1.設(shè)計摘要

本設(shè)計定位為一話音跳頻通信系統(tǒng)，采用 Logistic混沌系統(tǒng)產(chǎn)生跳頻序列，同時采用一種同步字頭法與等待跟蹤法相結(jié)合的新型同步方案——動態(tài)雙頻同步方案實現(xiàn)同步。理論分析和仿真試驗均表明該方案實現(xiàn)方法簡單、抗干擾性能優(yōu)越、且同步建立迅速，具有很好的靈活性。在硬件實現(xiàn)上，擬在Virtex-II PRO（V2-Pro）開發(fā)系統(tǒng)中設(shè)計完成三個跳頻電臺（即3個用戶）的收發(fā)信機(jī)，并加載相應(yīng)信號，建立3個用戶的同步通信，完成一小型跳頻局域網(wǎng)的FPGA建模工作。三部跳頻電臺之一加載話音信號，采用開發(fā)系統(tǒng)中的音頻編解碼模塊實現(xiàn)，另外兩部電臺加載隨機(jī)數(shù)發(fā)生器所生成的二進(jìn)制信號。根據(jù)電臺話音通信質(zhì)量情況可以對系統(tǒng)性能作出定性的評價，而本系統(tǒng)設(shè)計的誤比特率計算模塊的輸出結(jié)果可以為系統(tǒng)性能評定給出定量的依據(jù)。

2.應(yīng)用背景與研究意義

通信對抗作為電子戰(zhàn)的一個重要組成部分，已得到各方的高度重視。采用跳頻方式進(jìn)行通信是一種有效的通信手段。

自適應(yīng)技術(shù)與跳頻技術(shù)相結(jié)合形成自適應(yīng)跳頻技術(shù)，是近年來跳頻通信重要的一個發(fā)展方向。自適應(yīng)跳頻是將跳頻頻率點(diǎn)與干擾的出現(xiàn)聯(lián)系起來，在跳頻頻段出現(xiàn)較大帶寬的干擾時，系統(tǒng)能夠自動識別干擾，實時自適應(yīng)地改變跳頻圖案，跳到?jīng)]有干擾的頻段上去，以克服部分頻帶干擾的影響。法國的PR4G戰(zhàn)斗跳頻電臺具有自適應(yīng)跳頻功能，當(dāng)敵方施放寬帶干擾時，電臺能夠自動切換到未被干擾信道上進(jìn)行搜索，整個跳頻通信網(wǎng)可以自動的轉(zhuǎn)到無干擾或未被占用的頻率上工作。干擾停止后可以自動回到原來的跳頻方式工作，這種電臺在40%的跳頻信道受到干擾時，依然能夠使話音可懂。

國內(nèi)首創(chuàng)的“多合一”的自適應(yīng)技術(shù)已經(jīng)成功應(yīng)用到新一代的短波戰(zhàn)術(shù)跳頻通信系統(tǒng)中。實際通信表明：自適應(yīng)跳頻電臺能夠有效利用50%左右的現(xiàn)有信道。由此可見，采用這種自適應(yīng)跳頻設(shè)計思想的第二代跳頻電臺，是大勢所趨。因為新一代跳頻電臺的工作靈活性更大，可靠性更好，保密性更強(qiáng)，能夠適合在各種復(fù)雜的電磁環(huán)境下進(jìn)行可靠的通信。現(xiàn)代自適應(yīng)通信實際電路的中斷率可減少，線路利用率可提高，平均在的內(nèi)信道誤碼率可以保持在，因而給高頻通信，特別是軍用通信帶來明顯的好處。但自適應(yīng)通信由于增加了頻率避擾功能，因此通信中會有多次同步，對失步后的再同步能力要求更高。另外現(xiàn)代軍用跳頻通信中，提高抗干擾性能最有效的方式就是提高跳頻速率，跳速的提高也對同步的速度提出更高的要求。因此，研究一種針對自適應(yīng)跳頻通信的高效同步方案顯得極為迫切。

3.系統(tǒng)原理及系統(tǒng)框圖

（1）自適應(yīng)雙頻跳頻通信系統(tǒng)（與動態(tài)雙頻跳頻同步方案相對應(yīng)的自適應(yīng)通信系統(tǒng)）

雙頻同步方案已被理論分析和仿真實驗證明具有良好的同步性能，以三個用戶為例，該方案可描述如下（見圖1）：

首先，所有用戶的跳頻序列發(fā)生器設(shè)置相同的初始狀態(tài)，即具有相同密鑰μ和x0，當(dāng)通信雙方只有一方開機(jī)或兩方都未開機(jī)時，系統(tǒng)在預(yù)置頻率上等待，不進(jìn)行通信；都已開機(jī)后，用戶在控制信號作用下從等待狀態(tài)轉(zhuǎn)為工作狀態(tài);

接著，每個用戶在事先分配好的時隙內(nèi)按照雙頻同步方案完成同步，即f11傳輸信息過程中，f21已經(jīng)產(chǎn)生并準(zhǔn)備好起跳，直到f11結(jié)束，馬上轉(zhuǎn)換到f21進(jìn)行通信，與此同時，f11向f31跳轉(zhuǎn)，建立f31后等待，直到f21通信結(jié)束，系統(tǒng)轉(zhuǎn)到f31上進(jìn)行通信，同時f21向f41跳轉(zhuǎn)，…，如此循環(huán)下去，系統(tǒng)始終保持在兩個交替向前動態(tài)變化的頻率上進(jìn)行通信，實現(xiàn)信息的保密傳輸；

最后，若其中某個用戶在連續(xù)M個時隙內(nèi)無消息發(fā)送，則認(rèn)為該用戶已下線，否則認(rèn)為該用戶出現(xiàn)故障或為遲入網(wǎng)用戶。M值可根據(jù)系統(tǒng)要求及應(yīng)用環(huán)境確定。

圖1 多用戶跳頻通信系統(tǒng)雙頻同步方案

4.電臺總體結(jié)構(gòu)

圖2 N個用戶的雙頻跳頻系統(tǒng)設(shè)計框圖

除DDS和調(diào)制解調(diào)外，本設(shè)計各模塊都將在后面有介紹，USB通信控制模塊為與上位機(jī)的一個接口，通過該接口完成跳頻參數(shù)的設(shè)置和更改。

（1）跳頻序列（頻率控制字）產(chǎn)生原理過程

跳頻系統(tǒng)中，跳頻帶寬和可供跳變的頻率（頻道）數(shù)目預(yù)先定好。頻道有頻率控制字控制頻率合成器（DDS）產(chǎn)生，且要求必須是偽隨機(jī)的，圖3為跳頻序列發(fā)生器的結(jié)構(gòu)圖：

圖3 跳頻序列產(chǎn)生過程（以發(fā)射機(jī)為例）

TOD（Time of Data）是實時時鐘，PK（Primary Key）是跳頻原始密鑰，TOD與PK運(yùn)算后即形成一種流動密鑰，控制混沌迭代單元，然后對偽隨機(jī)碼進(jìn)行線性變換，從而產(chǎn)生頻率控制字，不同的頻率控制字對應(yīng)一張頻率表中的一個頻率。、

（2）避擾（自適應(yīng)）模塊結(jié)構(gòu)

避擾性能的良好發(fā)揮建立在大部分電臺已經(jīng)入網(wǎng)的基礎(chǔ)上。以三用戶小型網(wǎng)絡(luò)為例，電臺工作時序圖如下：

圖4跳頻局域網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)的同步保持頻率關(guān)系

圖 5 避擾流程圖

（3）同步建立流程圖

根據(jù)自適應(yīng)動態(tài)雙頻跳頻理論，電臺從開機(jī)到同步建立的工作流程圖如下：

圖6 自適應(yīng)動態(tài)雙頻跳頻同步建立流程圖

其中延時程序中規(guī)定的時間具體值和系統(tǒng)計算時間的開銷在FPGA實現(xiàn)時，由試驗測定給出。

4）同步保持狀態(tài)下電臺收發(fā)狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖（以三電臺為例）

根據(jù)自適應(yīng)動態(tài)雙頻跳頻理論，任一部電臺在發(fā)射信息期間，網(wǎng)內(nèi)電臺處于接收信息的狀態(tài)。3部電臺每部電臺應(yīng)配置5個解調(diào)器，其中3個解調(diào)器用來解調(diào)各電臺的已調(diào)信號，另外兩個在避擾時用來探測干擾頻率。在系統(tǒng)設(shè)計中設(shè)計一專用寄存器實時讀取此三個解調(diào)器的狀態(tài)。例如：在電臺1發(fā)射期間，電臺2和電臺3在它的并行解調(diào)器上收到信息且完成解調(diào)，那么該寄存器值為00000001；電臺2發(fā)射期間，根據(jù)雙頻跳頻規(guī)則，此時仍存在信道中，那么電臺1和電臺3在其并行解調(diào)器上收到信息并完成解調(diào)，解調(diào)器狀態(tài)寄存器值為00000011。各電臺根據(jù)寄存器狀態(tài)的值決定是否發(fā)送下一頻率，其狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如下：

圖 7 同步保持狀態(tài)下電臺收發(fā)狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖

5.電臺主要技術(shù)參數(shù)及系統(tǒng)框圖

（1）跳頻主要技術(shù)參數(shù)。

信道間隔：25khz，跳速：516hops/s，數(shù)字話音傳輸速率16kbit/s。考慮到實際傳送數(shù)據(jù)率的計算需要的包括換頻、數(shù)據(jù)保護(hù)等開銷，約占數(shù)據(jù)率的20%左右，即在實際信道中傳送的數(shù)據(jù)率約為20kbit/s，由此可得帶寬效率，可以滿足系統(tǒng)帶寬要求。

圖 8 系統(tǒng)實現(xiàn)邏輯框圖

（2）系統(tǒng)功能描述（參照圖8）

系統(tǒng)建立了三個用戶，其中用戶1發(fā)送信息為系統(tǒng)板采集的話音信號，用戶2和用戶3發(fā)送隨機(jī)二進(jìn)制信號。用戶1接收來自用戶2的隨機(jī)二進(jìn)制數(shù)，用戶3接收來自用戶1的話音信號。系統(tǒng)功能實現(xiàn)后，用戶1的接收機(jī)輸出和用戶2的發(fā)送信息相比較，可以計算系統(tǒng)誤碼率。通過電臺3的話音輸出可懂度可以檢驗該系統(tǒng)的實際通話質(zhì)量。通過編寫上位機(jī)軟件，可以利用USB接口對跳頻參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。

（3）系統(tǒng)模塊介紹（參照圖8）

本設(shè)計擬完成的工作包括：在Virtex-II PRO（V2-Pro）開發(fā)系統(tǒng)上構(gòu)建完整的自適應(yīng)雙頻跳頻通信系統(tǒng)，編程實現(xiàn)發(fā)射機(jī)、接收機(jī)的各種基帶信號處理算法，編程實現(xiàn)跳頻同步控制和避擾功能，并對AWGN信道、Rice平坦衰落信道、Rice頻率選擇性衰落信道、Rayleigh平坦衰落信道和Rayleigh頻率選擇性衰落信道等五種信道環(huán)境進(jìn)行軟件模擬，通過程序模擬實際信道的非理想情況，對真實的無線通信環(huán)境作抽象和近似，以此驗證系統(tǒng)設(shè)計的正確性。

6.總結(jié)

? ? ? ? ? 要實現(xiàn)的主要模塊包括：

（1）數(shù)據(jù)的采集和輸出模塊

對于話音信號，利用開發(fā)系統(tǒng)自帶的音頻I/O接口和音頻解碼芯片LM4550（符合AC97標(biāo)準(zhǔn)）完成；通過USB接口，在PC和開發(fā)板之間完成數(shù)據(jù)交換。

（2）接收與發(fā)送緩沖模塊

設(shè)計合理的緩沖區(qū)結(jié)構(gòu)，對接收和發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行緩沖存儲，使數(shù)據(jù)收發(fā)和數(shù)據(jù)處理并行完成。

（3）基帶信號處理模塊

包括散布電臺的收發(fā)信機(jī)、跳頻同步控制以及避擾三部分，實現(xiàn)圖2中各種信號處理算法。

（4）信道建模與仿真模塊

通過USB通道或者DIP開關(guān)將信道參數(shù)傳給FPGA，F(xiàn)PGA調(diào)用相應(yīng)的函數(shù)模擬信號通過信道的傳輸過程。