基于VHDL跳频信号发生器设计与仿真

1、沈阳理工大学学士学位论文摘 要随着个人通信业务的发展以及全球定位系统的应用，到现在为止，使用扩频技术的用户已经超过1亿。跳频技术是扩频通信一种，它具有高抗干扰性、高抗截获得能力的扩频技术。现在它不仅已经在军事通信中大展身手,较好地满足了现代战争提出的电子对抗与反对抗要求,而且在民用通信中也展示出良好的应用前景。本文首先论述了跳频通信的发展历程，并对扩频通信的基本原理和基本模型加以介绍。重点介绍了跳频通信的相关知识，详细分析了跳频通信的数学模型，并举例说明了跳频技术的应用。实现了跳频信号发生器的整体及其组成模块的设计。对于整体及其组成模块设计完全采用VHDL语言编写。最后，利用Xilinx IS

2、E和Modelsim对主要模块的仿真结果进行验证，包含总体顶层模块，分频模块，伪随机码模块、基带信号模块，延时模块，数字频率合成模块。为了与硬件方面的仿真作比较，还通过Matlab这个平台进行了软件方面的仿真。最终两方面的仿真结果表明了本次设计无误。关键词:扩频通信； 跳频通信；VHDL；伪随机码；数字频率合成 AbstractWith the development of personal communication services and the application of global positioning system, up to now, the use of spread

3、spectrum technology has more than 100000000 users. Frequency hopping spread spectrum communication technology is a kind of, it has high anti-interference ability of spread spectrum technique, high resistance to cutting. Now it has been in the military communication show, to better meet the modern wa

4、r puts forward electronic countermeasures and counter-countermeasures requirements, but also in civil communication also showed a good prospect of application .This paper discusses the development and significance of frequency hopping, and the fundamental principle of spread spectrum communication a

5、nd basic models to be introduced Introduced the related knowledge of frequency hopping communication, analyzes the mathematical model of frequency hopping communication in detail, and illustrates the application of frequency hopping technology. The overall design of FH signal generator and its modul

6、es. For the whole and module design using VHDL language. Finally, the simulation results of main modules are verified by Xilinx ISE and Modelsim, including the overall top module, frequency module, pseudo-random code module, a baseband signal module, a time delay module, digital frequency synthesis

7、module. In order to simulation and hardware aspects of the comparison, also using the Matlab simulation software. The final simulation two aspects of the results show that the design is correct.Keywords:Spread sprctrum communication;Frequency-hopping communication;VHDL; Pseudo-random code;Digital fr

8、equency synthesis目 录摘 要IAbstractII1 绪论11.1 研究背景11.2 发展状况11.3 论文主要研究内容32 扩频通信系统的基本原理52.1 扩频通信的基本概念52.1.1 扩频通信系统的分类52.1.2 扩频通信理论依据62.1.3 扩频通信系统的性能指标72.2 扩频通信系统的基本模型72.3 跳频通信的相关知识及基本原理82.3.1 跳频通信基本概念82.3.2 跳频通信系统的分类92.3.3 跳频通信的特点92.4 跳频通信系统的数学模型102.5 跳频技术的应用132.5.1 跳频通信的应用132.5.2 跳频技术在卫星通信应用143 跳频信号发生器

9、的设计163.1 FPGA硬件平台介绍163.2 跳频信号发生器整体结构设计173.3 跳频信号发生器关键模块设计183.3.1 分频模块设计183.3.2 基带信号模块设计193.3.3 伪随机码模块设计203.3.4 译码器模块设计213.3.5 数字频率合成模块设计213.3.6 延时模块设计224 跳频信号发生器实现结果234.1 软件介绍234.2 各模块基于Modelsim平台仿真244.2.1 5000分频模块波形仿真图244.2.2 500000分频模块波形仿真图254.2.3 基带信号模块波形仿真图264.2.4 伪随机码模块波形仿真图264.2.5 3/8译码器模块波形仿真

10、图274.2.6 数字频率合成模块的实现284.2.7 延迟器模块波形仿真图294.3 跳频信号发生器模块基于Modelsim平台仿真304.4 基于Matlab与Modelsim平台仿真对比31总 结37致 谢38参考文献39附录A 英文原文40附录B 中文翻译44附录C 源程序47IV沈阳理工大学学士学位论文1 绪论1.1 研究背景无线通信多在地形、地物都比较复杂的环境和条件下进行，因而往往需要解决自然和人为的干扰、多径干扰及实现多址联接等许多复杂的技术问题。可以说，目前还没有一种通信技术像扩频通信技术那样能同时解决这样复杂的技术问题，所以现代的各种无线通信网，如分组地面无线通信网、地面移

11、动无线通信网、分组卫星通信网、室内无线通信网等新的组网方式中，无不采用扩频通信技术1。扩频技术这一概念早在40年代末就已提出，并于60年代研制成实用的扩频系统。最初扩频系统主要用于军事通信领域，以解决抗干扰、保密、频道拥挤以及多个用户在同一宽带信道传输等问题。随着电子技术的发展，现代扩频技术不仅广泛地用于民用通信领域，而且也成功地用于导航、雷达、电子对抗、测量、医疗仪器等领域。由于扩频系统抗干扰能力强，信号隐蔽难于侦察，而且可以获得较高的距离分辨率和测距精度，因此将扩频技术用于引信可以大大改善引信的抗干扰性能4。跳频扩频通信是扩频通信的一种，是以载波频率的跳变进行通信的。这种通信可以有效地躲避

12、干扰，已成为抗电子干扰的主要手段。系统的信道数、载波的带宽、跳频的速率和跳变的伪随机性是抗干扰的重要技术指标。信道数越多，带宽范围越大，跳变的速率越快，频率跳变的规律越接近随机变化，就越难以被敌方干扰8。 本文在研究扩频技术机理的基础上，对应用广泛且抗干扰性能强的跳频技术进行深入分析，并基于VHDL语言，进行了跳频信号发生器的设计与仿真实现，为跳频通信发射机的研制，提供工程基础。1.2 发展状况扩频通信技术诞生得较早，从20世纪40年代起，人们就开始了对扩频技术的研究，其抗干扰性、抗窃听、抗测向等方面的能力早己被人们熟知。但由于扩频系统的设备复杂等多方面的原因，致使扩频通信技术一直都发展得较为

13、缓慢。自50年代中期美国军方开始研究，扩频通信技术一直为军事通信所独占，广泛应用于军事通信、电子对抗以及导航、测量等各个领域1。进入20世纪60年代后，随着科学技术的迅猛发展，许多新型器件的出现，特别是大规模、超大规模集成电路、微处理器、数字信号处理(DSP)器件、扩频专用集成电路(ASIC)以及FPGA等这样的新型器件的问世，使扩频通信技术有了重大的突破和发展7。跳频通信作为扩频通信的一个分支，它的突出优点是抗干扰性强，适合应用于军事领域70年代末，第一部跳频电台问世以后，就预示着其发展势头锐不可挡。到了80年代，世界各国军队普遍装备跳频电台。这十年是跳频电台发展速度最快的十年。广泛使用跳频

14、电台曾被称为80年代VHF频段无线电通信发展的丰要特征。90年代，跳频通信如虎添翼，在军用跳频通信领域已相当成熟的同时，跳频通信的应用又拓宽到民用领域。业内人士指出，跳频通信是对抗无线电干扰的有效手段，称其为无线电通信的“杀于锏”4。跳频通信是如此的神奇，因此自其问世至今，倍受世界各国特别是几大军事强国的青睐。跳频通信的发展历程可概括为：40年代末理论先导，60年代研制攻关，70年代末产品问世，80年代逐步推广，90年代广泛应用，21世纪飞速发展。诚然，跳频通信是由电子对抗而首先应用于军事领域的。但是，它在民用通信的应用也越来越受到人们的密切关注。目前，跳频通信的理论和技术已很成熟8。1、跳频

15、通信在军事通信中发展跳频通信自问世以来之所以如此迅猛发展，这主要得益于跳频通信本身所具备的突出优点。这些优点又能符合现代信息战条件下电子对抗的要求。目前，跳频系统的跳速维持在如下水平：短波电台100跳/秒，超短波电台500跳/秒。但每秒千跳以上的跳频电台也已问世。可以乐观地预测，到了21世纪，跳频电台的跳速可发展到每秒几万跳，甚至每秒百万跳。跳频带宽一般可工作到全频段。跳频频率集虽然目前已达到300个的水平，但上万个频率集的跳频系统也已研制出来。跳频系统的同步时间目前已达到几百毫秒的数量级，今后必定越来越短。因为，同步建立时间越短，信息被敌方发现、截获和测向的概率就越低，通信的隐蔽性越好6。当

16、然，通信干扰与反干扰是一对矛盾，它们互相制约，但又互相促进发展。跳频通信并不惧怕单频干扰和多频干扰，但跟踪式干扰是跳频通信的“天敌”。跟踪式干扰的步骤是：侦听、处理、施放干扰。当本方截获到敌方的跳频图案后，迅速地以同样的跳频图案施放干扰，由于两个跳频图案的矢量迭加必然带来接收方的一片盲然，致使敌方无法达成正常的跳频通信。据报载，国外已有能同时监视80个相邻信道，扫描搜索速度为80,000信道/秒的侦察接收机问世，这种侦察接收机的截获跳频图案的概率几乎达到100。这是迄今为止对付跳频通信最理想的反干扰手段。为了对付跟踪式干扰，人们总是希望尽可能缩短跳频信号的驻留时间，使侦察接收机无可乘之机。这就

17、要求跳频系统的跳速尽可能快。基于这方面考虑，目前世界各国竞先研制快速跳频通信装备。另外，跳频系统的技术发展又受到元器件、编解码技术等因素的制约。目前，跳频速率尚未达到每秒5000跳。若达到这个水平，则目前的跟踪式干扰机便无能为力了。为此，跳频通信将向以下两个方面发展：一个是跳频与直接序列扩频混合使用方式，另一个是跳频与直接序列扩频、跳时三者混合使用方式。这样可以优势互补，共同发展。 2、跳频通信在民用通信中发展90年代以来，跳频通信在军事通信领域的应用中取得巨大成就的基础上，又开始向民用通信领域进军。原因有二：一是“无线革命”的兴起。数字蜂窝移动通信、个人通信、室内无线通信等新兴通信方式，要求

18、解决频带拥挤问题，由于跳频通信的频谱利用率较高，因此，人们自然就考虑到采用跳频通信来解决这个问题。二是市场需求的推动。采用新的通信技术不仅出于占有国内市场的考虑，也是为了争取国外市场5。在移动通信领域，扩容乃当务之急。跳频或扩频码分多址技术的增容潜力无比强大。据专家估算，采用跳频或扩频码分技术后，目前的容量可提高20倍。这是一个十分惊人的数字。为此，许多专家学者纷纷倡导采用跳频或扩频码分多址技术来解决扩容问题。 在有线通信领域，考虑到一方面扩建需要巨大的投资，另一方面，无线个人通信又可作为有线通信网的应急手段，因此，跳频也是一条值得通信系统建设考虑的途径。如果采用跳频通信，可以预见未来会有“无

19、线城市”和“无线办公室”的不断涌现。另外，加强在光纤通信中应用跳频技术的研究，也是跳频技术的一个发展方向。 在一些要求信息保密的部门或场所，如公安部门、安全部门、政法部门、证券市场等，采用跳频通信作为其内部通信，则可以起到保密信息的作用，原因是跳频通信被截获的概率很低。在广播领域，原先的一个调频电台只能传送一个单声道和一个立体声节目，采用跳频技术后，则可传送75个立体声调频节目，而且是数字信号。1.3 论文主要研究内容第1章是绪论，介绍了论文的研究背景，在军事和民用跳频频通信的发展状况。第2章介绍了扩频技术的基本原理及特点，包括扩频通信的基本概念和扩频通信的基本模型。并对扩频通信之一中的跳频通

20、信进行详细的阐述，包括对相关知识，基本原理及数学模型方面的阐述。并列举了跳频通信的具体应用。第3章介绍了FPGA硬件平台的知识，给出跳频信号发生器的整体设计模块框图。分别介绍了组成模块的设计的RTL图。第4章基于第3章的设计思路利用相关软件对各个组成模块及整体模块进行仿真检验，并对结果进行分析。第5章是全文总结，总结了本次论文的设计过程及下一步的研究。2 扩频通信系统的基本原理2.1 扩频通信的基本概念扩频通信，也被称为扩展频谱通信(Spread Spectrum Communication)，它与卫星通信、光纤通信，皆被称作是进入信息时代以后的三大高新科学技术通信传输方式。扩频通信就是将伪随

21、机编码(扩频序列Spread Sequence)与等待传送的信息数据进行调制，目的是实现频谱扩展后再传输；采用一样的编码进行解调及相关处理在接收端则是必须的，来保证原始信息数据的回复。普通的窄道通信方式与扩频通信方式是不一样的： 其中之一是经过相关处理后以恢复成窄带信息数据； 之二是信源信号的频谱扩展后形成宽带传输1。2.1.1 扩频通信系统的分类 扩展频谱通信系统中，按其工作方式可以分为：直接序列扩展频谱系统(DS)、跳变频率扩展频谱系统(FH)、跳变时间扩展频谱系统(TH)、线性调频系统(Linear Frquency Modulation)和混合工作方式系统2。(1) 直接序列扩频系统(

22、DSSS)：它通常用一段伪随机序列（又称为伪码）表示一个信息码元，对载波进行调制。伪码的一个单元称为一个码片（chip）。由于码片的速率远高于信息码元的速率，所以已调信号的频谱得到扩展3。(2) 跳频扩频系统(FHSS)：它是用二进制伪随机码序列去控制射频载波振荡器输出信号的频率，使发射信号的载波频率随伪随机码的变化而跳变。频率跳变系统可供随机选取的载波频率数通常是几千到几万个离散频率，在如此多的离散频率中，每次输出一个由伪随机码决定3。(3) 跳时扩频系统(THSS)：它是使发射信号在时间轴上离散地跳变。我们先把时间轴分成许多时隙，这些时隙在时间跳变扩频通信中通常称为时片，若干时片组成一跳时

23、时间帧。在一个时间帧内哪个时隙发射信号由扩频码序列来控制。(4) 线性调频系统(Linear Frquency Modulation)：在这种系统中，载波在一个信息码元时间内，在一个宽的频段中线性地变化，从而使信号带宽得到扩展。由于此线性调频信号若工作在低频范围，则它听起来像鸟声（chirp）,故又称“鸟声”调制3。(5) 以上前三种基本扩频方式中的两种或多种结合起来，便构成了一些混合扩频体制，如FHDS，DSTH，FHTH等，它们比单一的扩频、跳频、跳时体制具有更优良的性能18。在通信中，用的最多的扩频方式就是直扩和跳频，本文所要设计的就是性能最好的跳频系统中跳频信号发生器。 2.1.2 扩

24、频通信理论依据扩频系统比一般的系统具有更强的抗多径干扰、抗人为干扰、抗窄带干扰的能力，此外还具有保密性高、低的空间无线电波通量密度等优点。其理论依据2如下。 根据著名的香农公式：在白噪声干扰条件下，通信系统的信道容量为 C=Blg1+S/Nbit/s (2.1)其中：B为信道带宽(Hz) S为信号平均功率(W)N为噪声平均功率(W) 从式子(2.1)可以看出： (1)要增加系统的信息传输速率，即增加信道容量，可以通过增加传输信号的带宽(B)或增加信噪比(S小)来实现。(2)对于一个给定的信道容量而言，既可以用增大信道带宽同时相应降低信噪比的办法达到，也可以用减小信道带宽同时相应增大信噪比的方法

25、实现。这就是说：信道容量可以幂l用带宽和信噪比的互换而保持不变。 (3)当带宽增加到一定程度后，信道容量C不可能无限制地增加2。 为了提高信息的传输速率C，可以从两种途径实现2，即加大带宽W或提高信噪比S/N。换句话说，当信号的传输速率C一定时，信号带宽W和信噪比S/N是可以互换的，即增加信号带宽可以降低对信噪比的要求，当带宽增加到一定程度，允许信噪比进一步降低，有用信号功率接近噪声功率甚至淹没在噪声之下也是可能的。扩频通信就是用宽带传输技术来换取信噪比上的好处，这就是扩频通信的基本思想和理论依据1。 因此，在无差错传输的信息速率C不变时，如信噪比很低(SN很大)，则可以用足够宽的带宽来传输信

26、号。 2.1.3 扩频通信系统的性能指标扩频通信系统由于在发送端扩展了信号频谱，在接收端解扩还原了信息2，这样的系统带来的好处是大大提高了抗干扰容限。理论分析表明，各类扩频系统的抗干扰性能与信息频谱扩展后的扩频信号带宽比例有关。一般把扩频频信号带宽W与信息带宽F之比称为处理增益Gp，即： Gp=W/F （2.2）它表明了扩频系统信噪比改善的程度。除此之外，扩频系统的其他一些性能也大都与Gp有关。因此，处理增益是扩频系统的一个重要性能指标。干扰容限（Jamming Margin）的概念，用它来表示扩频系统在干扰环境中的工作能力。干扰容限不仅考虑了一个可用系统对输出信噪比的要求，而且顾及了系统内部

27、信噪比损耗，包括射频滤波器的损耗、相关处理器的损耗、放大器的信噪比损耗等。系统的抗干扰容限Mj定义如下： Mj=Gp-S/N)o+Ls (2.3) 式(2.3) 中： (S/N)o 输出端的信噪比Ls 系统损耗由此可见，抗干扰容限Mj与跳频处理增益Gp成正比，跳频处理增益提高后，抗干扰容限大大提高，甚至信号在一定的噪声湮没下也能正常通信。通常的扩频设备总是将用户信息(待传输信息)的带宽扩展到数十倍、上百倍甚至千倍，以尽可能地提高处理增益2。2.2 扩频通信系统的基本模型图2.2为扩频系统原理图，信号经过第一次调制信息调制(如信源编码) 成为数字信号，再进行第二次调制扩频调制5，即用一扩频码将数

28、字信号扩展到很宽的频带上，然后进行第三次调制，把经过扩频调制的信号搬移到射频上发送出去；在接收端，接收到发送信号后，经混频后得到一个中频信号，再用本地扩频码进行相关解扩，恢复成窄带信号，然后进行解调，将数字信号还原出来。 在接收的过程中，要求本地产生的扩频码与发端用的扩频码完全同步。信息调制扩频调制射频调制扩频码发生器射频发生器变频扩频解调信息解调本地射频发生器本地扩频码发生器信息信息图2.1 扩频系统原理2.3 跳频通信的相关知识及基本原理2.3.1 跳频通信基本概念跳频是最常用的扩频方式之一，从通信技术的实现方式来说，“跳频”是一种用码序列进行多频频移键控的通信方式，也是一种码控载频跳变的

29、通信系统。我们在用收音机收听某电台，当电台在中波和短波两个波段上播放同一个节目时，有这样的体会：若中波波段信号不好，则随即换到短波波段收听；当短波波段信号不好，则又换回到中波波段收听。这种以更换波段的手段来改善收听效果的方法，就是跳频的通俗含义。只不过这种跳频仅在接收端发生，而且是由人工干预来实施跳频的。我们假设，当广播电台发送的频段也能“紧跟”收音机用户更换的话，那么，这种通信方式就是跳频通信。因此，跳频通信可这样描述：通信收发双方同步地改变频率的通信方式称为跳频通信17。与定频通信相比，跳频通信的载波频率一直在跳变。工作中，发方以相当快的速率（跳速）改变频率，收方必须与发方同步地改变频率，

30、双方才能保持通信。也就是说，跳频通信时，收发双方必须采用同一种跳频图案。跳频电台之间要成功地进行跳频通信，收发双方必须同时满足三个条件：跳频频率相同；跳频序列相同；跳频的时钟相同（允许存在一定的误差）。三个条件缺一不可，否则无法实现跳频通信。2.3.2 跳频通信系统的分类一般的跳频系统可根据跳频速率分为快速跳频（FFH）、中速跳频（MFH）和慢速跳频（SFH）。有两种划分方式来确定快、慢速跳频。第一种是将跳速（Rh）与信息速率（Ra）相比来划分，若跳频速率大于信息速率，即RhRa，则为快速跳频；反之，RhRa为慢速跳频。另外一种划分方式是以跳速来划分。SFH：Rh的范围是10100h/s，如以

31、色列的VHF-88、美国的Scimitar-H；MFH：Rh的范围是100500h/s，如美国的SINCGARS-V；FFH：Rh大于500h/s，如美国的Scimitar-V。跳频速率不同，抗干扰性能不同，复杂程度和成本也就不同。快速跳频抗干扰能力极强，基本上认为是不可被破解的。但系统成本较高，目前只用在军事通信领域18。2.3.3 跳频通信的特点跳频系统的特点，在很大程度上取决于它的扩展频谱机理。跳频扩展频谱在机理上与直接序列扩展频谱大不相同，每一跳频驻留时间的瞬时所占的信道带宽是窄带频谱，依照跳频图案随时间的变化，这些瞬时窄带频谱在一个很宽的频带内跳变，形成一个跳频带宽。1、抗干扰性能强

32、 跳频通信抗干扰的机理是“打一枪换一个地方”的游击策略，敌方搞不清跳频规律，因而具有较强的抗干扰能力。一方面，我方的跳频指令是个伪随机码，其周期可长达十年甚至更长的时间。另一方面，跳变的频率可以达到成千上万个。因此，敌方若在某一频率上或某几个频率上施放长时间的干扰也无济于事。另外，跳频频率受伪随机码控制而不断跳变，在每一个频率的驻留时间内，所占信道的带宽是很窄的。由于频率跳变的速率非常快，因而从宏观上看，跳频系统又是个宽带系统，即扩展了频谱。事实上，跳频的带宽就是频率的数目与每个频率所占信道带宽的乘积。由扩频通信理论可知，扩展频谱的好处可以换取更好的信噪比。也就是说，如果扩展了频带，就可以在较

33、低的信噪比的情况下，照样可用相同的信息速率、任意小的差错概率来传递信息，甚至在信号被噪声完全湮没的情况下，也能保持可靠的通信。由此可见，抗干扰性强是跳频通信最突出的优点。2、频谱利用率高 人们早已认识到频谱资源十分宝贵，因此，提高频谱利用率也是现代通信的基本要求之一。跳频通信可以利用不同的跳频图案或时钟，在一定带宽内容纳多个跳频通信系统同时工作，达到频谱资源共享的目的，从而大大提高频谱利用率4。3、易于实现码分多址 多址通信是指许多用户组成一个通信网，网内任何两个用户都可达成通信，并且多对用户同时通信时又互不干扰。应用跳频通信可很容易地组成这样一个多址通信网。网内各用户都被赋于一个互不相同的地

34、址码，这个地址码恰似电话号码。每个用户只能收到其他用户按其地址码发来的信号才可判别出是有用信号，对其他用户发来的信号，则不会被解调出来。4、兼容性 对于跳频通信而言，兼容的含义是指一个跳频通信系统可以与一个不跳频的窄带通信系统在定频上建立通信。显而易见，兼容的好处在于，先进的跳频电台可与常规的定频电台互通。这在跳频电台的研制上比较容易实现只要将常规电台加装跳频模块即可变成跳频电台。显然，跳频模块是整个跳频电台的关键部件7。5、解决了“远近”问题 “远近”问题对直扩系统的影响很大，对跳频系统来说，这种影响就小得多，甚至可以完全克服18。6、时间短、入网快 采用快跳频和纠错编码系统用的伪随机码速率

35、比直扩系统的低得多，同步要求比直扩系统的低，因而时间短、入网快18。2.4 跳频通信系统的数学模型跳频系统的组成如图2.2和图2.3所示。用信源产生的信息流去调制频率合成器产生的载频，得到射频信号。频率合成器产生的载频受伪随机码的控制，按一定规律跳变。频率合成器扩频码发生器指令译码器跳频指令atdtst图2.2 发射系统射频滤波器中频滤波器频率合成器指令译码器扩频码发生器rtbtutvt图2.3 接收系统发射机频率合成器输出的信号为 at=Ak=-cos2fkt+kgTct-kTc (2.4)其中gTct是高为1、底边宽为Tc的闸门函数 gTct=1 tTc/20 t<Tc/2 (2.5

36、)由于离散频率f1,f2,fk,组成这一频率序列，这个频率序列的周期为N,即fk=fk+N，因而式（2.4）可改写为 at=Ak=1Ncos2fkt+kgTct-kTc*m=-t-mNTc (2.6)式（2.6）是跳频信号的另一种时域表示方法，但在采用式（2.4）的表示方法，要注意fk是一周期为N的频率序列。频率跳变扩频发射机输出的信号为 st=Adtk=1Ncos2fkt+kgTct-kTc*m=-t-mNTc (2.7)跳频信号st经过信道传输后，受到各种干扰信号的污染，假如不考虑传播损耗，则接收机收到的信号为rt=Adt-Tdk=1Ncos2fkt+'kgTct-kTc-Td*m

37、=-t-mNTc+Jt+Nt (2.8) 式（2.8）中： Td 信道传播时延 Jt 各种干扰信号，包括同一系统内的其他多址信号Nt 高斯白噪声假设跳频接收机对接收信号的处理是线性（广义）的，可以用叠加定理分别对干扰信号和有用信号进行分析。将输入信号进行分解，然后分别考虑各自通过接收机的相应。跳频接收机频率合成器输出的参考本振信号为 bt=2k=1Ncos2(fk+fIF)t+kgTct-Td-kTc*m=-t-mNTc (2.9)式（2.9）中，fk+fIF=fr为接收机的参考本信号频率，fk是对接收信号频率fk的估值，fIF是接收机的中频频率，Td是对接收信号时延Td的估值，k是对接收信号

38、相位k'的估值。首先考虑有用信号st通过接收系统的相应，假设各种干扰都为零。接收信号rt经射频滤波器滤波后，与本地跳频频率合成器输出的参考信号混频（相乘），混频器的输出为 ut=Adt-Tdk=1Ncos2fk+'kgTct-kTc-Td*m=-(t-mNTc)×2i=1Ncos2fi+fIFt+igTct-Td-iTc*m=-t-nNTc (2.10)假设中频滤波器是带宽为BIF的理想窄带带通滤波器，其传输函数为 Hf=12 f-fIFBIF20 f-fIF>BIF2 (2.11)式（2.11）中系数1/2是归一化常数。设其冲击响应为ht，则中频滤波器的输出为

39、 vt=-uaht-ada (2.12)2.5 跳频技术的应用2.5.1 跳频通信的应用随着跳频技术的不断发展，其应用也越来越广泛。战术电台中采用跳频技术的主要目的是提高通信的抗干扰能力。早在70 年代，就开始了对跳频系统的研究，现已开发了跳频在VHF 波段(30300MHz）的低端3088MHz、UHF波段(300MHz 以上）以及HF 波段(1.530MHz)的应用。随着研究的不断深入，跳频速率和数据数率也越来越高，现在美国Sanders 公司的CHESS 高速短波跳频电台已经实现了5000跳/秒的跳频速率，最高数据数率可达到19200bps。此外，CHESS跳频电台与一般的跳频电台还有所

40、不同，它以DSP 为基础，采用了差动跳频（DFH)技术。通过现代数字处理技术，CHESS跳频电台较好解决了短波系统带宽有限(导致数据速率低的原因)、信号间相互干扰、存在多径衰落等的问题。同时，它的瞬时信号带宽很窄，对其它信号的影响很小。可以看到，实现更高跳速、更高数据速率的跳频电台正是跳频通信系统的未来发展方向，软件无线电的概念也已逐渐应用到新型的跳频电台中。短波自适应跳频电台已经在当前的军事通信中占有了很重要的一部分。与VHF/UHF频段不同，短波信道有许多固有特点，例如，受多径时延、幅度衰落、天气变化等因素的影响，信道条件变化莫测。但是随着各种新技术的出现，短波通信的可靠性得到了技术上的保

41、证，而自适应跳频技术就是这些新技术中的一种。它通过分析波段上的频率占用率，自动搜索无干扰或未被占用的跳频信道进行跳频，不仅避免了自然干扰，也不会受到短波频谱大量占用的影响。它会根据需要自动地改变跳频序列，有效的适应恶劣环境。它在海湾战争中体现出的优越性引起了各国的高度重视19。 在现有的DS/CDMA 系统中，远近效应是一个很大的问题。由于大功率信号只在某个频率上产生远近效应，当载波频率跳变到另一个频率时则不受影响，因此跳频系统没有明显的远近效应，这使得它在移动通信中易于得到应用和发展。在数字蜂窝移动通信系统中，如果链路间采用相互正交的跳频图案同步跳频，或者采用低互相关的跳频图案异步跳频，可以

42、使得链路间的干扰完全消除或基本消除，对提高系统的容量具有重要意义。此外，跳频是瞬时窄带系统，其频率分配具有很大的灵活性，在现有频率资源十分拥挤的条件下，这一点具有重要意义。2.5.2 跳频技术在卫星通信应用1、跳频通信应用实例在第一次海湾战争中，据报道美军平均有70万份信息在空中信道顺畅传输，之所以畅通无阻，并不是伊军没有施放电子干扰，而是伊军的电子侦察干扰系统在美军的跳频电台面前无能为力。跳频（FH）采用多个载波频率并在这些频率间随机跳变，从而形成抗干扰能力。跳频技术在通信领域中有多种应用，如短波通信中的跳频电台可克服频率选择性衰落；在军事通信中可作为抗干扰措施，使敌方无法接收到有用的信号；

43、跳频也可作为多址手段。而如今跳频技术已成功应用于军事卫星通信中19。2、跳频卫星系统抗干扰模型干扰容限J/S是表示系统抗扰能力的重要指标。J/S的含义是系统抗干扰后的剩余得益，也就是接收机的输出信噪比为可接收的条件下，接收机输入端能抵抗得住干扰的数量。J/S的表示式为： JS=X×WR×1/EbNb （2.13）上式W/R带宽扩展因子（也称处理增益），较高的W/R表示该系统有较高的处理增益进行抗干扰。在跳频卫星通信系统中，通信信号、干扰信号和噪声同时经过上行链路和星上处理转发器传送到下行链路。其中，干扰信号的样式主要有：带宽阻塞式干扰、部分频带式干扰、多音式干扰、跟踪式干扰

44、、转发式干扰。其干扰模型如图2.4所示。从模型中我们可以看出，干扰下行链路是对跳频卫星通信系统的最大威胁。在下行链路Lds和Ldj是由通信信号和干扰信号所经历的自由空间聚类和自然现象对电波所造成的损坏决定，Gss和Gsj是由星上天线的空间分辨力决定,Ns是卫星天线的噪声温度所决定。星上处理转发器可以隔离上行和下行的干扰和噪声的影响，能够最优第利用星上宝贵的功率资源。在星上处理转发器中，接收到的上行复合信号经过星上处理转发器的处理和放大后。通过下行链路发送到用户。星上处理转发器对上行信号进行解跳解调，还原为原始数字信号，然后在调制再跳频6。调制跳频上行信号损耗信号方向卫星天线增益Gss+上行干扰

45、损耗干扰方向卫星天线增益Gsj解跳解调调制跳频功率放大器解调+解跳信号方向接收机天线增益Grs下行信号损耗Lds地球站接收天线噪声干扰方向接收机天线增益Grj下行干扰损耗Ldj卫星接收噪声Ns信号信号跳频干扰信号图2.4 跳频卫星通信系统抗干扰模型图3 跳频信号发生器的设计考虑到使用FPGA器件进行数字系统设计，不仅可以简化设计过程，而且可以降低整个系统的体积和成本，增加系统的可靠性，本章对跳频信号发生器进行基于FPGA的设计。3.1 FPGA硬件平台介绍FPGA采用了逻辑单元阵列LCA（Logic Cell Array）这样一个概念，内部包括可配置逻辑模块CLB（Configurable L

46、ogic Block）、输出输入模块IOB（Input Output Block）和内部连线（Interconnect）三个部分。现场可编程门阵列（FPGA）是可编程器件，与传统逻辑电路和门阵列（如PAL，GAL及CPLD器件）相比，FPGA具有不同的结构，FPGA利用小型查找表（16×1RAM）来实现组合逻辑，每个查找表连接到一个D触发器的输入端，触发器再来驱动其他逻辑电路或驱动I/O，由此构成了既可实现组合逻辑功能又可实现时序逻辑功能的基本逻辑单元模块，这些模块间利用金属连线互相连接或连接到I/O模块。FPGA的逻辑是通过向内部静态存储单元加载编程数据来实现的，存储在存储器单元中

47、的值决定了逻辑单元的逻辑功能以及各模块之间或模块与I/O间的联接方式，并最终决定了FPGA所能实现的功能，FPGA允许无限次的编程14。FPGA一般由三种可编程电路和一个用于存放编程数据的SRAM组成，这三种可编程电路是：可编程逻辑块CLB（Configurable Logic Block）、输入/输出模块IOB（I/O Block）和互连资源IR（Interconnect Resource）14，其基本结构如图3.1所示。CLB是FPGA的主要组成部分，是实现逻辑功能的基本单元，它主要由逻辑函数发生器、触发器、数据选择器等电路组成。IOB提供了器件引脚和内部逻辑阵列之间的连接，通常排列在芯片

48、的四周。主要由输入触发器、输入缓冲器、输出触发/锁存器和输出缓冲器组成9。每个IOB控制一个引脚，可被配置为输入、输出或双向I/O功能。可编程互连资源IR包括各种长度的金属连线线段和一些可编程连接开关，它们将各个CLB之间和CLB与IOB之间互相连接起来，构成各种复杂功能的系统14。FPGA的功能由逻辑结构的配置数据决定。工作时，这些配置数据存放在片内的SRAM或熔丝图上。基于SRAM的FPGA器件，在工作前需要从芯片外部加载配置数据，配置数据可以存储在片外的EPROM或其他存储体上14。用户可以控制加载过程，在现场修改器件的逻辑功能，即所谓的现场编程（带电直接重新加载网表）。图3.1 FPG

49、A基本结构图3.2 跳频信号发生器整体结构设计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。跳频信号发生器的功能为根据伪随机码输出的信息，通过译码器模块译码后来选择不同频率的载波，在与基带信号模块产生的信息序列进行Bpsk进行调制，最终输出跳频信号。根据跳频信号产生模块的功能，并结合FPGA平台的器件特性，设计的跳频信号发生器的整体结构如图3.2所示。分频模块1基带信号模块伪随机码模块译码

50、模块数字频率合成模块延时模块信号调制模块时钟输入跳频信号输出分频模块2图3.2 跳频信号发生器的整体结构图根据系统需求，采用Xilinx 14.4开发平台，使用VHDL语言混合编写FPGA器件执行程序，软件设计流程如图3.3所示。开始初始化根据Gold序列选择频率控制字频率控制字解析选择DDS与信息码Bpsk调制跳频信号输出结束图3.3 跳频信号发生器系统流程图3.3 跳频信号发生器关键模块设计在理论分析基础上，进行基于FPGA的跳频信号发生器的关键模块设计。3.3.1 分频模块设计在系统时钟输入后，在时钟数目的控制下，时钟分频模块分别采用不同数目的分频。本次设计的要求每秒实现200跳，且为慢

51、跳频。所以在基带信号模块和伪随机码序列模块的输入时钟需根据设计要求接入到不同的时钟分频模块。设计的时钟分频模块的RTL图如图3.4和图3.5所示。 clk_masuclkmasu_out图3.4 时钟分频模块1的RTL图clk_outclkdiv_out图3.5 时钟分频模块2的RTL图3.3.2 基带信号模块设计基带信号单元在输入时钟上升沿的驱动下，每个时钟周期输出一个信息码。基带信号模块主要根据发送方所要传达的消息而产生相应的信息序列码。设计的时钟分频模块的RTL图如图3.6所示：clkrstseqsequencer图3.6 基带信号模块的RTL图3.3.3 伪随机码模块设计伪随机码模块主

52、要用来产生伪随机序列。序列中的每一个元素，对应于跳频频率集合中的一个频率，在伪随机序列的选择下，载波频率随机跳变，从而实现跳频通信。通信中用到的伪随机序列有m序列、Gold序列、Walsh序列等a0a1a2a3a4a5a6a7a8a9a0a1a2a3a4a5a6a7a8a9图3.7 10级Gold序列发生器结构图本次设计用到的就是Gold序列。它是m序列的组合码，是由两个码长相等、码时钟速率相同的m序列优选对进行逐位模2加得到的。Gold序列虽然是m序列模2加得到的，但已不是m序列，不过它具有与m序列优选对类似的自相关和互相关特性，而且构造简单，产生的序列数多。参见上图3.7。CACodeGeneratorPhase_S_L(5:0)Pnout(2:0)CLKINENRESET设计的伪随机码模块的RTL图如图3.8所示：图3.8 伪随机码模块的RTL图3.3.4 译码器模块设计dec3_8din(2:0)dout(7:0)译码器的功能为通过接收来自伪随机码模块的三位伪Gold的码序列，进行38译码，通过输出8位码中的高电平来使能8个载波频率中的一个。设计的译码器模块的RTL图如图3.9所示：图3.9 译码器模块的RTL图3.3.5 数字频率合成模块设计目前频率合成主有三种主要方法：