短波擴(kuò)頻猝發(fā)通信系統(tǒng)的DSP+FPGA實(shí)現(xiàn)方案

引言

短波通信是一種能進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸，而對(duì)電臺(tái)的要求相對(duì)較低的通信系統(tǒng)。短波具有的遠(yuǎn)距離通信能力和電臺(tái)具有的較高機(jī)動(dòng)性等特點(diǎn)，使其在軍事通信領(lǐng)域中具有重要的應(yīng)用價(jià)值。然而，短波信道頻帶窄，傳播特性不穩(wěn)定，干擾嚴(yán)重，信號(hào)易被敵人截獲、測(cè)向和干擾。一種有效的抗干擾措施就是將擴(kuò)展頻譜通信技術(shù)及猝發(fā)通信技術(shù)應(yīng)用于短波通信中，進(jìn)行短波超快速擴(kuò)頻猝發(fā)通信。隨著現(xiàn)代通信技術(shù)的飛速發(fā)展，特別是擴(kuò)頻技術(shù)在第三代移動(dòng)通信中的成功應(yīng)用，為實(shí)現(xiàn)擴(kuò)通信和猝發(fā)擴(kuò)頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)於思夹g(shù)基礎(chǔ)。超大規(guī)模集成電路和高速信號(hào)處理器高效的處理能力和處理速度也為實(shí)現(xiàn)短波猝發(fā)擴(kuò)頻數(shù)據(jù)傳輸提供了良好的硬件平臺(tái)。

本文首先給出了一種DS-QPSK短波擴(kuò)頻猝發(fā)通信的系統(tǒng)方案，著重對(duì)其中的同捕獲技術(shù)進(jìn)行了研究，采用滑動(dòng)相關(guān)法來(lái)實(shí)現(xiàn)序列的同步，并運(yùn)用Matlab工具對(duì)其進(jìn)行了仿真。然后采用TMS320VC33、TMS320VC5509和ALTERA公司的Cyclone系列FPGA構(gòu)建了硬件平臺(tái)，給出了DSP+FPGA的混合硬件實(shí)現(xiàn)方案。

短波擴(kuò)頻猝發(fā)通信系統(tǒng)方案

系統(tǒng)構(gòu)成

本系統(tǒng)采用了直接序列擴(kuò)頻技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)短波數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。具體實(shí)現(xiàn)是用32位的沃爾什序列對(duì)信息速率為2.4Kbps的數(shù)據(jù)進(jìn)行直接序列擴(kuò)頻。在接收端利用擴(kuò)頻碼的正交性對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)解擴(kuò)，恢復(fù)出原始信息，并且由于QPSK調(diào)制技術(shù)抗噪聲性能強(qiáng)，頻譜利用率高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，所以這里采用它作為數(shù)據(jù)調(diào)制方式。數(shù)據(jù)傳輸采用超快速猝發(fā)通信方式，即每次通信的時(shí)隙限定在100ms左右，發(fā)送時(shí)隙隨機(jī)分布，難以被捕獲和干擾。每個(gè)時(shí)隙的數(shù)據(jù)發(fā)送前要發(fā)送一段同步頭，用來(lái)完成擴(kuò)頻碼的識(shí)別、擴(kuò)頻碼的同步、幀同步和頻差估計(jì)等任務(wù)，接收端根據(jù)同步頭獲得的信息對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解擴(kuò)恢復(fù)。為了改善性能，運(yùn)用RAKE接收技術(shù)來(lái)接收數(shù)據(jù)，為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)的抗干擾能力，還對(duì)信息進(jìn)行了1/2卷積編碼，接收端采用Viterbi譯碼。系統(tǒng)的基本框圖組成如圖1所示，分成發(fā)射和接收兩部分，分別完成數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收功能。

系統(tǒng)同步方案

對(duì)于擴(kuò)頻系統(tǒng)，接收機(jī)要從接收信號(hào)中恢復(fù)發(fā)送的數(shù)據(jù)信息，必須對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行解擴(kuò)。解擴(kuò)的實(shí)現(xiàn)依靠本地產(chǎn)生與發(fā)送端相同的擴(kuò)頻序列，并且要求與接收信號(hào)擴(kuò)頻序列同步，這是擴(kuò)頻系統(tǒng)中非常重要的環(huán)節(jié)。

擴(kuò)頻序列的同步分為捕獲和跟蹤兩個(gè)階段。捕獲階段完成擴(kuò)頻序列的粗同步，將收、發(fā)端擴(kuò)頻序列的相位差限制在一個(gè)碼片或更小的范圍內(nèi);跟蹤階段實(shí)現(xiàn)收、發(fā)端擴(kuò)頻序列的精確同步，讓本地參考信號(hào)精確跟蹤接收信號(hào)的相位變化。如何可靠的實(shí)現(xiàn)擴(kuò)頻序列的快速捕獲是影響系統(tǒng)性能的關(guān)鍵。常用的同步捕獲方法有滑動(dòng)相關(guān)法、同步頭法、跳頻同步法、發(fā)射參考信號(hào)法、匹配濾波器同步法等，而滑動(dòng)相關(guān)法是一種最簡(jiǎn)單、最實(shí)用的捕獲方法。本文采用的就是這種方法。確定信號(hào)捕獲和完成碼元同步，要求同時(shí)滿(mǎn)足以下三個(gè)準(zhǔn)則：①在連續(xù)4個(gè)接收碼元中至少有3個(gè)與預(yù)定同步碼的順序相吻合;②接收到的單音功率譜峰值高過(guò)門(mén)限;③各單音出現(xiàn)峰值間隔連續(xù)且次序正確。

在本系統(tǒng)中，由于采用的是猝發(fā)通信形式，時(shí)隙較短，僅為100ms左右，因此可以認(rèn)為信道短時(shí)平穩(wěn)，發(fā)送數(shù)據(jù)的同步信息也可以一次確定，而且也可認(rèn)為多徑的每條路徑上的時(shí)延也基本是恒定，因此只需由前導(dǎo)序列一次確定相關(guān)同步信息。由于發(fā)送的前導(dǎo)序列是雙方約定好的正交碼序列集，接收端利用碼字的正交性，用本地序列與接收序列滑動(dòng)相關(guān)，相關(guān)峰最大值所對(duì)應(yīng)的位置即為同步點(diǎn)。如表1所示為發(fā)送數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)。

同步序列由48個(gè)32位Walsh序列構(gòu)成，采用了級(jí)聯(lián)編碼。第一層編碼為沃爾什序列加擾碼。對(duì)于沃爾什序列來(lái)說(shuō)，同步情況下的自相關(guān)和互相關(guān)性能很好。但是在非同步的情況下，沃爾什序列的正交性變差，相關(guān)函數(shù)有較大的旁瓣值，造成信號(hào)間的干擾。為減小旁瓣值，改善Walsh碼的特性，用擾碼乘以沃爾什序列，得到的新碼作為前導(dǎo)序列的內(nèi)碼，則相關(guān)性能得到改善。第二層是對(duì)Walsh序列與48個(gè)相位組合的相乘，其中48個(gè)相位組合為 /4，3 /4，- /4，-3 /4的排列組合。經(jīng)Matlab仿真取一組使所得到的相關(guān)峰較為理想，如圖2所示。

基于DSP+FPGA的硬件平臺(tái)

本系統(tǒng)采用TI公司的高性能浮點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器TMS320VC33和定點(diǎn)的TMS320VC5509兩片DSP芯片作為系統(tǒng)的中央CPU，并采用ALTERA公司的Cyclone系列F

PGA設(shè)計(jì)出高速數(shù)字相關(guān)器，用于前端的信號(hào)同步與捕獲，三個(gè)芯片協(xié)同工作，并以此為主體架構(gòu)系統(tǒng)的整個(gè)硬件工作平臺(tái)。

主要芯片介紹

TMS320VC33是TI公司推出的高性能浮點(diǎn)運(yùn)算DSP芯片。由于其較高的性能價(jià)格比，使其應(yīng)用較為廣泛。它的結(jié)構(gòu)允許它以定點(diǎn)的速率完成浮點(diǎn)操作，因此非常適合于做高速高精度的浮點(diǎn)運(yùn)算，這一優(yōu)點(diǎn)對(duì)于像短波信道快速估值等實(shí)時(shí)性精確度要求特別高的數(shù)字信號(hào)處理應(yīng)用顯得尤為重要。TMS320VC5509處理器是TI公司最新推出的高性能低功耗定點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器TMS320C55x系列中的一員。TMS320C55x系列是在C54x系列的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，能與C54x兼容，不僅增加了硬件資源，也優(yōu)化了資源管理。

TMS320VC5509運(yùn)行速度快，還可以進(jìn)行多種并行操作，片內(nèi)外設(shè)資源也比較豐富，與外圍設(shè)備的連接很方便，所以非常適合用來(lái)作控制用。根據(jù)上述兩種處理器的特點(diǎn)，綜合考慮系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，我們把TMS320VC5509作為系統(tǒng)的主處理器，而TMS320VC33作為其協(xié)處理器。

本文是采用Cyclone系列芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)字相關(guān)器對(duì)采樣點(diǎn)值進(jìn)行一次相關(guān)，將相關(guān)結(jié)果送給中央處理器DSP，進(jìn)行下一步的同步和解擴(kuò)等處理。ALTERA公司的Cyclone器件具有專(zhuān)用電路，可以實(shí)現(xiàn)雙數(shù)據(jù)率(DDR)SDRAM和FCRAM接口。Cyclone器件最多有兩個(gè)鎖相環(huán)(PLL)，共有六個(gè)輸出和四種層次化結(jié)構(gòu)，為復(fù)雜設(shè)計(jì)提供了強(qiáng)大的時(shí)鐘管理電路。

系統(tǒng)硬件模型框圖及概述

首先從電臺(tái)接收過(guò)來(lái)的基帶擴(kuò)頻信號(hào)是差分輸入的，先經(jīng)過(guò)一個(gè)1:1的隔離變壓器變?yōu)閱味溯敵?，再?jīng)過(guò)運(yùn)放將其抬高到直流電平以上，低通濾波后送到模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7492進(jìn)行采樣處理，采樣結(jié)果在FPGA中鎖存，并在FPGA內(nèi)部進(jìn)行希爾伯特變換和相關(guān)處理。在一個(gè)樣點(diǎn)間隔內(nèi)，進(jìn)行當(dāng)前樣點(diǎn)值的希爾伯特變換，同時(shí)并行地進(jìn)行前一個(gè)樣點(diǎn)的相關(guān)運(yùn)算。將相關(guān)結(jié)果分成四個(gè)部分，鎖存在對(duì)應(yīng)的四個(gè)地址中，由TMS320VC5509分四次依次讀取。由TMS320VC5509和TMS320VC33完成信號(hào)的捕獲和碼元的判決。將處理好的數(shù)據(jù)通過(guò)TMS320VC5509送到數(shù)模轉(zhuǎn)換器TLV5619中進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換得到的模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)低通濾波和運(yùn)放放大以后，再通過(guò)同樣的一個(gè)1:1的隔離變壓器變?yōu)椴罘州敵鏊偷綌U(kuò)頻電臺(tái)。如圖3所示為系統(tǒng)的核心部分。

TMS320VC5509和TMS320VC33的互通

本方案采用的是用DSP串口來(lái)實(shí)現(xiàn)TMS320VC5509和TMS320VC33之間的通信。由于TMS320VC5509的多通道緩沖串口遠(yuǎn)比TMS320VC33的串行口功能強(qiáng)大，設(shè)置靈活，所以在設(shè)計(jì)的時(shí)候我們就考慮將TMS320VC5509的串口設(shè)為主方，TMS320VC33的串口設(shè)為從方，連接圖如圖4所示。

將TMS320VC5509內(nèi)部采樣速率發(fā)生器的輸入?yún)⒖紩r(shí)鐘設(shè)置為CPU時(shí)鐘，通過(guò)對(duì)CPU時(shí)鐘的分頻來(lái)得到串口移位時(shí)鐘和幀同步信號(hào)，并由TMS320VC5509提供收發(fā)雙方的移位時(shí)鐘，而幀同步信號(hào)則由發(fā)送方提供。同時(shí)將TMS320VC33設(shè)置為標(biāo)準(zhǔn)模式、固定速率的工作方式，與TMS320VC5509的串口匹配。通過(guò)雙方設(shè)置可以進(jìn)行每幀16bit或32bit的傳輸。這樣雙方DSP可以通過(guò)握手，采用中斷或查詢(xún)方式來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)的高速收發(fā)，并且還可以靈活地對(duì)雙方串口的工作方式進(jìn)行改進(jìn)。

下面給出TMS320VC5509多通道緩沖串口及TMS320VC33串行口通信的關(guān)鍵程序段。

TMS320V

C5509多通道緩沖串口初始化程序:

MOV #0x0000，PORT(#SPCR2_1) ;采用多通道緩沖模式

MOV #0x0000，PORT(#SPCR1_1)

MOV #0x0040，PORT(#RCR1_1) ;接收每幀1個(gè)階段,每階段1個(gè)字，字長(zhǎng)

MOV #0X0001，PORT(#RCR2_1) ;16比特，不壓擴(kuò)，1比特延遲

MOV #0x0040，PORT(#XCR1_1) ;發(fā)送每幀1個(gè)階段,每階段1個(gè)字，字長(zhǎng)

MOV #0X0001，PORT(#XCR2_1) ;16比特，不壓擴(kuò)，1比特延遲

MOV #0x0003，PORT(#SRGR1_1) ;脈寬1個(gè)clkr/x，clkr/x為4分頻(最大)

MOV #0x200f，PORT(#SRGR2_1)

MOV #0x0B00，PORT(#PCR1) ; fsr設(shè)為輸入

MOV #0x0040，PORT(#SPCR2_1) ;GRST=1，啟動(dòng)采樣速率發(fā)生器

MOV #0x00c0，PORT(#SPCR2_1) ;FRST=1，啟動(dòng)幀同步

MOV #0x00c1，PORT(#SPCR2_1) ;XRST=1，啟動(dòng)發(fā)送器

MOV #0x0001，PORT(#SPCR1_1) ;RRST=1，啟動(dòng)接收器

TMS320VC33串行口初始化程序：

LDI @p0_addr，ar0 ;p0_addr=808040h 總體控制寄存器

LDI 331h，r1 　;FSX/DX 設(shè)定為輸出 CLKX設(shè)定為輸入

STI r1，*+ar0(2) ;FSX/DX/CLKX串口控制寄存器

LDI 111h，r1 　;FSR/DR/CLKR設(shè)定為輸入

STI r1，*+ar0(3) ;FSR/DR/CLKR串口控制寄存器

LDI @p0_global，r1 ;00e940004h 固定速率 標(biāo)準(zhǔn)模式 16bit 　　STI r1，*ar0

LDI @buff_rec，ar7 ;接收緩沖區(qū)

LDI 020h，ie ;CPU串行端口0接收中斷啟用

STIR1，*+AR0(8)　;AR0指向串行端口總體控制寄存器(00808040h)

結(jié)束語(yǔ)

現(xiàn)代通信技術(shù)和超大規(guī)模集成電路以及高速信號(hào)處理器的高速發(fā)展，使得短波猝發(fā)擴(kuò)頻通信在軍事通信中極具潛力。本文給出了一種DS-QPSK短波擴(kuò)頻猝發(fā)通信的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案，并運(yùn)用TMS320VC33、TMS320VC5509和ALTERA公司的Cyclone系列FPGA構(gòu)建的硬件平臺(tái)進(jìn)行了DSP+FPGA的混合硬件實(shí)現(xiàn)，得到的系統(tǒng)性能已達(dá)到預(yù)期的要求，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的有效實(shí)時(shí)處理。