基于DSP/FPGA的超高速跳频系统基带设计与实现

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跳频通信系统作为扩频通信体制中的一种重要类型,以其出色的抗远近效应、抗干扰能力,在军用、民用通信领域得到了广泛应用。跳频通信方式是指载波受一伪随机码的控制, 不断地、随机地跳变,可看成载波按照一定规律变化的多频频移键控(MFSK)。跳频通信的频率受伪随机码控制不断跳变,跳频图案可以设置几千乃至上万个,收发两端只要跳频图案一致,跳频时间同步,就可在信息传输过程中不断跳变空间频率信道,实现跳频通信。

近年来随着半导体工艺和计算机技术的发展,dsp(Digital Signal Processor)、FPGA(Field Programmable Gates Array)等现代信号处理芯片越来越成熟和普遍使用,以前只能理论研究的跳频技术有了实现的可能。

1 基于FPGA/dsp的跳频系统硬件架构

本跳频通信系统的发射系统如图1。信源信息进入dsp进行信道编码;随后dsp根据编码结果使能FPGA控制DDS在中频段产生跳频信号;最后混频器把信号频率搬移到射频上,经过高频放大器放大后发射。

 



 

 

接收系统如图2。天线将接收到的信号经过高频放大器放大后,与第一本振混频,产生第一中频信号;DDS受dsp控制,作为第二本振,与接收到的跳频信号按相同规律跳频(但频率相差一个中频),至此得到了固定中频,完成解跳;随后,对信号进行中频采样,在数字域中利用正交NCO(NCO位于FPGA中,受dsp控制)实现数字解调;得到的结果在dsp中进行信道解码,恢复原始信息,送到信宿。

可以看到本跳频系统中,FPGA是硬件逻辑的载体,完成基带信号采样后的混频、滤波等操作及对DDS、ADC等外部逻辑的控制;dsp控制FPGA内部逻辑以及DDS、ADC等逻辑单元完成跳频通信系统基带部分的发射与接收及其一系列计算任务;高精度时钟源为整个系统提供时间基准,经过dsp、FPGA、DDS等器件内部锁相环倍频,为各器件提供主时钟。

2 dsp与FPGA之间的数据通信设计

dsp与FPGA之间的接口如图3所示。


 

FPGA上的逻辑设计采用了OnChipBus+UserLogic的SOPC设计思想。其中OnChipBus采用Avalon总线。Avalon交换结构是Altera公司提出的一种在可编程片上系统中连接片上处理器和各种外设的互联机构,是一种同步总线,包含完善的总线仲裁逻辑,并针对自身产品进行逻辑优化,特别适合用在Altera FPGA上。但是,Avalon总线与C54x系列dsp的外部存储器异步接口时序不兼容,为此,设计了Bus Bridge模块,一边是dsp EMIF的Slave Interface,连接到dsp的EMIF,映射到dsp IO空间;另一边是Avalon总线的Master Interface,连接到Avalon总线,从而实现两种总线间数据的透明传输。

FPGA的内部逻辑采用了模块化的设计思想,每个Logic都包括AvalonSlaveInterface、RegisterFile和UserLogic三部分。其中, AvalonSlaveInterface是AvalonBus的从接口逻辑;RegisterFile是寄存器组逻辑,通过Avalone总线映射到dsp相应的IO地址空间;UserLogic用于实现用户逻辑,其功能完全由RegisterFile的内容决定。各个模块独立工作,模块之间的通信通过片上总线进行,增加了设计的灵活性,便于维护和扩展,并可以利用SOPC Builder工具完成系统的集成。

3 基于dsp/FPGA的跳频系统基带部分关键模块设计

3.1 跳频器设计

本设计选用DDS作为跳频器。DDS可以视为由NCO和高速DAC构成。NCO决定了DDS输出信号的频率范围、分辨率和相位分辨率等参数,它主要由相位累加器、相位偏移加法器和余弦表构成。其具体实现如图4。



 

为了适应复杂的数字接口,在FPGA中设计了DDS Controller逻辑,完成了对所有时序和数据格式的转换。dsp仅通过读写DDS Controller中的几个寄存器就可以实现对DDS的所有操作。DDS的输出端采用了互补电流输出,经过变压器耦合并通过低通滤波器后得到基频信号。

3.2 调制解调FPGA逻辑设计

本系统采用了2FSK调制方式。2FSK调制实际上就是根据二进制码流的极性输出频率f0(频点0)或频率f1(频点1),跳频通信系统根据跳频图案决定载波频率,但归根结底就是改变DDS的输出信号频率。

本设计采用了相干解调方式,图5给出FPGA的正交NCO相干解调逻辑图。





图5中ACC为32bit相位累加器,Sub32提供π/2的相位平移得到Q支路的波表地址,Lanch32的作用是使相位累加器的输出结果延时一个时钟周期,保持I、Q支路严格同步,因为Sub32的运算会使Q支路延时一个时钟周期。双口ROM存储余弦表,同时产生I支路和Q支路的波形。

正交NCO、数字混频器、低通滤波和采样调整模块共同构成了解调单元DeModulationLogic。

DeModulationLogic在FPGA系统中的位置如图6所示。




3.3 跳频序列的dsp控制设计

跳频序列是决定跳频通信系统跳频图案的伪随机序列。对跳频序列的要求是循环周期长、最小码距大、随机性强等。本设计采用了理论研究最完备、易于产生的m序列作为跳频序列,在dsp中通过软件实现对偶频带法对最小跳频间隔的控制,dsp判断相邻两次生成的m序列的码距是否符合要求。若不符合最小码距的要求,则跳到此次生成码的对偶频道上去。如图7所示。



 

3.4 同步设计

同步是跳频通信系统的核心技术。跳频通信系统的同步包括载波同步、位同步和帧同步(跳频图案同步)。

由于本设计采用2FSK调制解调方式,所以仅需要接收端提供一个与所接收到的载波信号同频的本地载波信号即可,因而可以不进行载波跟踪,直接通过设置频率合成器的频率控制字实现收发同频即可实现载波同步。

位同步是以解调电路为基础的。由于码速率较高,位同步运算大都在FPGA中通过硬件完成。

图8(a)是没有同步时的示波器波形图,图8(b)是同步后的示波器波形图。通道一(上方)是发送端的发送脉冲,通道二(下方)是接收端的位同步脉冲。位同步以后,接收端的位同步脉冲和发射端的发射脉冲完全对齐,波动范围不超过1μs, 最大偏移不超过码元宽度的4%。图中,时间:5μs/格;电压2V/格(上);电压2V/格(下)。




跳频图案同步是跳频通信系统中特有的同步概念,它是指接收方的跳频图案与发射方跳频图案保持一致的过程或状态。在跳频通信系统中,帧同步和跳频图案同步概念相似,有时候不加区分, 本设计选用13位巴克码{1,1,1,1,1,-1,-1,1,1,-1,1,-1,1}作为帧同步信号。图9是FPGA中信号跳频图案同步示意图。


 

最上方信号是发射端跳频序列的波形;中间信号是接收端跳频序列的波形;最下方是帧同步信号。当识别到巴克码时,帧同步信号出现一负脉冲,完成接收端调频序列发生器反馈系数和初始相位的加载。从图9中可知:(1)接收端跳频序列与发射端跳频序列变化规律一致,跳频图案同步成功;(2)最小码距满足要求,通过对偶频带法得到宽间隔跳频序列成功。

本文对跳频通信技术及基带各关键模块进行了深入探讨和分析,给出了高速跳频通信系统的系统设计,并通过软件无线电技术对其进行实现。

系统以TI公司dsp为中心控制单元,Altera公司的FPGA为硬件逻辑平台,AD公司的DDS为频率合成器,采用2FSK调制解调方式,超前滞后支路的位同步方式,TOD跳频图案同步方式,以m序列作为跳频序列,辅助对偶跳频间隔控制手段,实现了高速、宽间隔跳频通信系统。系统达到40kbps的跳频速度,1 024个跳频频道,108M~189.84MHz的跳频带宽,400kHz的最小跳频间隔,小于0.5s的入网时间以及小于30s的同步最大时差。

本高速跳频通信系统与同类系统相比最大的优势体现在它40kbps的超高速跳频速率和近百兆的跳频带宽上。通过与国内外类似系统进行比较,40kbps的跳频速率处于技术领先位置。各关键模块性能优良,接口一致且工作稳定,可以灵活组合成多种数字通信系统的基带部分。相信本文对今后数字通信系统基带部分的研究和实现具有很强的借鉴意义。