。 人机接口 一 利用$ 3 c 2 4 1 0 的u s b 口、简易j t a g 口和标准串口来与宿主机进行连接，进 行a r m _ i ，i n u x 2 4 操作系统的安装和应用程序的输入及调试。 g p i o 通过设置$ 3 c 2 4 1 0 的通用i o 口来对f p g a 和d d s 进行控制和信息传输。 a r m 板是跳频电台的核心，提供各部件所需的控制信号。包括主c p u 、数据 第三章硬件平台的设计与实现 缓存电路、数据存储与信息保存电路、逻辑控制电路等，主要实现以下功能： m a c 层控制协议实现，控制整个电台的工作 中断处理 开机自检 接受来自外设接口单元的多种控制信息，并实时处理这些信息 控制f p g a 产生跳频图案，并控制频率合成器频率跳变 产生发阻塞信号，压制功放在换频期间的功率输出，以减少频谱溅射 控制同步单元，实现跳频同步 跳频参数、密钥信息的注入、存储与清除 3 3 2跳频单元模块 跳频单元模块主要包括伪码发生控制器和跳频频率合成器，能够产生所需要 的跳频图案及实现载波的高速跳变。 3 3 2 1伪码发生控制器2 0 1 伪码发生控制器采用a l t e r a 公司的现场可编程门阵列e p e c 3 t 1 4 4 c 8 和 e p c s l ，f p g a 主要由t o d 单元、密钥写入单元、p h i 码发生器单元、r o m 单元 及同步频率发生器单元组成。图3 5 为其单元分区示意图。 首先t o d 单元中的分频器对外部来的2 0 m 时钟进行1 5 0 分频产生4 k h z 时 钟，计数器通过对该4 k h z 时钟进行3 2 b i t 计数，产生3 2 b i t 频率为4 k h z 的本端 t o d 3 1 。0 】信息；此t o d 3 1 o 】和通过a r m 板写入的密钥信息a t 3 1 o 】一起通过 p n 码发生器单元的首次相加运算、异或运算、置换运算和再次相加运算产生6 b i t 的p n 码，然后和同步频率发生器单元产生的6 b i t 码通过由a r m 板控制的二选一 控制器，根据不同通信时期的需要选择一种p n 码作为r o m 单元的地址码读取 r o m 单元中预先存好的d d s 3 2 b i t 频率控制字，同时和发给d d s 的时钟信号及片 选信号一起传送给d d s 来读取其相对应的跳频频率。在每次开机时刻，t o d 3 1 0 】 信息由本端a r m 板通过读取本地时间信息进行转换和擦写t o d 计数器产生。在 初始同步阶段，发端通过同步频率发送本端的t o d 信息，接收端收到发端的t o d 后通过a r m 板对本端的t o d 计数器进行擦写从而实现跳频图案的同步。 3 2 士兵电台跳频同步和软硬件平台的设计与实现 2 0 时钟入t o d k r o d 。u t jl4 0 时钟出 i 时钟i 数据 ii 上 ll f 置：陴 i | l 1 r + ， 4 k i t z 一 分搠器 计瓤器 串并 复伊 士个 。 f 写时钟 l l 密t习写入单元 f 写数拱二l 旱并 串并 t 写控制 书倍频器 t 写时钟i t 写数接： t o d 验- 元 1 r、r a b ce t 2 8 一$ 4 0 3 l 一2 7 2 6 2 3 8642 。0 0 t 2 3 1 9 a 135 791 11 3 一 。 、l l 山i。j rm 2 一曼州。圳i 6 i s l - o - o f a s o 巍一1 。i 。烹 i 。i 。，、。ly 1 t o 一x o r | j - 一 1 。j r 上 7 i a d d l i 7x u ri 。l l 1 0 d 3 2 i - 卜a d d 2 r 1 r je 7 l p e r m 5 i 发生器单元 1。 y 2 6 b i t 3 2 奉t 0 t o d 【 矬f 法器( m o i ) 5 0 ) b _ 2 4 b i t 串并转换寄存嚣 一 6 b i t 同先艏塞筮元 1 r r m 控制 选择器 i 时钟i 地址 0 r 0 1 1 单元 5 0 x 3 2 b it r o m 3 3 2 2 频率合成器2 1 1 图3 5 伪码发生控制器单元分区示意图 跳频的核心部件时直接数字频率合成器d d s ，本方案采用的芯片是a d i 公司 的a d 9 9 5 4 ，a d 9 9 5 4 是采用先进的d d s 技术开发的高集成度d d s 器件。它内置 高速、高性能d a 转换器及超高速比较器，可用为数字编程控制的频率合成器， 能产生2 0 0 m h z 的模拟正弦波。a d 9 9 5 4 内含1 0 2 4 x 3 2 静态r a m ，利用该r a m 可实现高速调制，并支持几种扫频模式。a d 9 9 5 4 可提供自定义的线性扫频操作模 式，通过a d 9 9 5 4 的串行i o 口输入控制字可实现快速变频且具有良好的频率分辨 率。其应用范围包括灵敏频率合成器、可编程时钟发生器、雷达和扫描系统的f m 调制源以及测试和测量装置等。图3 - 6 为频率合成器的原理框图，图中线框表示的 第三章硬件平台的设计与实现 部分是a d 9 9 5 4 的内部结构。 a d 9 9 5 4 图3 - 6 频率合成器的原理框图 a d 9 9 5 4 在工作之前要先对其进行初始化，即对其内部的各种寄存器进行初始 化，在本跳频电台中a d 9 9 5 4 的参考时钟4 0 m h z 是从外部( 伪码发生器) 输入的， 在a d 9 9 5 4 内部需要将其倍频到4 0 0 m h z ，这就需要将控制寄存器设置成1 0 倍频。 这时内部主时钟就是4 0 0 m h z 。 跳频序列采用截断的m 序列方式，具体的实现在f p g a 中由程序完成。根据 跳频码序列查找跳频图案表获得所需产生频率值，因为a d 9 9 5 4 的频率控制寄存 器3 2 位的，所以从伪码发生控制器传来的是3 2 频率控制字，频率控制字通过s p i 总线传到a d 9 9 5 4 后先存i o 缓冲寄存器中，然后在通过i o 控制和 s y n cc l k ( a d 9 9 5 4 主时钟的4 分频) 共同作用将频率字送到频率控制寄存器中。 3 2 位频率控制寄存器的每3 2 比特字都对应r o m 单元中的一个确定频率，因为使 用5 0 个频点，所以输入的频率字有5 0 种。由伪码发生控制器提供的4 0 m h z 频率 经p l l 单元后便为4 0 0 m h z ，然后再把不同的输出频率存进r o m 单元，r o m 单 元输出的数字信号进入d a c 后转变为模拟信号后输出。又由于a d 9 9 5 4 输出的信 号是差分信号，所以要在a d 9 9 5 4 的输出端加一个1 ：l 不平衡平衡变压器，把 信号便为单路信号。这时的信号还有很多毛刺，所以要经过一个滤波器，在这里 采用1 2 0 m h z 的7 阶椭圆滤波器来滤波。由此，d d s 产生了4 0 0 0 跳s 的跳变频 率。 第四章软件平台的设计与实现 第四章软件平台的设计与实现 由于硬件平台采用嵌入式系统，所以软件平台一即操作系统也选择嵌入式操 作系统。一般对于实时性要求比较强的系统采用v x w o r k s 操作系统，对于需要良 好的用户界面和功能的建议使用w i n c e 这一类的操作系统，而对于对成本敏感， 同时要求自主性比较强的应用建议使用l i n u x 这一类的操作系统。考虑到士兵电台 的自主研发性和方便维护性，本士兵电台采用的是嵌入式l i n u x 操作系统。 嵌入式l i n u x 最基本的两个部分是【2 2 1 ： 1 、引导加载程序。包括固化在固件启动代码( 可选) 和b o o tl o a d e r 两大部分。 2 、l i n u x 内核。特定于嵌入式板子的定制内核以及控制内核引导系统的参数。 4 1b o o t l o a d e r 移植 4 i ib o o t i o a d e r 的概念 简单地说，b o o t l o a d e r ( 弓i 导加载程序) 就是在操作系统内核运行之前运行的一 段小程序。通过这段小程序，我们可以初始化硬件设备、建立内存空间的映射图， 从而将系统的软硬件环境带到一个合适的状态，以便为最终调用操作系统内核准 备好正确的环境。系统加电或复位后，所有的c p u 通常都从某个由c p u 制造商预 先安排的地址上取指令。比如，基于a r m 9 2 0 t 的c p u 在复位时通常都从地址 0 x 0 0 0 0 0