何蘇勤， 張海慶

(北京化工大學信息科學與技術(shù)學院，北京100029)

0 引 言

跳頻通信具有頻譜資源共享、抗干擾、抗截獲的特點，當前在很多領(lǐng)域已得到了廣泛的應(yīng)用。跳頻通信組網(wǎng)時，多采用時分多址接入(time division multiple access，TDMA)組網(wǎng)，在基于TDMA的跳頻通信系統(tǒng)中，各個電臺必須在分配的時隙中發(fā)送或接收信號，因而整個系統(tǒng)必須有嚴格的同步過程，以便保證雙方可靠的組網(wǎng)和通信。本文根據(jù)跳頻電臺的TDMA組網(wǎng)協(xié)議，在參考了文獻[1-2]的基礎(chǔ)上，提出了適用本系統(tǒng)的時隙分配方式，結(jié)合跳頻同步方法，設(shè)計了一套組網(wǎng)跳頻電臺同步方案，實現(xiàn)了組網(wǎng)和同步的結(jié)合，能有效地提高跳頻電臺組網(wǎng)的穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)傳輸效率。

FPGA(現(xiàn)場可編程邏輯門陣列)以其豐富的邏輯資源和可重新配置的優(yōu)勢，成為人們前期研究與開發(fā)的重要手段[3]。在FPGA上進行仿真實驗，具有重要的應(yīng)用價值。通過在Altera公司的FPGA開發(fā)軟件Quartus2軟件上仿真，并在FPGA硬件開發(fā)板上調(diào)試，成功實現(xiàn)了組網(wǎng)跳頻電臺的同步過程。

1 同步方法的選擇

本文采用同步頭法和精準時鐘法相結(jié)合的同步方案實現(xiàn)組網(wǎng)跳頻同步。同步頭法是指由發(fā)送方發(fā)送一個同步用的協(xié)議幀，其中含有同步所需的全部信息，收方依據(jù)接收到的同步信息實現(xiàn)收發(fā)兩端同步[4]。精準時鐘法是指在網(wǎng)中或兩個電臺之間使用精準的基準參考時鐘。由于通信各方使用了相同結(jié)構(gòu)的跳頻圖案，當前通信頻率僅取決于時間信息，當通信距離一定時，就可以依據(jù)當前時鐘信息來確定當前通信頻率。該方法要求時鐘必須足夠精準，因此就有必要對通信各方的參考時鐘不斷進行校正，來保持時鐘的準確性[5]。利用同步頭法同步搜索快，易于實現(xiàn)，同步可靠的特點，以及精準時鐘法計時精確的特點，使跳頻系統(tǒng)的同步實現(xiàn)方便、精度高、速度快。

2 組網(wǎng)協(xié)議

時分多址接入(TDMA)技術(shù)把無線頻譜按時隙劃分，并且在每一個時隙僅允許一個用戶接收或者發(fā)送。在跳頻通信系統(tǒng)中，要完成電臺之間的交互通信和信令傳輸，就需要設(shè)計出適合的幀結(jié)構(gòu)和時隙分配方法。

2.1 幀結(jié)構(gòu)設(shè)計

為了適應(yīng)不同的功能需要[6]，本文設(shè)計了以下4種幀類型：同步信息幀、確認幀、時隙分配幀和數(shù)據(jù)幀，幀結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1所示。

圖1 幀結(jié)構(gòu)

4種幀類型的區(qū)別僅在幀內(nèi)容有所不同，具體幀內(nèi)容為：

(1)同步信息幀：幀內(nèi)容包括跳頻剩余跳數(shù)和下一跳頻率。跳頻剩余跳數(shù)由計數(shù)器控制，當為0時，就進入跳頻通信階段；而幀中的下一跳頻率，用于從機電臺或遲入網(wǎng)電臺實現(xiàn)頻率跟蹤。

(2)確認幀：幀內(nèi)容包括目標電臺號和確認信息位。用作從機給主機的反饋信號，網(wǎng)內(nèi)從機電臺收到時隙分配幀后，給主機反饋；遲入網(wǎng)電臺收到同步信息幀后，在空閑時隙給主機的反饋。

(3)時隙分配幀：幀內(nèi)容包括總共時隙數(shù)和目標電臺的分配時隙號，用于主機向從機分配時隙。

(4)數(shù)據(jù)幀：作為網(wǎng)內(nèi)數(shù)據(jù)通信的信息單元。幀內(nèi)容為目標電臺號和發(fā)送的數(shù)據(jù)內(nèi)容。

2.2 時隙分配方法

TDMA協(xié)議將時間劃分為一定長度的時元，每個時元對應(yīng)一個頻點，每一跳上只有1個時元。每個時元劃分為若干個時隙。每個時隙分配給一個從機發(fā)射信號，其它電臺接收信號。假設(shè)網(wǎng)絡(luò)中共有M個跳頻電臺，包括1臺主機和M-1臺從機，將一個時元分成M+1個時隙，如圖2所示。

圖2 時隙分配

每一個時元的第一個時隙由主機發(fā)送同步信息幀，有兩個作用：一是實現(xiàn)從機與主機的時間同步，二是幫助從機完成遲入網(wǎng)；第二個時隙分配給主機使用，用于主機將數(shù)據(jù)發(fā)送給目標電臺；之后的M個時隙分配給M個從機，用于各個從機將數(shù)據(jù)發(fā)送給目標電臺。

3 同步過程

同步過程包括捕獲與保持兩部分。捕獲過程包括頻率同步和時間同步。每隔一個校驗周期，進行一次組網(wǎng)調(diào)整，包括電臺的新入網(wǎng)、保持入網(wǎng)和離開網(wǎng)絡(luò)，同時也完成同步校驗，如果出現(xiàn)錯誤，則電臺進入遲入網(wǎng)狀態(tài)，在捕獲同步后的下一個組網(wǎng)時元重新入網(wǎng)。

3.1 同步信號的捕獲

主機將自身的時間信息、同步信息和下一跳頻率組合在同步信息幀中，向外發(fā)送。從機開機后，處于接收狀態(tài)，搜索網(wǎng)絡(luò)，接收網(wǎng)絡(luò)同步信號(同步信息幀)。

3.1.1 頻率同步

從機在設(shè)定的頻率上接收主機的信號，當主機跳變頻率與從機相同時，從機捕獲主機的同步信息，并跟隨主機一起進行頻率跳變，完成一個跳頻掃描周期后，主從機同時進入跳頻通信狀態(tài)。其捕獲過程如圖3所示，f(x)表示電臺在不同時刻的跳頻頻率，x表示跳頻圖案的順序值[7-8]。

左達和徐藝同時笑起來，徐藝最后還是被左達的笑驚呆了。左達笑著站起來張開雙臂看著天空，又突然轉(zhuǎn)過頭來看著徐藝。

圖3 同步頻率捕獲過程

3.1.2 時間同步

頻率同步是使收發(fā)雙方跳頻圖案的時間差小于一跳的長度，而時間同步則要求收發(fā)雙方每一幀都嚴格對應(yīng)，本文采用同步頭法進行時間同步，從機捕獲到同步信息幀后，通過判斷幀頭和幀類型，對同步信息幀進行識別，完成了時間同步，使從機與主機嚴格對時，按位接收后面的信息幀，這樣就完成了時間同步。其實現(xiàn)過程如圖4所示，f(x)表示電臺在不同時刻的跳頻頻率，x表示跳頻圖案的順序值。

圖4 同步信息捕獲過程

3.2 時隙分配

同步建立后，主機發(fā)送一個時隙分配幀，向各從機隨機分配不同的時隙，然后轉(zhuǎn)為接收狀態(tài)，從機記錄下時隙信息后，向主機反饋一個確認幀，用來聲明占用此時隙。主機在各個時隙收完各個從機的反饋后，確認了網(wǎng)內(nèi)從機數(shù)量和電臺號，然后對入網(wǎng)的電臺重新分配時隙，將多余時隙去掉。該組時隙分配幀發(fā)送完成后，整個網(wǎng)絡(luò)進入數(shù)據(jù)通信階段。時隙分配過程圖如圖5所示。

3.3 跳頻數(shù)據(jù)通信

按照圖1時隙結(jié)構(gòu)圖中的通信幀進行通信，每一跳有M+1個時隙。數(shù)據(jù)通信過程如圖6所示。

第1個時隙用于發(fā)送同步信息幀，保持網(wǎng)絡(luò)的同步狀態(tài)，同時也用于向遲入網(wǎng)電臺發(fā)送同步信息。后面M個時隙用于網(wǎng)內(nèi)M個電臺分別發(fā)送信息，在每個時隙，其它電臺處于接收狀態(tài)，接收自己的信息。

圖5 時隙分配過程

圖6 跳頻數(shù)據(jù)通信過程

3.4 同步校驗 (組網(wǎng)的調(diào)整)

跳頻數(shù)據(jù)通信周期結(jié)束后，進行系統(tǒng)的同步校驗，也完成組網(wǎng)的調(diào)整功能(包括電臺的離開，發(fā)送請求，時隙調(diào)整等)。此過程與時隙分配過程類似，如圖7所示。

圖7 組網(wǎng)調(diào)整過程

丟失時隙的從機，有2種可能，一種是通信結(jié)束，時隙占用請求信號處于無效；另一種是通信失步，此時從機自動進入遲入網(wǎng)狀態(tài)。

3.5 電臺遲入網(wǎng)

跳頻電臺網(wǎng)絡(luò)建立好之后，如果有電臺想加入網(wǎng)絡(luò)，需要進行遲入網(wǎng)申請。實現(xiàn)過程如圖8所示。給每個電臺設(shè)置成不同的初始頻率，來接收主機在每一個數(shù)據(jù)通信時元內(nèi)第一個時隙發(fā)送的同步信息幀，當網(wǎng)絡(luò)頻率跳變到遲入網(wǎng)電臺的頻率值上時，遲入網(wǎng)電臺就可以接收到同步信息幀，然后開始跳頻跟蹤，當這一個跳頻數(shù)據(jù)通信周期結(jié)束后，進入組網(wǎng)調(diào)整時元，從機在后面的空閑時隙，向主機發(fā)送確認幀。在后面的通信過程中，主機給其分配一個時隙，這樣就完成了電臺的遲入網(wǎng)。

圖8 遲入網(wǎng)過程

綜上所述，同步捕獲過程主要采用同步頭法，實現(xiàn)簡單，同步建立速度快。之后則要借助精確時鐘法，在每次對時之前，保持時間同步。

同步校驗過程同時也是一次組網(wǎng)調(diào)整過程，棄掉失步電臺，保留同步電臺，有效地重新分配時隙；失步的電臺則進入遲入網(wǎng)過程。本文提出的時隙分配方法以及組網(wǎng)調(diào)整過程，能夠即時的減少多余空閑時隙并給新入網(wǎng)電臺分配時隙，所以資源利用率比較高，同時能夠降低各個從機電臺的等待入網(wǎng)時間。

4 FPGA實現(xiàn)設(shè)計和仿真

上述組網(wǎng)同步過程用FPGA仿真實現(xiàn)，主要設(shè)計兩個狀態(tài)機：主機狀態(tài)機和從機狀態(tài)機。如圖9和圖10所示。

用Altera公司的FPGA開發(fā)軟件Quartus2自帶的Simulation對組網(wǎng)過程中的同步建立過程和同步校驗過程進行觀察，結(jié)果如圖11和圖12所示。syn_master為主機同步模塊，syn_slave為從機1同步模塊，syn_slave2為從機2同步模塊。m表示主機狀態(tài)機，范圍為sm0~sm5；s1和s2表示從機1和2的狀態(tài)機，范圍為ss0~ss5。

圖11顯示了同步建立過程、時隙分配過程以及數(shù)據(jù)通信過程。開始階段，主機和從機都處在待機狀態(tài)，也就是sm0和ss0。主機在進入sm1狀態(tài)后，開始廣播同步信息幀，從機在ss1接收同步信息幀，并跟蹤主機進行同步跳頻，在完成跳頻掃描周期后，主機進入sm2狀態(tài)，從機進入ss2狀態(tài)。此時就進入了同步狀態(tài)。也就完成了同步建立過程。

主機進入狀態(tài)sm2后，給各個從機廣播時隙分配幀；從機處于接收狀態(tài)ss2，接收時隙分配幀。廣播結(jié)束后，主機進入狀態(tài)sm3，從機收到時隙分配幀后，進入狀態(tài)ss3。主機開始在各個時隙接收反饋的確認幀，從機在剛剛分配給自己的時隙發(fā)送確認幀。成功確認，則時隙保持；如果沒有反饋，則主機在接下來進入狀態(tài)2后把此時隙刪除，重新給各個從機分配。在狀態(tài)3完成后，主機再回到狀態(tài)sm2，從機回到狀態(tài)ss2，通過了解各個從機的反饋信息，重新合理分配時隙，到此完成了時隙分配過程。

圖9 跳頻電臺主機狀態(tài)機

圖10 跳頻電臺從機狀態(tài)機

圖11 同步建立、時隙分配和數(shù)據(jù)通信過程仿真

重新分配時隙后，主機進入狀態(tài)sm4，從機進入狀態(tài)ss4。主機的狀態(tài)sm4為發(fā)送數(shù)據(jù)，狀態(tài)sm5為接收數(shù)據(jù)。從機的狀態(tài)ss4為接收數(shù)據(jù)，狀態(tài)ss5為發(fā)送數(shù)據(jù)。從圖11中可以看出，主機的狀態(tài)sm4和從機的狀態(tài)ss5始終占據(jù)著不同的時隙。主機在狀態(tài)sm4先發(fā)送一個時隙分配幀，用于給整個網(wǎng)絡(luò)對時，也用于遲入網(wǎng)電臺的跟蹤，然后在下一個時隙發(fā)送數(shù)據(jù)給目標電臺，結(jié)束后進入狀態(tài)sm5，接收數(shù)據(jù)，當收到以自己作為目標電臺的信息幀時，接收下來。從機在狀態(tài)ss4接收其它電臺的信息，當計時到達自己的時隙時，轉(zhuǎn)到狀態(tài)ss5，向目標電臺發(fā)送信息幀。

圖12顯示了同步校驗過程。一個跳頻數(shù)據(jù)通信周期結(jié)束后，主從機同時進入同步校驗狀態(tài)，主機由狀態(tài)sm5進入狀態(tài)sm2，從機由狀態(tài)ss4進入狀態(tài)ss2。校驗過程和圖11中的時隙分配過程一樣，校驗結(jié)束后，主機由狀態(tài)sm2進入狀態(tài)sm4，同時從機由狀態(tài)ss2進入狀態(tài)ss4，再次進入數(shù)據(jù)通信過程。

圖12 同步校驗仿真

圖13顯示了跳頻組網(wǎng)中電臺遲入網(wǎng)過程。在整個系統(tǒng)的組網(wǎng)通信過程中，每一個時元的第1幀，為由主機發(fā)送的同步信息幀，遲入網(wǎng)電臺通過接收同步信息幀，進行跳頻跟蹤，并在下一個同步校驗時元，申請時隙。從機s1和s2和主機m處于同步過程中，從機s3遲入網(wǎng)，在syn_en3信號變?yōu)?后，申請遲入網(wǎng)，在ss1狀態(tài)接收同步信息幀開始跟蹤跳頻，在ss2狀態(tài)接收時隙分配幀，在 ss3狀態(tài)反饋給主機確認幀申請遲入網(wǎng)，在下一個ss2狀態(tài)，主機廣播新的時隙分配幀，然后進入數(shù)據(jù)跳頻通信狀態(tài)。通過仿真圖可以看到，遲入網(wǎng)前為4個時隙，遲入網(wǎng)后系統(tǒng)變成了5個時隙。

圖13 電臺遲入網(wǎng)過程

5 結(jié)束語

本文在實際跳頻電臺系統(tǒng)設(shè)計過程中，針對跳頻電臺的組網(wǎng)協(xié)議和同步方法，以其同步過程作為研究對象，分析了組網(wǎng)跳頻電臺同步過程中各個步驟的實現(xiàn)方案，整個方案設(shè)計在FPGA上實現(xiàn)，有效的實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)的建立和調(diào)整、同步的捕獲和保持等功能。通過Quartus2軟件的仿真結(jié)果，表明本文的同步方案實現(xiàn)簡單，同步快速可靠，該方法在跳頻電臺的設(shè)計中具有一定的應(yīng)用價值。

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