基于CPLD的無人機(jī)綜合無線電系統(tǒng)中擴(kuò)頻電路的設(shè)計

1 引言

擴(kuò)展頻譜通信(簡稱擴(kuò)頻通信)與常規(guī)通信系統(tǒng)相比，具有較強(qiáng)的抗人為干擾、窄帶干擾和多徑干擾能力，和信息隱蔽、低空間無線電波“通量密度”以及多址保密通信等優(yōu)點(diǎn)。因此，其在軍事通信領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，同時成為無人機(jī)綜合無線電系統(tǒng)的重要組成部分。

無人機(jī)的綜合無線電系統(tǒng)采用了遙控、遙測、定位和圖像傳輸四合一的信道綜合體制，上行信道(指由地面控制系統(tǒng)向無人機(jī)發(fā)送信號的信道)傳輸遙控信號，圖像信號、遙測信號和測距信號合用下行信道(指由無人機(jī)向地面發(fā)送信號的信道)傳輸，并利用這個下行信道進(jìn)行天線跟蹤和測角。

其中，主、副通道遙控指令發(fā)送都采用了擴(kuò)頻技術(shù)。其擴(kuò)頻方法是直接序列擴(kuò)頻，即將加密指令數(shù)據(jù)流與偽噪聲數(shù)據(jù)流系列進(jìn)行模“2”相加(兩者的初始相位應(yīng)當(dāng)同步)。其中加密指令碼速率3.2K，偽碼速率分別為：6.4512M和102.4K。

本文介紹的只是基于CPLD芯片EPM7128S設(shè)計的加密擴(kuò)頻板中的遙控指令編碼的擴(kuò)頻部分，與其一體的指令加密部分沒有涉及。

2 無人機(jī)綜合無線電系統(tǒng)中的頻譜擴(kuò)展技術(shù)

無人機(jī)的綜合無線電系統(tǒng)中，主通道遙控部分的指令擴(kuò)頻和副通道的遙控載波調(diào)制、遙測部分的偽碼調(diào)制和測距部分的偽碼測距都要用到擴(kuò)頻碼——m序列碼。

其中，主通道遙控部分的指令擴(kuò)頻，用到兩個m序列，一個周期為127位，另一個為63位。兩者模“2”(即異或運(yùn)算)后生成8001位的復(fù)合碼。雖然復(fù)合碼的偽噪聲特性比起單碼的特性稍差些，但有同步時間短，便于與下行測距碼同生的優(yōu)點(diǎn)。復(fù)合碼通過與指令數(shù)據(jù)流進(jìn)行模“2”，完成頻譜擴(kuò)展，擴(kuò)頻后指令碼速為：6.4512M。

副通道的遙控載波調(diào)制，并不采用主通道的擴(kuò)頻方式，而是將遙控碼序列調(diào)制(實際也是擴(kuò)頻)在主通道產(chǎn)生的周期為127位的m序列(也叫測距碼)上，碼速為：102.4K。并利用周期為63位的m序列的全“1”狀態(tài)對輸入的6.4512M的時鐘進(jìn)行63分頻。

遙測部分的偽碼調(diào)制和測距部分的偽碼測距用到的m序列編碼都是周期為127位m序列。其要么復(fù)制上行信道的測距碼，要么由本地產(chǎn)生，碼速為：102.4K。

這里我們討論的上行信道中的擴(kuò)頻電路的構(gòu)造，對于下行信道而言，要么復(fù)制上行信道中的m序列碼，要么采用上行信道中周期為127位的m序列發(fā)生電路。

3 采用CPLD設(shè)計擴(kuò)頻電路的優(yōu)點(diǎn)

CPLD(Complex Programmable Logic Device)是復(fù)雜可編程邏輯器件的縮寫，它同現(xiàn)場可編程門陣列FPGA(Field Programmable Gate Array)一樣，屬于近年發(fā)展起來的大規(guī)模可編程專用集成電路ASIC。由于具有集成度高、可靠性好、速度快、靈活性強(qiáng)、設(shè)計周期短、保密性強(qiáng)和成本低等優(yōu)點(diǎn)，其日益受到廣大電子工程師的親睞。

無人機(jī)綜合無線電系統(tǒng)的擴(kuò)頻電路中，采用CPLD設(shè)計，具有以下突出優(yōu)點(diǎn)：

電路的抗干擾能力增強(qiáng)，尤其是對于戰(zhàn)場環(huán)境下的電磁干擾。

電路的保密性提高，電路不容易被對手分析和復(fù)制。

電路的靈活性增強(qiáng)，可以在不修改電路的基礎(chǔ)上，通過對CPLD內(nèi)部邏輯的更改，修改PN碼產(chǎn)生電路，從而產(chǎn)生不同的PN碼;或者在CPLD內(nèi)部構(gòu)造幾組不同的PN碼發(fā)生電路，每次由軟件選擇一組PN碼作為當(dāng)前的擴(kuò)頻碼或測距碼。

可以簡化電路的邏輯，由于CPLD的時延較短，一般為：幾到十幾納秒，因此有些同步電路可以被去除或減少。

本設(shè)計選用美國Altera公司的CPLD器件EPM7128SLC84-5，這種芯片是該公司生產(chǎn)的MAX 7000S系列器件中的一種，它有128個宏單元，2500個可用門，用戶I/O腳為60個,最高頻率可達(dá)175.4MHz，封裝為84腳PLCC形式，最大時延為5ns。

4基于CPLD 的擴(kuò)頻電路設(shè)計

4.1 m序列發(fā)生電路的設(shè)計

構(gòu)造一個產(chǎn)生m序列的線性移位寄存器，首先要確定本原多項式，通常我們根據(jù)不可約多項式表查找本原多項式系數(shù)。

在無人機(jī)綜合無線電系統(tǒng)中，根據(jù)不同的條件可選擇不可約多項式。這里考慮各方面綜合因素， n=6時，我們選擇其不可約多項式為：1 103F(1000011)，周期為：p=63; n=7時，不可約多項式取 1 211E(10001001)，周期為：p=127。當(dāng)然，我們還可以采用其他的不可約多項式，但是我們一定要保證上、下行信道的周期為127位的m序列的不可約多項式的一致。

例如，周期為63位的m序列，本原多項式為：f (x) = x

+x + 1，電路原理圖如圖2所示。周期為127位的m序列本原多項式和電路與其類似，這里不再贅述。

4.2 CPLD擴(kuò)頻部分的內(nèi)部邏輯

其中模塊74HC164構(gòu)成串入并出移位寄存器，并與74HC86模塊和模塊NOR6、NOR8構(gòu)成63位和127位的m序列。

6.4512M的時鐘信號分為兩路，一路作為63位PN碼的時鐘推動PN碼產(chǎn)生器工作，另一路送主、副選擇電路模塊74HC157。

63位PN碼使用了6位的移位寄存器，在一個周期內(nèi)，全“1”狀態(tài)出現(xiàn)一次，當(dāng)全“1”出現(xiàn)時，把移位模塊的并行輸出(6位)送模塊74HC30，將檢測到一個全“1”脈沖，該脈沖對6.4512M進(jìn)行63頻，頻率為102.4K。

該102.4K的信號也分為兩路，一路102.4K與6.4512M的時鐘信號一起送模塊157，當(dāng)通道選擇信號選擇主通道工作時，選擇6.4512M的信號作為127位的PN碼產(chǎn)生器的時鐘;當(dāng)通道選擇信號選擇副通道工作時，選擇102.4K的信號作為127位的PN碼產(chǎn)生器的時鐘。另一路102.4K的信號經(jīng)過2分頻和16分頻，作為同步時鐘送飛行控制柜。

當(dāng)通道選擇信號選擇主通道工作時，擴(kuò)頻碼為63位和127位的PN碼模“2”后的8001位的復(fù)合碼，碼速：6.4512M;當(dāng)通道選擇信號選擇副通道工作時，擴(kuò)頻碼只為127位的單碼，碼速：102.4K。

同步電路的作用是，使擴(kuò)頻碼和6.4512的時鐘電路嚴(yán)格同步，從而保證加密指令和擴(kuò)頻碼的同步。同步電路通常由74HC74觸發(fā)模塊實現(xiàn)。

由于，EPM7128SLC84-5輸入、輸出引腳的最大時延為5ns，所以，實際應(yīng)用時，同步電路可以去除。而為了減少時延，可以將全局時鐘引腳，作為6.4512M時鐘輸入端。

5總結(jié)

在無人機(jī)的綜合無線電系統(tǒng)擴(kuò)頻電路設(shè)計中采用CPLD器件，并借助MAX+PLUS 軟件，減少了機(jī)載機(jī)密擴(kuò)頻板的尺寸、提高了整個無線電系統(tǒng)的可靠性，為未來無人機(jī)綜合無線電系統(tǒng)的電路設(shè)計，提供了新的思路和途徑。