張?jiān)骑w，焦素敏

（河南工業(yè)大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，河南鄭州，450001）

0 引言

隨著通信技術(shù)的飛速發(fā)展，人們對(duì)通信系統(tǒng)的可靠性等性能的要求也越來(lái)越高。在已有的提高通信可靠性的技術(shù)中，跳頻通信技術(shù)發(fā)揮著重要作用。在通信過(guò)程中，信號(hào)可能會(huì)遇到各種干擾。在跳頻通信系統(tǒng)中，我們通?？梢酝ㄟ^(guò)提高跳頻速率，來(lái)應(yīng)對(duì)一些跟蹤式干擾。在跳頻通信系統(tǒng)中，人們最關(guān)心的是跳頻同步方法。跳頻技術(shù)的不斷發(fā)展，使得跳頻速率也不斷提高，這就要求，跳頻同步系統(tǒng)，需要盡可能快地完成捕獲和跟蹤的過(guò)程。本系統(tǒng)即采用高性能可編程器件FPGA 為核心模塊進(jìn)行跳頻同步算法的研究，來(lái)分析跳頻同步算法——TOD 法的同步性能。

1 TOD 同步法的基本原理

與一般的同步字頭法不同，TOD 法所使用的同步信息與時(shí)鐘有關(guān)，可以適時(shí)進(jìn)行調(diào)整，進(jìn)而達(dá)到更高的性能要求。在TOD 法中，低位信息可根據(jù)跳頻周期計(jì)算得到，高位信息則可直接根據(jù)低位信息的進(jìn)位得到。比較重要的是，同步頻率需要由TOD 信息經(jīng)過(guò)一定計(jì)算得到。在同步過(guò)程中，我們可以選用多個(gè)同步頻率。

TOD 同步法使用了相關(guān)碼，此處使用m 序列作為相關(guān)碼。m 序列具有周期性、均衡性、移位相加特性和游程分布等性質(zhì)。在這里，主要利用m 序列的移位相加特性：假設(shè)有一個(gè)m 序列m1，經(jīng)任意延遲移位后得到了另一m 序列m2。這時(shí)，我們把m1和m2 進(jìn)行模2 加運(yùn)算，得到的序列會(huì)是m 序列m3，并且m3 也可以由m1 經(jīng)過(guò)延遲移位得到，這一過(guò)程也可以描述為m1 與m2 異或?yàn)閙3。

本文選用5 個(gè)同步頻率，每個(gè)同步頻率都有對(duì)應(yīng)的相關(guān)碼，且唯一對(duì)應(yīng)。在同步階段，按同步頻率發(fā)送與之對(duì)應(yīng)的相關(guān)碼，在接收端，則使用m 序列同步的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)同步跳頻載波。在m 序列的同步模型中，m 序列的同步，主要利用了其良好的自相關(guān)特性。由于m 序列的移位相加性，m 序列與其任意延遲后得到的m 序列相加的結(jié)果還是m 序列，其中，“0”的數(shù)目 比“1” 的數(shù)目少1。根據(jù)自相關(guān)系數(shù)公式，可以得到m 序列的自相關(guān)系數(shù)：

式(1)中，當(dāng)兩個(gè)相同的碼序列相位完全相同時(shí)，此時(shí)輸出的相關(guān)值最大。根據(jù)這一規(guī)律，可以通過(guò)比較相關(guān)值，來(lái)確定接收到的m 序列，使得接收端m 序列與發(fā)射端的同步。接著，實(shí)現(xiàn)m 序列的同步，進(jìn)而來(lái)實(shí)現(xiàn)跳頻系統(tǒng)的同步。

2 基于TOD 法的跳頻通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

■2.1 跳頻通信系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

跳頻通信系統(tǒng)框圖如圖1 所示。在發(fā)送端，包含同步信息的信息，經(jīng)BFSK 調(diào)制后，與跳頻載波相乘。其中，跳頻載波受同步信息控制，從跳頻頻率表中選擇跳變。在接收端，將接收信號(hào)與慢掃描的同步跳頻載波相乘，得到同步信息后，按一定規(guī)律從跳頻頻率表產(chǎn)生本地跳頻載波，經(jīng)BFSK 解調(diào)后可以得到源信號(hào)。

圖1 跳頻通信系統(tǒng)框圖

■2.2 發(fā)送端模塊設(shè)計(jì)

發(fā)送端如圖2 所示。信源信息包括前導(dǎo)序列、幀同步頭、TOD 信息和數(shù)據(jù)信息。其中，前導(dǎo)序列和幀同步頭均采用m 序列。BFSK 調(diào)制信號(hào)與同步信息控制輸出的跳頻載波相乘，生成發(fā)射信號(hào)。

圖2 發(fā)送端模型

2.2.1 時(shí)鐘模塊設(shè)計(jì)

時(shí)鐘模塊為跳頻通信系統(tǒng)的各功能模塊的時(shí)鐘信號(hào)。時(shí)鐘模塊中，本地時(shí)鐘為50MHz 時(shí)鐘，經(jīng)6 倍頻后可以得到300MHz 時(shí)鐘信號(hào)，經(jīng)300、2400 分頻后分別可以得到1MHz、125kHz 的時(shí)鐘信號(hào)。產(chǎn)生的時(shí)鐘信號(hào)作為其他功能模塊的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。特別地，倍頻器PLL 使用IP 核實(shí)現(xiàn)，其輸出的時(shí)鐘鎖定信號(hào)locked 可以作為其他模塊的復(fù)位信號(hào)。

2.2.2 頻率合成器模塊設(shè)計(jì)

頻率合成器用以合成特定時(shí)刻的跳頻載波，跳頻載波頻率范圍在20～58MHz，步長(zhǎng)為2MHz。從跳頻載波頻率中選出五個(gè)同步頻率，來(lái)生成同步階段的跳頻載波。

頻率合成器模塊主要使用DDS 實(shí)現(xiàn)，即數(shù)字頻率合成器。DDS 主要由相位累加寄存器、波形數(shù)據(jù)表ROM、D/A 轉(zhuǎn)換器等組成。DDS 有三個(gè)輸入端：分別是系統(tǒng)時(shí)鐘Clk、頻率控制字Fword、相位控制字Pword，一個(gè)輸出：輸出指定要求的信號(hào)。相位控制字可以控制DDS 輸出波形的初始相位，頻率控制字通過(guò)控制每次相位的步進(jìn)長(zhǎng)度，進(jìn)而控制DDS 輸出波形的頻率。

2.2.3 發(fā)送信號(hào)合成模塊設(shè)計(jì)

發(fā)送信號(hào)合成模塊，主要產(chǎn)生同步信號(hào)和信源數(shù)據(jù)信號(hào)，根據(jù)TODL 的變化選擇輸出信號(hào)的類(lèi)別。具體地，同步信號(hào)是前導(dǎo)序列、幀同步信息和TOD 信息變換得到的信號(hào)。其中，前導(dǎo)序列和幀同步序列均使用m 序列，TOD 信息可以根據(jù)已經(jīng)經(jīng)過(guò)的跳頻周期數(shù)計(jì)算得到。

2.2.4 BFSK 調(diào)制模塊設(shè)計(jì)

BFSK 調(diào)制模塊，采用開(kāi)關(guān)調(diào)制法，所謂開(kāi)關(guān)調(diào)制法，即直接根據(jù)信源信號(hào)的“1”和“0”的狀態(tài)，來(lái)切換調(diào)頻載波。載波通過(guò)DDS 模塊生成，選用2MHz 和4MHz 的載波信號(hào)進(jìn)行BFSK 調(diào)制。上變頻所使用的乘法器模塊，為兩個(gè)8 位有符號(hào)數(shù)的相乘，用以實(shí)現(xiàn)BFSK 信號(hào)與跳頻載波信號(hào)的相乘。

需要注意的是，調(diào)制方法為BFSK 調(diào)制時(shí)，當(dāng)輸出波形為非連續(xù)相位時(shí)，載波切換時(shí)會(huì)產(chǎn)生很大干擾，產(chǎn)生大量帶外噪聲，會(huì)給后期的解調(diào)帶來(lái)很大麻煩；當(dāng)輸出波形為連續(xù)相位時(shí)，這一問(wèn)題會(huì)得到解決，不會(huì)影響正常解調(diào)。具體的解決方法是：在切換載波時(shí)，記錄載波1 此時(shí)的相位，將其轉(zhuǎn)換為相位控制字來(lái)控制載波2 的頻率合成器輸出，如此往復(fù)執(zhí)行，可以實(shí)現(xiàn)切換載波時(shí)的相位連續(xù)性。

■2.3 接收與同步模塊設(shè)計(jì)

接收與同步模型如圖3 所示。接收信號(hào)，經(jīng)過(guò)跳頻捕獲和跳頻跟蹤模塊后，進(jìn)行BFSK 解調(diào)，接著反饋到跳頻捕獲模塊。跳頻捕獲模塊由掃描控制、TOD 信息提取等部分組成。跳頻載波信號(hào)輪流使用同步跳頻載波，同步后，按跳頻頻率表輸出跳頻載波。同步過(guò)程中，采用相關(guān)檢測(cè)法來(lái)實(shí)現(xiàn)m 序列的同步，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的同步。

圖3 接收與同步端模型

2.3.1 下變頻模塊設(shè)計(jì)

在BFSK 解調(diào)前，首先對(duì)接收信號(hào)下變頻，實(shí)現(xiàn)下變頻的關(guān)鍵在于濾波器的設(shè)計(jì)。濾波器使用FIR濾波器，使用Vivado 的IP 核實(shí)現(xiàn)。濾波器選用Equiripple 濾波器，即等波紋濾波器，階數(shù)為60，生成波形文件，以便在FIR 濾波器IP 核中使用。Vivado的IP 核設(shè)置中選擇對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，以減少使用的乘法器數(shù)目。

2.3.2 掃描控制模塊設(shè)計(jì)

掃描控制模塊，可以產(chǎn)生接收端的載波頻率控制信號(hào)。本文選用5個(gè)同步頻率，因此在沒(méi)有捕獲到相應(yīng)的m序列時(shí)，按1/6 的跳頻速率產(chǎn)生控制信號(hào)，控制信號(hào)可以控制跳頻載波頻率的跳變。前期，主要控制輸出同步跳頻載波的變化，之后，則按跳頻頻率表輸出。

2.3.3 TOD 信息提取模塊設(shè)計(jì)

TOD 信息提取模塊，在基本實(shí)現(xiàn)同步后，從接收信號(hào)中提取TOD 信息。具體地，在捕獲到前導(dǎo)序列和幀同步序列后，開(kāi)始從接收信號(hào)提取TOD 信息。提取到的TOD 信息，用以控制接收端的跳頻載波的生成。

2.3.4 接收端頻率合成模塊設(shè)計(jì)

接收端頻率合成模塊，產(chǎn)生接收端的跳頻載波信號(hào)，受掃描控制模塊和捕獲模塊的控制。接收端頻率合成器仍使用DDS，與發(fā)送端相同，不再贅述。

■2.4 同步模塊設(shè)計(jì)

2.4.1 m 序列同步模塊設(shè)計(jì)

m 序列發(fā)生器，由多級(jí)移位寄存器構(gòu)成。m 序列同步模塊如圖4 所示。首先，對(duì)生成的m 序列進(jìn)行極性轉(zhuǎn)換，與接收端極性轉(zhuǎn)換后的m 序列相乘，經(jīng)積分判決后，采用相位搜索法輸出本地m 序列控制信號(hào)，決定是否等待一個(gè)碼片時(shí)間再改變接收端的m 序列，經(jīng)一段時(shí)間后，可實(shí)現(xiàn)m 序列的同步。

2.4.2 TOD 同步法設(shè)計(jì)

TOD 同步法模塊如圖5 所示。TOD 同步法以m 序列為相關(guān)碼。故使用m 序列同步的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)同步跳頻載波。接收信號(hào)，首先進(jìn)行下變頻并濾波，經(jīng)BFSK 解調(diào)后，輸入到m 序列同步模塊，同步模塊控制跳頻載波的生成，實(shí)現(xiàn)跳頻同步。

■2.5 BFSK 解調(diào)模型設(shè)計(jì)

BFSK 解調(diào)模型如圖6 所示。在模型中，采用過(guò)零檢測(cè)法實(shí)現(xiàn)BFSK 解調(diào)模型。BFSK 的信號(hào)的過(guò)零點(diǎn)數(shù)隨載波頻率的變化而不同，因此檢測(cè)出過(guò)零點(diǎn)數(shù)就可以得到載波頻率的差異，進(jìn)一步得到調(diào)制信號(hào)包含的信息。解調(diào)模塊主要由限幅、微分、脈沖擴(kuò)展和低通濾波模塊組成。限幅器的功能是限制接收信號(hào)的幅度；微分器的功能是檢測(cè)過(guò)零點(diǎn)，脈沖擴(kuò)展部分的功能是對(duì)微分器輸出的窄脈沖進(jìn)行擴(kuò)展；低通濾波的功能是濾波得到原信息。

圖6 BFSK 解調(diào)模型

3 模型驗(yàn)證

以Vivado 作FPGA 硬件平臺(tái)仿真平臺(tái)，分析關(guān)鍵端口的輸出信號(hào)，來(lái)判斷是否實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。

■3.1 發(fā)送端模塊驗(yàn)證

發(fā)送信號(hào)的仿真波形如圖7 所示。發(fā)送信號(hào)由四部分組成，從第三行開(kāi)始，依次是前導(dǎo)序列、幀同步頭、TOD 信息和數(shù)據(jù)信息的仿真波形?？梢钥吹?，能夠按要求生成相應(yīng)的同步序列和數(shù)據(jù)序列，并加入發(fā)送信號(hào)中。

圖7 發(fā)送信號(hào)波形圖

發(fā)射信號(hào)的仿真波形如圖8 所示。第二、三行分別是發(fā)送信號(hào)和跳頻載波的仿真波形，第四行是發(fā)送信號(hào)經(jīng)BFSK 調(diào)制的仿真波形，第五行是發(fā)射信號(hào)的仿真波形?？梢钥吹?，能夠正確完成BFSK調(diào)制，可以看出載波頻率是兩倍的關(guān)系，BFSK 信號(hào)由2MHz 和4MHz 的載波組成，發(fā)射信號(hào)是由調(diào)制信號(hào)與跳頻載波相乘得到的。

圖8 發(fā)射信號(hào)波形圖

■3.2 接收與同步模塊驗(yàn)證

相關(guān)峰的波形如圖9所示。同步模塊，通過(guò)比較相關(guān)峰值，來(lái)判斷是否完成同步。第三行是相關(guān)峰的仿真波形，第五行是因捕獲到同步信息產(chǎn)生的同步信號(hào)，第六行是因捕獲幀同步序列產(chǎn)生的同步信號(hào)。這些同步信號(hào)的產(chǎn)生，說(shuō)明能夠正常實(shí)現(xiàn)同步。

圖9 相關(guān)峰波形圖

解調(diào)信號(hào)的仿真波形如圖10 所示。第四行是接收端下變頻后濾波得到的BFSK 信號(hào)的仿真波形，與第三行的發(fā)射端產(chǎn)生的BFSK 信號(hào)基本一致。第六行是BFSK 解調(diào)后的信號(hào)的仿真波形，與第五行的發(fā)送信號(hào)基本一致，說(shuō)明能夠正確解調(diào)。

圖10 解調(diào)信號(hào)波形圖

4 結(jié)論

本文首先介紹了TOD 同步法的基本原理，并分別建立各模塊的設(shè)計(jì)模型。在此基礎(chǔ)上，以Vivado 為FPGA 硬件仿真平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)發(fā)射信號(hào)的生成、BFSK 調(diào)制解調(diào)、m 序列同步等關(guān)鍵功能。從整體結(jié)果來(lái)說(shuō)，完成了對(duì)跳頻同步方 法——TOD 法的實(shí)現(xiàn)與驗(yàn)證分析。在接下來(lái)的工作里，將以FPGA為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)BPSK、QPSK 跳頻同步系統(tǒng)，驗(yàn)證其可行性。