基于FPGA的跳頻系統(tǒng)快速同步算法設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：同步技術(shù)是跳頻系統(tǒng)的核心。本文針對(duì)FPGA的跳頻系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了一種基于獨(dú)立信道法，同步字頭法和精準(zhǔn)時(shí)鐘相結(jié)合的快速同步方法，同時(shí)設(shè)計(jì)了基于雙圖案的改進(jìn)型獨(dú)立信道法，同步算法協(xié)議，協(xié)議幀格式等。該設(shè)計(jì)使用VHDL硬件語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)，采用Altera公司的EP3C16 E144C8作為核心芯片，并在此硬件平臺(tái)上進(jìn)行了功能驗(yàn)證。實(shí)際測(cè)試表明，該快速同步算法建立時(shí)間短、同步穩(wěn)定可靠。
關(guān)鍵詞：跳頻；快速同步；FPGA；獨(dú)立信道法；同步頭法

    跳頻通信技術(shù)具有抗干擾、抗截獲和高頻譜利用率，應(yīng)用廣泛。同步是跳頻系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，收發(fā)雙方只有在相同跳頻圖案相同跳變規(guī)律的同步狀態(tài)下，才可穩(wěn)定建立通信。傳統(tǒng)同步方法主要有自同步法、獨(dú)立信道法、同步頭法、精準(zhǔn)時(shí)鐘法。自同步法通過(guò)頻率搜索同步，難度大建立時(shí)間長(zhǎng)；而獨(dú)立信道法通過(guò)固定信道同步，抗截獲能力弱；同步頭法的同步頭一旦受干擾，整個(gè)系統(tǒng)將無(wú)法工作；精準(zhǔn)時(shí)鐘法對(duì)時(shí)鐘依賴(lài)太大，時(shí)鐘不精準(zhǔn)將增大失步的可能。文中設(shè)計(jì)了一種基于獨(dú)立信道法，同步字頭法和精準(zhǔn)時(shí)鐘相結(jié)合的快速同步算法，以克服上述單一同步方法使用的缺點(diǎn)。該同步方法能快速建立同步，且建立時(shí)間短，同步穩(wěn)定可靠。

1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)
    該跳頻系統(tǒng)基于FPGA平臺(tái)，由QuartusII軟件展開(kāi)設(shè)計(jì)。系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)如圖1所示。

    上位機(jī)：產(chǎn)生數(shù)據(jù)流，時(shí)鐘模塊：控制系統(tǒng)各模塊時(shí)鐘，串口模塊：實(shí)現(xiàn)串口驅(qū)動(dòng)，上位機(jī)和FPGA硬件平臺(tái)電平匹配，數(shù)率轉(zhuǎn)換，收發(fā)控制：在同步算法控制下執(zhí)行幀同步檢測(cè)，根據(jù)算法協(xié)議與射頻模塊進(jìn)行幀轉(zhuǎn)換。跳頻圖案：在同步算法信令控制下生成不同的跳頻序列，控制NCO頻率合成器合成相應(yīng)的載波頻率。同步算法：幀同步檢測(cè)，載波同步，傳輸協(xié)議控制。同步算法通過(guò)建立同步，保持同步，同步校
驗(yàn)，失步重建等，控制整個(gè)跳頻系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)跳頻電臺(tái)之間的同步傳輸。

2 同步算法設(shè)計(jì)
    獨(dú)立信道法、同步頭法和精準(zhǔn)時(shí)鐘法相結(jié)合構(gòu)成的系統(tǒng)同步算法，可有效克服單一同步法的抗干擾性弱，建立時(shí)間長(zhǎng)，不穩(wěn)定等缺點(diǎn)。該快速同步算法的同步過(guò)程如下：
    初始同步：在獨(dú)立信道法下固定分配一個(gè)專(zhuān)門(mén)的信道傳遞同步信息，用于雙方建立初始同步，一旦系統(tǒng)失去同步，則回到初始狀態(tài)重新建立同步。由于專(zhuān)門(mén)信道，可再次快速地建立初始同步，克服了單一自同步頭法的同步搜索復(fù)雜度高，同步建立時(shí)間長(zhǎng)的缺點(diǎn)。
    同步保持：初始同步建立后，發(fā)端發(fā)送同步協(xié)議幀(包括同步所需全部信息)，收端根據(jù)該幀信息，進(jìn)行同步校驗(yàn)，控制跳頻圖案在何時(shí)進(jìn)入下一跳，以保持同步。
    數(shù)據(jù)通信：跳頻通信過(guò)程中，收發(fā)系統(tǒng)由精準(zhǔn)的參考時(shí)鐘控制各個(gè)模塊，由協(xié)議幀控制跳頻圖案的跳變，以同步通信，有效減弱系統(tǒng)對(duì)全局時(shí)鐘的依賴(lài)性且同步穩(wěn)定。
    用上述的同步方法實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)同步建立、保持，及數(shù)據(jù)通信的過(guò)程如圖2所示。

    圖2中①②過(guò)程采用獨(dú)立信道法，在專(zhuān)門(mén)信道建立同步實(shí)現(xiàn)了初始同步建立過(guò)程；③⑤過(guò)程采用同步頭法，發(fā)送同步的協(xié)議幀，以保持同步；④⑥過(guò)程采用精準(zhǔn)時(shí)鐘法，在相同跳變規(guī)律下的相同頻率實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的跳頻通信。
2．1 同步幀頭設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)利用同步幀頭進(jìn)行同步校驗(yàn)，由發(fā)端在不同狀態(tài)發(fā)送4種協(xié)議幀，收端依據(jù)協(xié)議幀信息保持和發(fā)端相同的進(jìn)程進(jìn)入相應(yīng)狀態(tài)保持同步。該算法中設(shè)計(jì)的協(xié)議幀分別是；通信請(qǐng)求幀、請(qǐng)求確認(rèn)幀、通信幀、通信確認(rèn)幀，幀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖3所示。

    幀頭由國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)定義的巴克碼構(gòu)成，具備漏同步和假同步概率小的特點(diǎn)。前導(dǎo)序列和幀尾間隔保護(hù)一幀數(shù)據(jù)。其中通信請(qǐng)求幀和請(qǐng)求確認(rèn)幀，用于建立初始同步，通信幀和通信確認(rèn)幀在通信中，傳送協(xié)議幀進(jìn)行同步校驗(yàn)保證同步的穩(wěn)定性。
2．2 基于雙圖案的改進(jìn)型獨(dú)立信道法
    傳統(tǒng)的獨(dú)立信道法在專(zhuān)門(mén)信道傳送同步信息，快速建立同步，通信失步后也跳到初始的固定信道以重建同步，降低了系統(tǒng)的抗干擾能力。該算法結(jié)合精準(zhǔn)時(shí)鐘和雙圖案跳頻思想設(shè)計(jì)的改進(jìn)型獨(dú)立信道法可有效克服傳統(tǒng)獨(dú)立信道法在失步重建信道時(shí)的低抗干擾性。
    改進(jìn)型獨(dú)立信道法采用雙圖案的設(shè)計(jì)思想進(jìn)行初始同步的建立，該設(shè)計(jì)中的雙圖案和自同步頭法中的雙圖案有別。開(kāi)機(jī)時(shí)在固定信道建立初始同步，跳頻中由跳頻圖案1傳輸每幀數(shù)據(jù)，且每次跳頻作為計(jì)數(shù)因子觸發(fā)counter_suc。通信中一旦失去同步，系統(tǒng)回到初始狀態(tài)，控制counter_suc產(chǎn)生中斷，指向短周期跳頻圖案2，由圖案2控制頻率合成器生成頻率，作為同步信道而非初始固定信道。系統(tǒng)中基于精準(zhǔn)時(shí)鐘，失步時(shí)刻收發(fā)端時(shí)間信息一致，則counter_suc的中斷值一致，指向圖案2的跳頻序列也一致，則收發(fā)端頻點(diǎn)一致，亦可在該信道下快速建立同步。改進(jìn)型的同步算法如圖4所示。

    圖4中系統(tǒng)開(kāi)機(jī)時(shí)系統(tǒng)在信道f(N)建立初始同步，系統(tǒng)失步之后，收發(fā)雙方由counter_suc指向跳頻圖案2的信道f(N+j)，在該信道下再次重建同步。該系統(tǒng)中圖案2用于初始同步的建立，周期短搜索時(shí)間短；圖案1用于通信中傳遞信息，周期長(zhǎng)搜索周期長(zhǎng)。

3 快速同步算法的FPGA設(shè)計(jì)
    上述快速同步算法在FPGA平臺(tái)，采用Altera公司的Quartus2作為工具，用VHDL硬件描述語(yǔ)言進(jìn)行邏輯功能設(shè)計(jì)。
    同步算法的狀態(tài)機(jī)是同步實(shí)現(xiàn)的核心。跳頻電臺(tái)的主機(jī)和從機(jī)狀態(tài)機(jī)如圖5和圖6所示。

    圖中所示，系統(tǒng)上電時(shí)主機(jī)和從機(jī)處于初始狀態(tài)sm0，ss0，依照狀態(tài)機(jī)流程依次執(zhí)行狀態(tài)轉(zhuǎn)移。系統(tǒng)的第一次握手由主機(jī)的sm1狀態(tài)發(fā)送通信請(qǐng)求幀實(shí)現(xiàn)，第二次握手則由從機(jī)的ss2狀態(tài)反饋主機(jī)通信請(qǐng)求確認(rèn)幀實(shí)現(xiàn)，兩次握手在改進(jìn)型獨(dú)立信道法下快速實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)初始同步。初始同步之后，主機(jī)sm3狀態(tài)發(fā)送通信同步幀實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)第三次握手，從機(jī)ss5狀態(tài)發(fā)送通信確認(rèn)幀實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)第四次握手，兩次握手保持通信中的同步狀態(tài)，執(zhí)行圖中虛線所示的同步校驗(yàn)功能。
    數(shù)據(jù)通信過(guò)程由主機(jī)sm4，sm6，從機(jī)ss4，ss6狀態(tài)同步進(jìn)行數(shù)據(jù)幀的收發(fā)。系統(tǒng)在同步保持狀態(tài)下由圖中所示環(huán)形執(zhí)行狀態(tài)轉(zhuǎn)移循環(huán)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，一旦系統(tǒng)中接收協(xié)議幀狀態(tài)沒(méi)接收到協(xié)議幀則系統(tǒng)失去同步，系統(tǒng)回到初始狀態(tài)重新建立同步。

4 同步性能
    同步時(shí)間是指建立初始同步的時(shí)間，在該算法中主要由系統(tǒng)跳速Rb，跳頻間隔周期N和第一次第二次握手協(xié)議幀交換周期M決定。同步時(shí)鐘為T(mén)syn，則同步建立時(shí)間Ts=M×Tsyn=(M／N)xRh。本系統(tǒng)跳速為900跳／s時(shí)，間隔N=386個(gè)周期，協(xié)議幀周期M=665，Ts≤0．01 s，一般系統(tǒng)要求同步時(shí)間Ts≤0．6s，故該算法可快速建立同步。

5 跳頻系統(tǒng)的FPGA實(shí)現(xiàn)
    采用Altera公司的EP3C系列開(kāi)發(fā)芯片作為快速同步算法的FPGA硬件實(shí)現(xiàn)平臺(tái)，將軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的跳頻系統(tǒng)下載到開(kāi)發(fā)芯片中進(jìn)行性能測(cè)試。如圖7是基于該同步算法的跳頻系統(tǒng)測(cè)試中，兩個(gè)電臺(tái)主機(jī)和從機(jī)之間通過(guò)上位機(jī)的串口調(diào)試工具傳輸數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，其中com1是從機(jī)通過(guò)串口連接的上位機(jī)軟件，com2是主機(jī)對(duì)應(yīng)的上位機(jī)軟件。

    測(cè)試統(tǒng)計(jì)：主機(jī)電臺(tái)：發(fā)送數(shù)據(jù)：506110，接收數(shù)據(jù)：1011060。
    從機(jī)電臺(tái)：發(fā)送數(shù)據(jù)：1011060，接收數(shù)據(jù)：506110。
    由串口界面統(tǒng)計(jì)所示，兩個(gè)電臺(tái)收發(fā)數(shù)據(jù)無(wú)誤，傳輸穩(wěn)定。即誤碼率為0，表明該跳頻系統(tǒng)工作穩(wěn)定性能良好，該同步算法可穩(wěn)定保持同步，滿足跳頻系統(tǒng)同步性能要求。

6 結(jié)論
    文中在跳頻通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，主要對(duì)其關(guān)鍵技術(shù)同步算法展開(kāi)研究與設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)了獨(dú)立信道法，同步字頭法和精準(zhǔn)時(shí)鐘相結(jié)合的快速同步算法。并針對(duì)獨(dú)立信道法的抗截獲能力弱，設(shè)計(jì)了基于雙圖案跳頻的改進(jìn)型獨(dú)立信道法，即短周期圖案用于同步建立，長(zhǎng)周期圖案用于跳頻通信的實(shí)現(xiàn)過(guò)程，并分析了同步算法過(guò)程中的實(shí)現(xiàn)步驟，算法協(xié)議，設(shè)計(jì)過(guò)程等。由性能分析可知本文設(shè)計(jì)的同步算法可快速地建立同步，由FPGA硬件平臺(tái)的實(shí)際測(cè)試可知該算法可快速地建立通信，且通信過(guò)程穩(wěn)定，誤碼率低，具有工程實(shí)踐意義。