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摘要：文章介紹了快跳頻通信的基本原理，實(shí)現(xiàn)方法和設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問(wèn)題，提出了一種快跳頻通信系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)方案，并對(duì)跳頻碼的產(chǎn)生，同步接收技術(shù)的選用以及軟件流程的設(shè)計(jì)等作了簡(jiǎn)要介紹。
關(guān)鍵詞：快跳頻；數(shù)字信號(hào)處理；偽隨機(jī)碼；擴(kuò)頻通信
前言
快速跳頻通信系統(tǒng)由于其優(yōu)良的抗干擾性和保密特性，被廣泛應(yīng)用于軍事，民用的各個(gè)領(lǐng)域。所謂跳頻擴(kuò)譜方式是指對(duì)傳輸信號(hào)的載波頻率按預(yù)定規(guī)律進(jìn)行離散變化的通信方式。通信使用的載波頻率受一組高速變化的偽隨機(jī)碼（PN碼）控制而快速變化，根據(jù)跳頻速率的快慢，可把跳頻系統(tǒng)分為快跳頻和慢跳頻�？焯l是指一次發(fā)射信號(hào)期間有不止一個(gè)頻率跳變，即跳頻速率大于信息速率；反之稱(chēng)為慢跳頻。
跳頻的速率是衡量跳頻通信系統(tǒng)性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)。跳速越快，抗跟蹤式干擾的能力就越強(qiáng)。由于快速跳頻改變頻率很快，能夠避免接收同一頻率上的許多延遲信號(hào)，大大降低了多徑干擾的影響，從而可以大幅度地提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃�；另一方面，快速跳頻駐留時(shí)間極短，小于干擾信號(hào)從干擾機(jī)到接收機(jī)的傳輸時(shí)間，從而可以對(duì)抗頻率跟蹤式干擾機(jī)的威脅，抗截獲、抗干擾能力都很強(qiáng)。此外，快跳頻本身所固有的頻率分集特性，可使系統(tǒng)抗局部頻帶嚴(yán)重干擾的能力增強(qiáng)。所以，快跳頻技術(shù)是無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)提高抗干擾能力的一項(xiàng)重要措施,具有重要的應(yīng)用價(jià)值。
由于快速跳頻系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)處理信息，對(duì)信號(hào)進(jìn)行跳頻與解跳，對(duì)處理速度的要求極高，同時(shí)跳頻信號(hào)的產(chǎn)生、調(diào)制、解調(diào)、同步、濾波等需要相當(dāng)大的數(shù)據(jù)運(yùn)算量。本文介紹我們以TI公司16位定點(diǎn)高速數(shù)字信號(hào)處理芯片TMS320VC5410為核心設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的快速跳頻系統(tǒng)。
1跳頻通信系統(tǒng)原理
在發(fā)端，用某種跳頻序列對(duì)信號(hào)進(jìn)行FSK調(diào)制，信息數(shù)據(jù)記作D1，調(diào)制后的基帶信號(hào)帶寬為B1，發(fā)射信號(hào)的帶寬仍為B1，發(fā)射載波頻率由受跳變序列控制的可變頻率合成器產(chǎn)生，在帶寬為B2(B2>>B1)的頻帶范圍內(nèi)“隨機(jī)”跳變，實(shí)現(xiàn)從帶寬B1的基帶信號(hào)到帶寬B2的頻譜擴(kuò)展。在接收端，經(jīng)過(guò)相反的處理過(guò)程，得到原始信號(hào)。
快跳頻系統(tǒng)有如下特點(diǎn)：
利用跳頻圖案的正交性可構(gòu)成跳頻碼分多址統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)多用戶(hù)共享頻譜資源，減少多址干擾；
頻譜使用靈活。由于工作時(shí)載波頻率是按預(yù)定規(guī)律離散變化的，因此跳頻系統(tǒng)不要求使用連續(xù)頻譜，便于頻率規(guī)劃；
跳頻系統(tǒng)無(wú)明顯的“遠(yuǎn)－近效應(yīng)”，功率控制條件寬松，不存在復(fù)雜的功率分配問(wèn)題；
有較強(qiáng)的抗干擾、抗截獲和人為阻塞能力。
跳頻系統(tǒng)中頻率合成器輸出的載波信號(hào)頻率是受跳頻指令控制的。在時(shí)鐘的作用下，跳頻指令發(fā)生器不斷地發(fā)出控制指令，頻率合成器不斷地改變其輸出載波的頻率。因此，混頻器輸出的已調(diào)波的載波頻率也將隨著指令不斷地跳變，最后經(jīng)高通濾波器和天線(xiàn)發(fā)送出去的就是跳頻信號(hào)。
跳頻器輸出的跳變的頻率序列就是跳頻圖案，跳頻指令決定了跳頻圖案的產(chǎn)生。通常利用偽隨機(jī)發(fā)生器或者由軟件編程來(lái)產(chǎn)生跳頻指令，所以跳頻系統(tǒng)的關(guān)鍵部件之一是跳頻器。
在跳頻信號(hào)的接收端，為了保證混頻后獲得中頻信號(hào)，要求頻率合成器的輸出頻率比外來(lái)信號(hào)高出一個(gè)中頻。此外由于外來(lái)的信號(hào)載波頻率是跳變的，因此要求本地頻率合成器輸出的頻率也要隨著外來(lái)信號(hào)的跳變規(guī)律而跳變，并且要求收、發(fā)跳頻完全同步。所以，接收機(jī)中的跳頻器還需受同步指令的控制，以確定其跳頻的起、止時(shí)刻。跳頻同步是跳頻系統(tǒng)的另一項(xiàng)核心技術(shù)。
2 跳頻通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2.1參數(shù)設(shè)計(jì)
根據(jù)當(dāng)前掌握的技術(shù)水平，我們選擇的系統(tǒng)參數(shù)如下：
信息速率：9.6kbit／s
信道速率：12.8kbit／s(75％效率)
FEC碼型：RS(127，117)
跳頻速率：19200跳／秒
調(diào)制制式：非相干4FSK
信道間隔：38.4kHz
跳頻序列：ReedSolomon碼序列
頻點(diǎn)數(shù)：256個(gè)
系統(tǒng)帶寬：9.83MHz
中頻：40MHz－49.83MHz
射頻：240MHz－249.83MHz
其中大多數(shù)參數(shù)為經(jīng)典值，但跳頻速率遠(yuǎn)高于目前大多數(shù)系統(tǒng)。
由上述參數(shù)易于計(jì)算出系統(tǒng)的誤碼性能：采用每個(gè)碼元3Chips，接收采用3中取2大數(shù)判決，在存在一個(gè)單頻干擾的情況下，系統(tǒng)的誤碼率為：
2.2系統(tǒng)電路框圖
以TMS320VC5410處理器為核心構(gòu)成的快速跳頻通信系統(tǒng)。在發(fā)送端：DSP模塊完成對(duì)數(shù)據(jù)的編碼、交織、調(diào)制以及偽隨機(jī)碼的生成，并使用直接數(shù)字式頻率合成器AD9850生成跳頻圖案。在接收端：AD6640先對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，再用AD6620實(shí)現(xiàn)數(shù)字下變頻,最后到DSP處理器中進(jìn)行解調(diào)和譯碼。
2.3偽隨機(jī)碼的生成
這里我們采用GOLD序列作為偽隨機(jī)碼。GOLD碼是兩個(gè)m序列經(jīng)加模2后形成的組合碼，這種碼又稱(chēng)為最大長(zhǎng)度序列優(yōu)選對(duì)碼。GOLD序列有與m序列近似的優(yōu)良特性，即各個(gè)碼組之間的互相關(guān)特性與原來(lái)兩個(gè)m序列之間的互相關(guān)特性一樣，且最大的互相關(guān)值不會(huì)超過(guò)原來(lái)兩個(gè)m序列間的最大互相關(guān)值，但它具有更好的自相關(guān)特性部分。GOLD碼的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是具有比m序列多得多的獨(dú)立碼組。
2.4發(fā)端跳頻設(shè)計(jì)
用GOLD序列產(chǎn)生一組偽隨機(jī)碼，以此偽隨機(jī)碼產(chǎn)生一組跳變頻點(diǎn)。一組信源比特經(jīng)MFSK調(diào)制后構(gòu)成一組M符號(hào)，本系統(tǒng)選M=4。每一符號(hào)信息XK與地址碼AK異或后得到輸出碼YK，再送到DDS（直接數(shù)字式頻率合成器）得到一個(gè)正弦振蕩輸出。DDS選用ANALOGDEVICES公司的AD9850，在120MHz時(shí)鐘信號(hào)下，能產(chǎn)生分辨率為0.0291Hz的0至60MHz的頻率，以23兆次／秒的速率跳變。此系統(tǒng)有255個(gè)跳頻點(diǎn)，選擇一個(gè)符號(hào)需要8bit。而每符號(hào)要求三跳，因此需將該符號(hào)與一個(gè)24bit的地址碼相異或，便可得到3個(gè)頻點(diǎn)。
2.5同步技術(shù)的選用
為了實(shí)現(xiàn)的可行性與簡(jiǎn)易性，我們采用同步字頭法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行同步。在跳頻通信之前，選定在一個(gè)或幾個(gè)頻道上先傳送一組特殊的攜帶同步信息的碼字；收端接收此同步信息碼字后，按同步信息的指令進(jìn)行時(shí)鐘校準(zhǔn)和跳頻。
同步捕捉采用滑動(dòng)相關(guān)法，在PN碼周期內(nèi)對(duì)接收碼和本地碼進(jìn)行相關(guān)積分，計(jì)算相關(guān)函數(shù)值，并由此確定和實(shí)現(xiàn)對(duì)PN碼的捕獲；同步識(shí)別采用跳頻同步識(shí)別與跟蹤誤差檢測(cè)；同步跟蹤采用延時(shí)鎖定同步方法。
開(kāi)始同步捕獲時(shí)，DSP控制DDS在一個(gè)定頻上等待同步頭，并將DSP的程序處于同步捕獲的進(jìn)程中，一旦捕獲到同步信號(hào)，DSP即啟動(dòng)跳頻碼序列發(fā)生器，控制查詢(xún)跳頻圖案表產(chǎn)生DDS控制字，由該控制字查詢(xún)預(yù)先存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中的正弦表，產(chǎn)生與發(fā)射機(jī)同步跳變的中頻載波。待跳頻同步后，將跳后的基帶FSK波形解調(diào)出來(lái)，由A/D變換器對(duì)基帶FSK波形進(jìn)行采樣，并將樣點(diǎn)值送給DSP進(jìn)行處理。DSP接收到樣點(diǎn)值后首先對(duì)其進(jìn)行FSK解調(diào)，然后將解調(diào)出來(lái)的數(shù)據(jù)送去交織，并由卷積碼譯碼程序進(jìn)行譯碼。在數(shù)據(jù)解調(diào)的過(guò)程中，DSP還要進(jìn)行跳頻同步跟蹤，以及通過(guò)監(jiān)視和分析基帶信號(hào)，從跳頻同步跟蹤算法中獲得跳頻碼序列發(fā)生器產(chǎn)生時(shí)鐘的微調(diào)值，再通過(guò)微調(diào)跳頻碼序列的相位保持最佳的同步狀態(tài)。
2.6接收與解擴(kuò)
將接受到的信號(hào)首先進(jìn)行頻點(diǎn)檢測(cè)，對(duì)同步頭進(jìn)行捕捉和追蹤，獲得同步后，將PN序列分別與“1”或“0”符號(hào)進(jìn)行異或，完成頻點(diǎn)檢測(cè)，再送入DDS產(chǎn)生兩種輸出，與所接收信號(hào)進(jìn)行相關(guān)積分、檢測(cè)，檢測(cè)最大值即為當(dāng)前信息比特。如前所述，收端對(duì)跳頻的每個(gè)頻點(diǎn)的輸出都進(jìn)行判決，對(duì)一個(gè)碼元中的3個(gè)頻點(diǎn)（每個(gè)頻點(diǎn)為MFSK）都判定后，再運(yùn)用大數(shù)判決（即3中取2）確定輸出頻率是哪一個(gè)。
2.7DSP外圍電路及處理軟件
本調(diào)頻系統(tǒng)的主處理器DSP芯片采用了TI公司的16位定點(diǎn)芯片TMS320VC5410。它有高度的操作靈活性和運(yùn)行速度，具有專(zhuān)用硬件邏輯的CPU、片內(nèi)存儲(chǔ)器、片內(nèi)外設(shè)，以及一個(gè)高度專(zhuān)業(yè)化的指令集。系統(tǒng)工作在微計(jì)算機(jī)方式（MC）下，F(xiàn)lashEEPROM用于存放程序和常數(shù)，系統(tǒng)啟動(dòng)或復(fù)位時(shí)，使用Bootloader功能，把EEPROM中的程序調(diào)出，安裝在5410的程序SRAM中運(yùn)行，使系統(tǒng)開(kāi)始獨(dú)立工作。
本系統(tǒng)采樣率fs=300kHz，即每秒產(chǎn)生300k個(gè)隨機(jī)數(shù)，完成300k次跳頻。運(yùn)算產(chǎn)生一個(gè)正弦數(shù)據(jù)共需90個(gè)左右的指令，在fs為300kHz的情況下，要求5410的運(yùn)算速率大于27MIPS，這樣，5410指令周期選擇為25ns，其運(yùn)算速度是40MIPS。
DSP芯片的外圍電路包括電源模塊、存儲(chǔ)器、時(shí)鐘模塊、控制邏輯、模擬接口、擴(kuò)展接口、JTAG接口、復(fù)位電路等。
3結(jié)束語(yǔ)
跳頻擴(kuò)頻通信具有高保密性、抗窄帶干擾和跟蹤干擾的能力強(qiáng)等特點(diǎn)，能較好的完成現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中電子對(duì)抗與反對(duì)抗的技術(shù)要求，因而被廣泛應(yīng)用于軍事和通信領(lǐng)域。近年來(lái)隨著微電子與數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)飛速發(fā)展，頻率合成與同步技術(shù)的提高，跳頻技術(shù)在民用通信領(lǐng)域也取得了良好的應(yīng)用前景。例如，將跳頻技術(shù)應(yīng)用于CDMA系統(tǒng)、GSM系統(tǒng)、蜂窩數(shù)字分組數(shù)據(jù)（CDPD）系統(tǒng)，以及短波數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)等，可以更好地解決工作頻帶擁擠的問(wèn)題，使多個(gè)用戶(hù)高效地共享頻率資源，同時(shí)提高系統(tǒng)的抗干擾、抗衰落的能力，獲得更安全的通信效果。在今后無(wú)線(xiàn)電通信中，跳頻技術(shù)的發(fā)展方向?qū)⑹歉咛l速率和高數(shù)據(jù)傳輸速率。因此采用數(shù)字信號(hào)處理芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)跳頻通信將具有廣闊的應(yīng)用前景。
作者簡(jiǎn)介：
華琨 男，西安交通大學(xué)電子與信息工程學(xué)院碩士研究生，研究領(lǐng)域?yàn)樘l通信等。
朱世華 男，西安交通大學(xué)電子與信息工程學(xué)院院長(zhǎng)、教授、博士生導(dǎo)師，陜西省通信學(xué)會(huì)副理事長(zhǎng)，研究領(lǐng)域?yàn)橐苿?dòng)通信、數(shù)字傳輸和通信網(wǎng)等。
王霞 女，西安交通大學(xué)電子與信息工程學(xué)院博士研究生，研究領(lǐng)域?yàn)榉涓C移動(dòng)通信和跳頻通信等。
----《西部通信》
