短波擴頻猝發(fā)通信系統(tǒng)的DSP+FPGA設(shè)計方案

引言

短波通信是一種能進行遠距離傳輸，而對電臺的要求相對較低的通信系統(tǒng)。短波具有的遠距離通信能力和電臺具有的較高機動性等特點，使其在軍事通信領(lǐng)域中具有重要的應(yīng)用價值。然而，短波信道頻帶窄，傳播特性不穩(wěn)定，干擾嚴(yán)重，信號易被敵人截獲、測向和干擾。一種有效的抗干擾措施就是將擴展頻譜通信技術(shù)及猝發(fā)通信技術(shù)應(yīng)用于短波通信中，進行短波超快速擴頻猝發(fā)通信。隨著現(xiàn)代通信技術(shù)的飛速發(fā)展，特別是擴頻技術(shù)在第三代移動通信中的成功應(yīng)用，為實現(xiàn)擴通信和猝發(fā)擴頻數(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處理器高效的處理能力和處理速度也為實現(xiàn)短波猝發(fā)擴頻數(shù)據(jù)傳輸提供了良好的硬件平臺。

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

短波擴頻猝發(fā)通信系統(tǒng)方案

系統(tǒng)構(gòu)成

本系統(tǒng)采用了直接序列擴頻技術(shù)來實現(xiàn)無線短波數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。具體實現(xiàn)是用32位的沃爾什序列對信息速率為2.4Kbps的數(shù)據(jù)進行直接序列擴頻。在接收端利用擴頻碼的正交性對數(shù)據(jù)進行相關(guān)解擴，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，頻譜利用率高，結(jié)構(gòu)簡單，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，即每次通信的時隙限定在100ms左右，發(fā)送時隙隨機分布，難以被捕獲和干擾。每個時隙的數(shù)據(jù)發(fā)送前要發(fā)送一段同步頭，用來完成擴頻碼的識別、擴頻碼的同步、幀同步和頻差估計等任務(wù)，接收端根據(jù)同步頭獲得的信息對數(shù)據(jù)進行解擴恢復(fù)。為了改善性能，運用RAKE接收技術(shù)來接收數(shù)據(jù)，為了進一步提高系統(tǒng)的抗干擾能力，還對信息進行了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

對于擴頻系統(tǒng)，接收機要從接收信號中恢復(fù)發(fā)送的數(shù)據(jù)信息，必須對接收信號進行解擴。解擴的實現(xiàn)依靠本地產(chǎn)生與發(fā)送端相同的擴頻序列，并且要求與接收信號擴頻序列同步，這是擴頻系統(tǒng)中非常重要的環(huán)節(jié)。

擴頻序列的同步分為捕獲和跟蹤兩個階段。捕獲階段完成擴頻序列的粗同步，將收、發(fā)端擴頻序列的相位差限制在一個碼片或更小的范圍內(nèi)；跟蹤階段實現(xiàn)收、發(fā)端擴頻序列的精確同步，讓本地參考信號精確跟蹤接收信號的相位變化。如何可靠的實現(xiàn)擴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相關(guān)法、同步頭法、跳頻同步法、發(fā)射參考信號法、匹配濾波器同步法等，而滑動相關(guān)法是一種最簡單、最實用的捕獲方法。本文采用的就是這種方法。確定信號捕獲和完成碼元同步，要求同時滿足以下三個準(zhǔn)則：①在連續(xù)4個接收碼元中至少有3個與預(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門限；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，時隙較短，僅為100ms左右，因此可以認(rèn)為信道短時平穩(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相關(guān)，相關(guān)峰最大值所對應(yīng)的位置即為同步點。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32位Walsh序列構(gòu)成，采用了級聯(lián)編碼。第一層編碼為沃爾什序列加擾碼。對于沃爾什序列來說，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Walsh序列與48個相位組合的相乘，其中48個相位組合為 /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

本系統(tǒng)采用TI公司的高性能浮點數(shù)字信號處理器TMS320VC33和定點的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)計出高速數(shù)字相關(guān)器，用于前端的信號同步與捕獲，三個芯片協(xié)同工作，并以此為主體架構(gòu)系統(tǒng)的整個硬件工作平臺。

主要芯片介紹

TMS320VC33是TI公司推出的高性能浮點運算DSP芯片。由于其較高的性能價格比，使其應(yīng)用較為廣泛。它的結(jié)構(gòu)允許它以定點的速率完成浮點操作，因此非常適合于做高速高精度的浮點運算，這一優(yōu)點對于像短波信道快速估值等實時性精確度要求特別高的數(shù)字信號處理應(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數(shù)字信號處理器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運行速度快，還可以進行多種并行操作，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，所以非常適合用來作控制用。根據(jù)上述兩種處理器的特點，綜合考慮系統(tǒng)的設(shè)計要求，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系列芯片來實現(xiàn)數(shù)字相關(guān)器對采樣點值進行一次相關(guān)，將相關(guān)結(jié)果送給中央處理器DSP，進行下一步的同步和解擴等處理。ALTERA公司的Cyclone器件具有專用電路，可以實現(xiàn)雙數(shù)據(jù)率（DDR）SDRAM和FCRAM接口。Cyclone器件最多有兩個鎖相環(huán)（PLL），共有六個輸出和四種層次化結(jié)構(gòu)，為復(fù)雜設(shè)計提供了強大的時鐘管理電路。

系統(tǒng)硬件模型框圖及概述

首先從電臺接收過來的基帶擴頻信號是差分輸入的，先經(jīng)過一個1:1的隔離變壓器變?yōu)閱味溯敵觯俳?jīng)過運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進行采樣處理，采樣結(jié)果在FPGA中鎖存，并在FPGA內(nèi)部進行希爾伯特變換和相關(guān)處理。在一個樣點間隔內(nèi)，進行當(dāng)前樣點值的希爾伯特變換，同時并行地進行前一個樣點的相關(guān)運算。將相關(guān)結(jié)果分成四個部分，鎖存在對應(yīng)的四個地址中，由TMS320VC5509分四次依次讀取。由TMS320VC5509和TMS320VC33完成信號的捕獲和碼元的判決。將處理好的數(shù)據(jù)通過TMS320VC5509送到數(shù)模轉(zhuǎn)換器TLV5619中進行數(shù)模轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換得到的模擬信號經(jīng)過低通濾波和運放放大以后，再通過同樣的一個1:1的隔離變壓器變?yōu)椴罘州敵鏊偷綌U頻電臺。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串口來實現(xiàn)TMS320VC5509和TMS320VC33之間的通信。由于TMS320VC5509的多通道緩沖串口遠比TMS320VC33的串行口功能強大，設(shè)置靈活，所以在設(shè)計的時候我們就考慮將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鐘設(shè)置為CPU時鐘，通過對CPU時鐘的分頻來得到串口移位時鐘和幀同步信號，并由TMS320VC5509提供收發(fā)雙方的移位時鐘，而幀同步信號則由發(fā)送方提供。同時將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。通過雙方設(shè)置可以進行每幀16bit或32bit的傳輸。這樣雙方DSP可以通過握手，采用中斷或查詢方式來進行數(shù)據(jù)的高速收發(fā)，并且還可以靈活地對雙方串口的工作方式進行改進。

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個階段,每階段1個字，字長
MOV #0X0001，PORT(#RCR2_1) ；16比特，不壓擴，1比特延遲
MOV #0x0040，PORT(#XCR1_1) ；發(fā)送每幀1個階段,每階段1個字，字長
MOV #0X0001，PORT(#XCR2_1) ；16比特，不壓擴，1比特延遲
MOV #0x0003，PORT(#SRGR1_1) ；脈寬1個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，啟動采樣速率發(fā)生器
MOV #0x00c0，PORT(#SPCR2_1) ；FRST=1，啟動幀同步
MOV #0x00c1，PORT(#SPCR2_1) ；XRST=1，啟動發(fā)送器
MOV #0x0001，PORT(#SPCR1_1) ；RRST=1，啟動接收器

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 16bitSTI 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

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