1.設(shè)計(jì)摘要

本設(shè)計(jì)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(shí)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——?jiǎng)討B(tài)雙頻同步方案實(shí)現(xiàn)同步。理論分析和仿真試驗(yàn)均表明該方案實(shí)現(xiàn)方法簡(jiǎn)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(shí)現(xiàn)上，擬在Virtex-II PRO（V2-Pro）開發(fā)系統(tǒng)中設(shè)計(jì)完成三個(gè)跳頻電臺(tái)（即3個(gè)用戶）的收發(fā)信機(jī)，并加載相應(yīng)信號(hào)，建立3個(gè)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(tái)之一加載話音信號(hào)，采用開發(fā)系統(tǒng)中的音頻編解碼模塊實(shí)現(xiàn)，另外兩部電臺(tái)加載隨機(jī)數(shù)發(fā)生器所生成的二進(jìn)制信號(hào)。根據(jù)電臺(tái)話音通信質(zhì)量情況可以對(duì)系統(tǒng)性能作出定性的評(píng)價(jià)，而本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的誤比特率計(jì)算模塊的輸出結(jié)果可以為系統(tǒng)性能評(píng)定給出定量的依據(jù)。

2.應(yīng)用背景與研究意義

通信對(duì)抗作為電子戰(zhàn)的一個(gè)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(lái)跳頻通信重要的一個(gè)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(lái)，在跳頻頻段出現(xiàn)較大帶寬的干擾時(shí)，系統(tǒng)能夠自動(dòng)識(shí)別干擾，實(shí)時(shí)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(guó)的PR4G戰(zhàn)斗跳頻電臺(tái)具有自適應(yīng)跳頻功能，當(dāng)敵方施放寬帶干擾時(shí)，電臺(tái)能夠自動(dòng)切換到未被干擾信道上進(jìn)行搜索，整個(gè)跳頻通信網(wǎng)可以自動(dòng)的轉(zhuǎn)到無(wú)干擾或未被占用的頻率上工作。干擾停止后可以自動(dòng)回到原來(lái)的跳頻方式工作，這種電臺(tái)在40%的跳頻信道受到干擾時(shí)，依然能夠使話音可懂。

國(guó)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(shí)際通信表明：自適應(yīng)跳頻電臺(tái)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(jì)思想的第二代跳頻電臺(tái)，是大勢(shì)所趨。因?yàn)樾乱淮l電臺(tái)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(shí)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(lái)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(huì)有多次同步，對(duì)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(duì)同步的速度提出更高的要求。因此，研究一種針對(duì)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(dòng)態(tài)雙頻跳頻同步方案相對(duì)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(shí)驗(yàn)證明具有良好的同步性能，以三個(gè)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(shí)，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(hào)作用下從等待狀態(tài)轉(zhuǎn)為工作狀態(tài);

接著，每個(gè)用戶在事先分配好的時(shí)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(shí)，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(shí)f21向f41跳轉(zhuǎn)，…，如此循環(huán)下去，系統(tǒng)始終保持在兩個(gè)交替向前動(dòng)態(tài)變化的頻率上進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)信息的保密傳輸；

最后，若其中某個(gè)用戶在連續(xù)M個(gè)時(shí)隙內(nèi)無(wú)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?yàn)檫t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(tái)總體結(jié)構(gòu)

圖2 N個(gè)用戶的雙頻跳頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

除DDS和調(diào)制解調(diào)外，本設(shè)計(jì)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(gè)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(shí)時(shí)時(shí)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(dòng)密鑰，控制混沌迭代單元，然后對(duì)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(duì)應(yīng)一張頻率表中的一個(gè)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(tái)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(tái)工作時(shí)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(dòng)態(tài)雙頻跳頻理論，電臺(tái)從開機(jī)到同步建立的工作流程圖如下：

圖6 自適應(yīng)動(dòng)態(tài)雙頻跳頻同步建立流程圖

其中延時(shí)程序中規(guī)定的時(shí)間具體值和系統(tǒng)計(jì)算時(shí)間的開銷在FPGA實(shí)現(xiàn)時(shí)，由試驗(yàn)測(cè)定給出。

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

根據(jù)自適應(yīng)動(dòng)態(tài)雙頻跳頻理論，任一部電臺(tái)在發(fā)射信息期間，網(wǎng)內(nèi)電臺(tái)處于接收信息的狀態(tài)。3部電臺(tái)每部電臺(tái)應(yīng)配置5個(gè)解調(diào)器，其中3個(gè)解調(diào)器用來(lái)解調(diào)各電臺(tái)的已調(diào)信號(hào)，另外兩個(gè)在避擾時(shí)用來(lái)探測(cè)干擾頻率。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)一專用寄存器實(shí)時(shí)讀取此三個(gè)解調(diào)器的狀態(tài)。例如：在電臺(tái)1發(fā)射期間，電臺(tái)2和電臺(tái)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(tái)2發(fā)射期間，根據(jù)雙頻跳頻規(guī)則，此時(shí)仍存在信道中，那么電臺(tái)1和電臺(tái)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(tái)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(tái)收發(fā)狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖

5.電臺(tái)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(shí)際傳送數(shù)據(jù)率的計(jì)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(shí)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(shí)現(xiàn)邏輯框圖

（2）系統(tǒng)功能描述（參照?qǐng)D8）

系統(tǒng)建立了三個(gè)用戶，其中用戶1發(fā)送信息為系統(tǒng)板采集的話音信號(hào)，用戶2和用戶3發(fā)送隨機(jī)二進(jìn)制信號(hào)。用戶1接收來(lái)自用戶2的隨機(jī)二進(jìn)制數(shù)，用戶3接收來(lái)自用戶1的話音信號(hào)。系統(tǒng)功能實(shí)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(jì)算系統(tǒng)誤碼率。通過電臺(tái)3的話音輸出可懂度可以檢驗(yàn)該系統(tǒng)的實(shí)際通話質(zhì)量。通過編寫上位機(jī)軟件，可以利用USB接口對(duì)跳頻參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。

（3）系統(tǒng)模塊介紹（參照?qǐng)D8）

本設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)發(fā)射機(jī)、接收機(jī)的各種基帶信號(hào)處理算法，編程實(shí)現(xiàn)跳頻同步控制和避擾功能，并對(duì)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(shí)際信道的非理想情況，對(duì)真實(shí)的無(wú)線通信環(huán)境作抽象和近似，以此驗(yàn)證系統(tǒng)設(shè)計(jì)的正確性。

6.總結(jié)

? ? ? ? ? 要實(shí)現(xiàn)的主要模塊包括：

（1）數(shù)據(jù)的采集和輸出模塊

對(duì)于話音信號(hào)，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(jì)合理的緩沖區(qū)結(jié)構(gòu)，對(duì)接收和發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行緩沖存儲(chǔ)，使數(shù)據(jù)收發(fā)和數(shù)據(jù)處理并行完成。

（3）基帶信號(hào)處理模塊

包括散布電臺(tái)的收發(fā)信機(jī)、跳頻同步控制以及避擾三部分，實(shí)現(xiàn)圖2中各種信號(hào)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(hào)通過信道的傳輸過程。