自适应跳频电台跳频控制系统设计与实现

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1、设计摘要
          本设计定位为一话音跳频通信系统，采用 Logistic混沌系统产生跳频序列，同时采用一种同步字头法与等待跟踪法相结合的新型同步方案——动态双频同步方案实现同步。理论分析和仿真试验均表明该方案实现方法简单、抗干扰性能优越、且同步建立迅速，具有很好的灵活性。在硬件实现上，拟在Virtex-II PRO(V2-Pro)开发系统中设计完成三个跳频电台（即3个用户）的收发信机，并加载相应信号，建立3个用户的同步通信，完成一小型跳频局域网的FPGA建模工作。三部跳频电台之一加载话音信号，采用开发系统中的音频编解码模块实现，另外两部电台加载随机数发生器所生成的二进制信号。根据电台话音通信质量情况可以对系统性能作出定性的评价，而本系统设计的误比特率计算模块的输出结果可以为系统性能评定给出定量的依据。
           
          2、系统原理与技术特点      
          1、应用背景与研究意义
          通信对抗作为电子战的一个重要组成部分，已得到各方的高度重视。采用跳频方式进行通信是一种有效的通信手段。
           
          自适应技术与跳频技术相结合形成自适应跳频技术，是近年来跳频通信重要的一个发展方向。自适应跳频是将跳频频率点与干扰的出现联系起来，在跳频频段出现较大带宽的干扰时，系统能够自动识别干扰，实时自适应地改变跳频图案，跳到没有干扰的频段上去，以克服部分频带干扰的影响。法国的PR4G战斗跳频电台具有自适应跳频功能，当敌方施放宽带干扰时，电台能够自动切换到未被干扰信道上进行搜索，整个跳频通信网可以自动的转到无干扰或未被占用的频率上工作。干扰停止后可以自动回到原来的跳频方式工作，这种电台在40%的跳频信道受到干扰时，依然能够使话音可懂。
           
          国内首创的“多合一”的自适应技术已经成功应用到新一代的短波战术跳频通信系统中。实际通信表明：自适应跳频电台能够有效利用50%左右的现有信道。由此可见，采用这种自适应跳频设计思想的第二代跳频电台，是大势所趋。因为新一代跳频电台的工作灵活性更大，可靠性更好，保密性更强，能够适合在各种复杂的电磁环境下进行可靠的通信。现代自适应通信实际电路的中断率可减少 ,线路利用率可提高 ，平均在 的内信道误码率可以保持在 ，因而给高频通信，特别是军用通信带来明显的好处。但自适应通信由于增加了频率避扰功能，因此通信中会有多次同步，对失步后的再同步能力要求更高。另外现代军用跳频通信中，提高抗干扰性能最有效的方式就是提高跳频速率，跳速的提高也对同步的速度提出更高的要求。因此，研究一种针对自适应跳频通信的高效同步方案显得极为迫切。
           
          2、系统原理及系统框图
          （1）自适应双频跳频通信系统（与动态双频跳频同步方案相对应的自适应通信系统）
          双频同步方案已被理论分析和仿真实验证明具有良好的同步性能，以三个用户为例，该方案可描述如下（见图1）：
           
          首先，所有用户的跳频序列发生器设置相同的初始状态，即具有相同密钥?和x0，当通信双方只有一方开机或两方都未开机时，系统在预置频率上等待，不进行通信；都已开机后，用户在控制信号作用下从等待状态转为工作状态;
        接着，每个用户在事先分配好的时隙内按照双频同步方案完成同步，即f11传输信息过程中，f21已经产生并准备好起跳，直到f11结束，马上转换到f21进行通信，与此同时，f11向f31跳转，建立f31后等待，直到f21通信结束，系统转到f31上进行通信，同时f21向f41跳转，…，如此循环下去，系统始终保持在两个交替向前动态变化的频率上进行通信，实现信息的保密传输；
           
          最后，若其中某个用户在连续M个时隙内无消息发送，则认为该用户已下线，否则认为该用户出现故障或为迟入网用户。M值可根据系统要求及应用环境确定。
           

       

        图1 多用户跳频通信系统双频同步方案

         

          3、电台总体结构

       

        图2 N个用户的双频跳频系统设计框图

         

          除DDS和调制解调外，本设计各模块都将在后面有介绍，USB通信控制模块为与上位机的一个接口，通过该接口完成跳频参数的设置和更改。
           
          （1）跳频序列（频率控制字）产生原理过程
          跳频系统中，跳频带宽和可供跳变的频率（频道）数目预先定好。频道有频率控制字控制频率合成器（DDS）产生，且要求必须是伪随机的，图3为跳频序列发生器的结构图：
           

       

        图3 跳频序列产生过程（以发射机为例）

         

          TOD（Time of Data）是实时时钟，PK(Primary Key)是跳频原始密钥，TOD与PK运算后即形成一种流动密钥，控制混沌迭代单元，然后对伪随机码进行线性变换，从而产生频率控制字，不同的频率控制字对应一张频率表中的一个频率。、
           
          （2）避扰（自适应）模块结构
          避扰性能的良好发挥建立在大部分电台已经入网的基础上。以三用户小型网络为例，电台工作时序图如下：
           

       

           

        图4跳频局域网络通信系统的同步保持频率关系

       

       

        图 5 避扰流程图

         

          （3）同步建立流程图
          根据自适应动态双频跳频理论，电台从开机到同步建立的工作流程图如下：

       

        图6 自适应动态双频跳频同步建立流程图

           
          其中延时程序中规定的时间具体值和系统计算时间的开销在FPGA实现时，由试验测定给出。
        （4）同步保持状态下电台收发状态转换图（以三电台为例）
          根据自适应动态双频跳频理论，任一部电台在发射信息期间，网内电台处于接收信息的状态。3部电台每部电台应配置5个解调器，其中3个解调器用来解调各电台的已调信号，另外两个在避扰时用来探测干扰频率。在系统设计中设计一专用寄存器实时读取此三个解调器的状态。例如：在电台1发射http://www.eefocus.com/rf-microwave/335126/file:///C:UsersADMINI~1AppDataLocalTempmsohtmlclip1\01clip_image056.gif期间，电台2和电台3在它的并行解调器上收到信息且完成解调，那么该寄存器值为00000001；电台2发射http://www.eefocus.com/rf-microwave/335126/file:///C:UsersADMINI~1AppDataLocalTempmsohtmlclip1\01clip_image091.gif期间，根据双频跳频规则，此时http://www.eefocus.com/rf-microwave/335126/file:///C:UsersADMINI~1AppDataLocalTempmsohtmlclip1\01clip_image056.gif仍存在信道中，那么电台1和电台3在其并行解调器上收到信息并完成解调，解调器状态寄存器值为00000011。各电台根据寄存器状态的值决定是否发送下一频率，其状态转换图如下：
           
           
           

       

        图 7 同步保持状态下电台收发状态转换图

           
          4、电台主要技术参数及系统框图
          （1）跳频主要技术参数。
          信道间隔：25khz,跳速：516hops/s,数字话音传输速率16kbit/s。考虑到实际传送数据率的计算需要的包括换频、数据保护等开销，约占数据率的20%左右，即在实际信道中传送的数据率约为20kbit/s，由此可得带宽效率http://www.eefocus.com/rf-microwave/335126/file:///C:UsersADMINI~1AppDataLocalTempmsohtmlclip1\01clip_image100.gif，可以满足系统带宽要求。
           

       

        图 8 系统实现逻辑框图

         

          （2）系统功能描述（参照图8）
              系统建立了三个用户，其中用户1发送信息为系统板采集的话音信号，用户2和用户3发送随机二进制信号。用户1接收来自用户2的随机二进制数，用户3接收来自用户1的话音信号。系统功能实现后，用户1的接收机输出和用户2的发送信息相比较，可以计算系统误码率。通过电台3的话音输出可懂度可以检验该系统的实际通话质量。通过编写上位机软件，可以利用USB接口对跳频参数进行设置。
           
          （3）系统模块介绍（参照图8）
          本设计拟完成的工作包括：在Virtex-II PRO(V2-Pro)开发系统上构建完整的自适应双频跳频通信系统，编程实现发射机、接收机的各种基带信号处理算法，编程实现跳频同步控制和避扰功能，并对AWGN信道、Rice平坦衰落信道、Rice频率选择性衰落信道、Rayleigh平坦衰落信道和Rayleigh频率选择性衰落信道等五种信道环境进行软件模拟，通过程序模拟实际信道的非理想情况，对真实的无线通信环境作抽象和近似，以此验证系统设计的正确性。
           
          要实现的主要模块包括：
          （1）数据的采集和输出模块
          对于话音信号，利用开发系统自带的音频I/O接口和音频解码芯片LM4550（符合AC97标准）完成；通过USB接口，在PC和开发板之间完成数据交换。
           
          （2）接收与发送缓冲模块
          设计合理的缓冲区结构，对接收和发送的数据进行缓冲存储，使数据收发和数据处理并行完成。
           
          （3）基带信号处理模块
          包括散布电台的收发信机、跳频同步控制以及避扰三部分，实现图2中各种信号处理算法。
           
          （4）信道建模与仿真模块
          通过USB通道或者DIP开关将信道参数传给FPGA，FPGA调用相应的函数模拟信号通过信道的传输过程。