摘 要：基于跳頻" title="跳頻">跳頻信號(hào)的特點(diǎn),提出了一種隙同步的方法,并采用TMS320C54X系列DSP對(duì)隙同步方案進(jìn)行了硬件仿真和分析。?
關(guān)鍵詞：短波 跳頻通信 位同步" title="位同步">位同步 TMS320C54X芯片?
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??? 跳頻通信是一種載頻按照一定規(guī)律變化的多頻率移頻鍵控,具有抗干擾性強(qiáng)、保密性好、頻帶利用率高的特點(diǎn),易于兼容,便于構(gòu)成多種通信網(wǎng)。正是由于這些特點(diǎn),跳頻通信系統(tǒng)" title="通信系統(tǒng)">通信系統(tǒng)在現(xiàn)代軍事和交通運(yùn)輸通信中得到了廣泛的應(yīng)用。國(guó)外近幾年推出了大量跳頻電臺(tái)" title="跳頻電臺(tái)">跳頻電臺(tái)的產(chǎn)品,如美國(guó)HAKRIS公司的中速跳頻電臺(tái)RF-5010、美國(guó)Rockwell公司的SINGARS-U超快速跳頻電臺(tái)等。這些電臺(tái)均采用微處理機(jī)控制,功能齊全,輕便靈活,操作簡(jiǎn)單。
利用跳頻圖案的良好正交性和隨機(jī)性,可以在一個(gè)寬的頻帶內(nèi)容納多個(gè)跳頻通信系統(tǒng)同時(shí)工作,將多個(gè)電臺(tái)組成通信網(wǎng)絡(luò),完成專向通信或網(wǎng)絡(luò)通信,達(dá)到頻譜資源共享的目的,從而提高頻譜的有效利用率,增加用戶通信的靈活性[1]。短波信道是一種時(shí)變衰落信道,為保證各接收端" title="接收端">接收端均能在適當(dāng)時(shí)刻進(jìn)行取樣判決,從而正確接收傳輸信息;短波跳頻網(wǎng)對(duì)位同步有較高的要求。因此,位同步問(wèn)題是短波跳頻通信網(wǎng)中的一個(gè)重要問(wèn)題。
位同步的實(shí)現(xiàn)方式很多,如常用的插入導(dǎo)頻法和自同步法等。本文提出了一種新的同步方案——隙同步的概念,并基于TI 公司TMS320C54X系列DSP,采用TMS320匯編語(yǔ)言對(duì)該隙同步方案進(jìn)行了硬件仿真和數(shù)值分析。
1 跳頻網(wǎng)位同步原理
在跳頻通信系統(tǒng)中,為了正確接收數(shù)據(jù),接收端必須提供一個(gè)作為取樣判決用的定時(shí)脈沖序列。該序列的重復(fù)頻率與碼元速率相同,相位與最佳判決時(shí)刻一致。因此,跳頻通信系統(tǒng)位同步過(guò)程就是指收發(fā)兩地跳頻速率與起始相位的偏差在允許的范圍內(nèi)(通常小于1/2個(gè)碼元)提取正確的定時(shí)脈沖序列的過(guò)程[2]。基于跳頻信號(hào)的特點(diǎn),本文提出了一種隙同步的方法,可以較好解決短波跳頻系統(tǒng)位同步問(wèn)題。
1.1 隙同步原理
某段時(shí)間間隔內(nèi)的跳頻信號(hào)波形如圖1所示。 ?
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圖1 跳頻信號(hào)波形?
由圖1可見(jiàn),相鄰兩個(gè)跳頻信號(hào)的載頻頻率是不同的,而且兩個(gè)載頻交界處的相位通常并不連續(xù),存在突變。隙同步原理就是利用了跳頻信號(hào)的這個(gè)特點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)位同步的。
在圖1中,從t0時(shí)刻開(kāi)始提取一個(gè)碼元長(zhǎng)度的信號(hào),通常在該段信號(hào)內(nèi)包含著一個(gè)躍變點(diǎn)。若不存在躍變點(diǎn),即碼元準(zhǔn)確同步,則跳頻信號(hào)的幅度譜表現(xiàn)為如圖2所示的單音信號(hào)形式。 ?
圖2 同步時(shí)跳頻信號(hào)幅度譜?
若在該段信號(hào)內(nèi)存在躍變點(diǎn),則信號(hào)的幅度譜將有所不同,在載頻頻率f0之外還有一些因躍變而產(chǎn)生的頻率分量fi、fj等,這些分量的幅度較之f0要小得多,如圖3所示。 ?
圖3 不同步時(shí)跳頻信號(hào)幅度譜?
由此可見(jiàn),通過(guò)分析信號(hào)的幅度譜,可以判斷躍變點(diǎn)的位置。具體而言,首先對(duì)信號(hào)均勻抽樣得到長(zhǎng)度為N的離散信號(hào)序列,對(duì)該離散序列進(jìn)行快速傅立葉變換(FFT)得到其幅度譜,然后通過(guò)比較載頻頻率f0與相位躍變所產(chǎn)生頻率分量的幅度,即可以判斷信號(hào)是否同步。若因相位躍變而產(chǎn)生的頻率分量的幅度之和為0,則表明信號(hào)已同步;否則,將信號(hào)延遲若干點(diǎn),繼續(xù)作N點(diǎn)FFT,直到信號(hào)同步。
以上討論不存在噪聲干擾的理想情況。然而,在實(shí)際應(yīng)用中,噪聲時(shí)刻存在,這使得信號(hào)即使同步了,除載頻f0以外的各頻率分量的能量也不會(huì)為0。但是在環(huán)境不十分惡劣的情況下,即當(dāng)信號(hào)沒(méi)有完全淹沒(méi)在噪聲中時(shí),上述原理仍然適用。
1.2 隙同步實(shí)現(xiàn)方法[3～4]
基于上述隙同步原理,本文設(shè)計(jì)了如下的同步點(diǎn)尋找方法:
(1) 以t0時(shí)刻為起始點(diǎn)取一段跳頻信號(hào),對(duì)該段跳頻信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換得到離散信號(hào)序列。
(2) 從所得信號(hào)序列中順序取出一個(gè)碼片長(zhǎng)度(N點(diǎn))的信號(hào),進(jìn)行N點(diǎn)FFT運(yùn)算得到該部分信號(hào)幅度譜。若該幅度譜中峰值對(duì)應(yīng)的頻率分量是約定頻率之一,則將除該頻率分量以外的所有頻率分量的幅度求平方和,并記為a1,然后延遲W點(diǎn)(一般取W使N/W為整數(shù)),順序取出N點(diǎn)信號(hào),重復(fù)以上過(guò)程,直到完成N/W次(一個(gè)碼片長(zhǎng)度)的分析,所得的幅度和依次記為a2,a3,…,aN/W。若該幅度譜中峰值對(duì)應(yīng)的頻率分量不是約定的頻率之一,則延遲W點(diǎn)取出后續(xù)的N點(diǎn)信號(hào),重復(fù)上述操作。
(3) 從所得到的{a1,a2,…,aN/W}中取一個(gè)最小值ai,并將該點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)刻(即點(diǎn)序號(hào))記為A1,初步認(rèn)為該時(shí)刻即為同步點(diǎn)。A1可以根據(jù)下式計(jì)算,即
A1=startpoint+(i-1)×W(1)
(4) 重復(fù)(2)、(3)步驟,進(jìn)一步得到A2、A3值。然后比較A1與A2、A2與A3的距離是否為一個(gè)碼元的長(zhǎng)度,若是,則表明所取同步點(diǎn)A1正確。
2 隙同步TMS320算法設(shè)計(jì)
2.1 隙同步程序
根據(jù)上述隙同步原理和同步點(diǎn)尋找方法,本文采用TI公司TMS320C54X系列DSP芯片[5]進(jìn)行硬件仿真,具體程序流程圖如圖4所示。 ?
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圖4 隙同步程序流程圖?
為了便于數(shù)值仿真分析,本文將FFT運(yùn)算所用到的余弦表值模擬為跳頻信號(hào)的A/D輸入數(shù)據(jù),并規(guī)定一個(gè)碼元周期內(nèi)信號(hào)抽取點(diǎn)數(shù)為256點(diǎn)。具體輸入數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)如下:每個(gè)頻率的數(shù)值表占用256個(gè)存儲(chǔ)單元,存儲(chǔ)順序依次為選定頻率的基頻、倍頻、4倍頻、8倍頻和16倍頻值。
輸入數(shù)據(jù)送入以addr1為首地址的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)中,偶地址單元存儲(chǔ)實(shí)部,奇地址單元存儲(chǔ)虛部。指定C3為延遲指針,用于指定點(diǎn)搜索的起始位置。每次點(diǎn)搜索過(guò)程由程序控制將從地址(addr1+C3)開(kāi)始的256個(gè)單元的數(shù)據(jù)送入FFT模塊進(jìn)行幅度譜分析,本文中C3每次移動(dòng)8個(gè)數(shù)據(jù)單元。在判斷峰值頻率是否為約定頻率之一時(shí),通過(guò)約定頻率的存儲(chǔ)器位置進(jìn)行判決,本文選取8個(gè)約定頻率。
C1和C2為運(yùn)算次數(shù)計(jì)數(shù)器。當(dāng)C1＝32時(shí),表示已經(jīng)完成一個(gè)碼元長(zhǎng)度的同步點(diǎn)搜索,可以開(kāi)始尋找32個(gè)和值中的最小值,否則繼續(xù)計(jì)算。C2用于計(jì)算尋找到的同步點(diǎn)的個(gè)數(shù)。本文采用3個(gè)同步點(diǎn)輔助判斷,因此,當(dāng)C2＝3時(shí)即可進(jìn)行同步判決。若同步成功,在程序結(jié)束時(shí)將地址大于3000的10個(gè)單元置1。
2.2 FFT算法設(shè)計(jì)
上述同步點(diǎn)尋找算法是一種基于信號(hào)頻譜分析的幅度同步方法,對(duì)信號(hào)的幅度譜分析主要是利用快速傅立葉變換(FFT)算法完成的。因此,FFT算法的設(shè)計(jì)對(duì)上述隙同步方法是至關(guān)重要的。
按時(shí)間抽取FFT(DIT-FFT)算法是FFT算法的一種。它通過(guò)不斷地把時(shí)間序列N點(diǎn)x(n)按照序號(hào)n奇偶性分解為偶序列和奇序列,并進(jìn)行L＝log2N級(jí)蝶形運(yùn)算,從而減少乘法和加法的運(yùn)算次數(shù),盡可能地減小運(yùn)算量[6]。
DFT變換式為:?
根據(jù)旋轉(zhuǎn)因子的周期性和對(duì)稱性,可以將X(k)進(jìn)一步表示為:
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式(3)中,X1(k)和X2(k)分別為偶序列和奇序列的N/2點(diǎn)DFT。由此可見(jiàn),只要求出0到(N/2-1)區(qū)間內(nèi)的所有X1(k)和X2(k)值,即可求出0到(N-1)內(nèi)所有X(k)值,這就大大節(jié)省了運(yùn)算。
利用蝶形信號(hào)流圖,(3)式可以表示為如圖5所示的蝶形運(yùn)算形式。 ?
圖5 蝶形運(yùn)算單元?
對(duì)于N點(diǎn)的FFT運(yùn)算,共包含有L=log2N級(jí)蝶形運(yùn)算。通過(guò)不斷對(duì)序列進(jìn)行奇偶序列分解,即可以得到N點(diǎn)FFT運(yùn)算的流圖。根據(jù)DIT-FFT算法的特點(diǎn)可知FFT程序設(shè)計(jì)有如下三個(gè)關(guān)鍵的問(wèn)題:
(1)輸入序列應(yīng)該是反序輸入,即按照序號(hào)n的比特反轉(zhuǎn)值輸入;
(2)與各級(jí)蝶形單元相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)因子值的確定;
(3)蝶形單元的控制,包括輸入數(shù)據(jù)的讀取、輸出數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)及時(shí)序控制等。
FFT算法的流程圖如圖6所示。 ?
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圖6 FFT算法的流程圖?
根據(jù)短波跳頻信號(hào)的特點(diǎn),本文提出了一種新的跳頻通信網(wǎng)位同步方案——隙同步的方法,并基于TI公司TMS320C54X系列DSP,采用TMS320匯編語(yǔ)言對(duì)隙同步方案進(jìn)行了硬件實(shí)現(xiàn)和分析。
仿真結(jié)果表明:隙同步原理能較好地解決跳頻通信網(wǎng)中接收端的位同步問(wèn)題,為后續(xù)單元實(shí)現(xiàn)正確譯碼奠定了基礎(chǔ)。而且,由于TMS320C54X系列DSP具有運(yùn)算速度快、精度高的特點(diǎn),采用該方法可以獲得較短的同步時(shí)間,有利于提高通信網(wǎng)的性能。
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