對(duì)部隊(duì)中已大量裝備使用的跳擴(kuò)頻電臺(tái)的維護(hù)與測(cè)試需要性能穩(wěn)定的跳擴(kuò)頻信號(hào)" title="跳擴(kuò)頻信號(hào)">跳擴(kuò)頻信號(hào)源，因此非常必要研制使用方便、性能可靠的跳擴(kuò)頻信號(hào)源，以解決部隊(duì)急需，從而提高部隊(duì)的機(jī)務(wù)維修保障能力。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，尤其是近十年來(lái)數(shù)字化技術(shù)、超大規(guī)模集成電路和軟件方面的新技術(shù)新成果不斷涌現(xiàn)，使得設(shè)計(jì)高可靠、高精度、高穩(wěn)定可攜帶方便的測(cè)試系統(tǒng)成為可能。與傳統(tǒng)測(cè)試系統(tǒng)中的跳擴(kuò)頻信號(hào)源相比，本跳擴(kuò)頻信號(hào)發(fā)送系統(tǒng)采用了FPGA" title="FPGA">FPGA、DDS等多種先進(jìn)技術(shù)，具有體積小、重量輕、成本低、集成度高、精度高、可靠性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，能夠有效地模擬產(chǎn)生需要的跳擴(kuò)頻信號(hào)，為機(jī)載跳擴(kuò)頻電臺(tái)的測(cè)試提供可靠的激勵(lì)信號(hào)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體方案
    針對(duì)信號(hào)源需求分析，設(shè)計(jì)系統(tǒng)總體方案如圖1所示。FPGA接收主控單元(MCU)傳遞的信息數(shù)據(jù)，接收數(shù)據(jù)源速率為4．8 kb／s。基帶處理部分進(jìn)行差錯(cuò)編碼，編碼處理后的基帶信息數(shù)據(jù)以9．6 kb／s信息速率輸入成幀電路，組幀后信息速率為38．4kb／s。中頻處理電路接收38．4 kb／s信息速率的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行擴(kuò)頻和DQPSK" title="DQPSK">DQPSK調(diào)制。擴(kuò)頻調(diào)制PN碼碼片速率為1．228 8 M碼片／秒，即每個(gè)調(diào)制符號(hào)對(duì)應(yīng)64個(gè)碼片。系統(tǒng)中頻輸出8．192 MHz DQPSK數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。系統(tǒng)帶寬跨度為UHF(超短波)105～156 MHz，分了16個(gè)跳頻點(diǎn)帶寬≥45．5MHz。跳頻最小間隔≥2．5 MHz，跳頻速度1 000 Hop／s。

2 關(guān)鍵模塊研究與實(shí)現(xiàn)
2．1 DQPSK調(diào)制
    中頻調(diào)制使用數(shù)字化DQPSK(相對(duì)相移鍵控)調(diào)制，該調(diào)制技術(shù)能有效利用數(shù)據(jù)帶寬，同時(shí)采用差分編碼解決QPSK調(diào)制時(shí)出現(xiàn)的相位模糊問(wèn)題，保證了數(shù)據(jù)的正確解調(diào)。DQPSK調(diào)制框圖如圖2所示。

    差錯(cuò)控制編碼采用(217)卷積編碼，碼率為1／2。交織采用塊交織，交織器長(zhǎng)度為384，即一大幀的長(zhǎng)度。為保證數(shù)據(jù)的連續(xù)發(fā)送，交織采用兩個(gè)交織器輪流工作。交織后數(shù)據(jù)以9．6 kb／s交給DQPSK調(diào)制，經(jīng)差分串并轉(zhuǎn)換，以64位碼長(zhǎng)的M序列對(duì)轉(zhuǎn)換后碼率減半的數(shù)據(jù)進(jìn)行擴(kuò)頻調(diào)制和成形濾波。數(shù)控振蕩器(NCO)產(chǎn)生正交調(diào)制的波形，對(duì)成形濾波后的信號(hào)進(jìn)行正交調(diào)制。
2．1．1 濾波成形
    DOPSK調(diào)制后的信號(hào)存在以下問(wèn)題：調(diào)制后的信號(hào)將出現(xiàn)瞬時(shí)變化，這將不可避免地導(dǎo)致信號(hào)的瞬時(shí)頻譜的擴(kuò)散，如果無(wú)失真地傳輸該信號(hào)就要求有很寬的信道帶寬，這在信號(hào)傳輸中是無(wú)法實(shí)現(xiàn)，唯一有效的途徑就是采用濾波技術(shù)限制頻譜，這就需要基帶濾波。基帶濾波是在時(shí)域上擴(kuò)展符號(hào)，如果設(shè)計(jì)的不好，在接收端將會(huì)引起嚴(yán)重的碼間干擾(ISI)。無(wú)碼間擾準(zhǔn)則可表示為：
   
    平方根升余弦滾降濾波器有一個(gè)平滑的過(guò)渡帶，通過(guò)引入滾降系數(shù)來(lái)改變傳輸信號(hào)的成形波形，可以減少抽樣定時(shí)脈沖誤差所帶來(lái)的影響。本設(shè)計(jì)中采用56階，滾降系數(shù)為0．35的平方根升余弦濾波器，每個(gè)符號(hào)抽樣8個(gè)點(diǎn)。系統(tǒng)中所設(shè)計(jì)的成形濾波器頻域響應(yīng)如圖3所示。

2．1．2 NCO模塊設(shè)計(jì)
    數(shù)控振蕩器NCO可以在高時(shí)鐘頻率下通過(guò)相位累加來(lái)實(shí)現(xiàn)，相當(dāng)于一個(gè)給定頻率發(fā)生器產(chǎn)生一個(gè)理想的正弦或余弦波樣本。NCO的輸出頻率可表示為：
   
    其中，Bθ(n)表示查找表地址的位數(shù)，△0表示采樣周期相位增量，fclk是系統(tǒng)時(shí)鐘。
    該NCO的設(shè)計(jì)是在FPGA中采用查表法來(lái)實(shí)現(xiàn)，它主要由地址累加器和儲(chǔ)存正弦值的ROM表組成。系統(tǒng)時(shí)鐘clk輸入按關(guān)鍵字的步長(zhǎng)累加相位地址，讀出對(duì)應(yīng)ROM中的幅度值。查找表的存儲(chǔ)調(diào)用了ALTERA公司提供的波形數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器LPM_ROM文件來(lái)實(shí)現(xiàn)。LPM_ROM是在Quartus II8．0中
使用Mega Winzard Plug-In Manager來(lái)創(chuàng)建定制的。在創(chuàng)建的同時(shí)對(duì)其參數(shù)進(jìn)行初始化設(shè)置，使Quartus II8．O編譯器自動(dòng)地在EP2C8Q208C8芯片中的EAB中實(shí)現(xiàn)ROM函數(shù)的合適部分。設(shè)計(jì)使用了22個(gè)邏輯單元，小于1％，節(jié)省了硬件資源。
2．1．3 DQPSK的頂層設(shè)計(jì)及仿真
    DQPSK頂層模塊主要由3部分組成：差分串并轉(zhuǎn)換、成形濾波和正交調(diào)制。DQPSK調(diào)制仿真結(jié)果如圖4所示。

2．2 DA電路設(shè)計(jì)
    HI5741是Harris公司生產(chǎn)的電流型14位D/A轉(zhuǎn)換器" title="D/A轉(zhuǎn)換器">D/A轉(zhuǎn)換器，+5 V和-5．2 V操作，最高轉(zhuǎn)換速率可達(dá)100 MHz，輸出信號(hào)為T(mén)TL／CMOS電平。轉(zhuǎn)換器提供20．48 mA的滿量程輸出電流并且包含一個(gè)輸出數(shù)據(jù)寄存器和帶隙電壓參考。低靈敏度干擾能量和優(yōu)良的頻域性能。由于HI5741采用了分離結(jié)構(gòu)可以消除由于輸入數(shù)據(jù)不對(duì)稱引起毛刺的脈沖。硬件連接電路如圖5所示。

2．3 跳頻部分設(shè)計(jì)
2．3．1 DDS跳頻碼
    DDS輸出頻率一般表達(dá)式，式中k為頻率碼關(guān)鍵字，fc為時(shí)鐘頻率，而k由下式確定：
   
    式中，A31，A30，…，A1，A0，對(duì)應(yīng)于32位碼值(0或1)。當(dāng)A0=1，其他為0時(shí)，則輸出頻率最低，即分辨率：。當(dāng)A31=1，而A30，…，A1，A0，均為0時(shí)輸出頻率最高：。在實(shí)際工程中，受到低通濾波器的限制，一般輸出的頻率foutmax≈40％fc。這時(shí)一周期只有兩個(gè)取樣點(diǎn)，根據(jù)Nyquist定理已達(dá)到抽樣定理的最小允許值，A31=1，以下碼值只能取0。
    在108～155．975 MHz的帶寬內(nèi)，頻率最小間隔大于2．5MHz，將規(guī)定的帶寬分為16個(gè)跳頻點(diǎn)，由于在實(shí)際應(yīng)用中，還有一些點(diǎn)的雜散信號(hào)很大，而且離主頻很近，無(wú)法去除。所以應(yīng)該避免輸出這些頻點(diǎn)。這些頻點(diǎn)為靠近fc／3、fc／4、fc／5、fc／6……的頻點(diǎn)。跳頻點(diǎn)數(shù)為16，并基于頻率轉(zhuǎn)換公式計(jì)算所對(duì)應(yīng)的32位碼值。
2．3．2 跳頻圖案設(shè)計(jì)
    跳頻圖案采用對(duì)偶寬間隔跳頻序列，基于m序列，利用非連續(xù)抽頭(L-G)模型，構(gòu)造寬間隔跳頻偽隨機(jī)序列，自相關(guān)性能、互相關(guān)性能較高接近最佳跳頻序列族，提高信號(hào)的抗干擾性。設(shè)計(jì)中基于L-G模型的非連續(xù)抽頭模型，采用本原多項(xiàng)式設(shè)計(jì)跳頻序列，跳頻碼生成公式如下：

    跳頻序列由FPGA生成并按寬間隔對(duì)偶要求輸出如圖6所示。

2．3．3 跳頻硬件架構(gòu)
    跳頻硬件電路核心是AD9951，硬件連接如圖7所示。該芯片內(nèi)置400MS／s時(shí)鐘，內(nèi)含14位DAC，相位、幅度可編程，有32位頻率控制字、相位偏移字，可用串行I／O控制，采用1．8V電源供電，可4～20倍倍頻，支持大多數(shù)數(shù)字輸入中的5 V輸入電平，可實(shí)現(xiàn)多片同步。通過(guò)送入設(shè)置，送入地址碼和跳頻碼，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的跳頻產(chǎn)生。AD9951控制時(shí)序如圖8所示。

2．3．4 濾波放大電路
    針對(duì)相位舍位誤差造成的雜散、幅度量化誤差造成的雜散和DAC非理想特性造成的雜散等3個(gè)主要諧波干擾源。且考慮到濾波緩沖放大電路與已有的DDS的PCB板之間的電路的接口可能會(huì)帶來(lái)較大的干擾，必須對(duì)AD9951輸出頻率進(jìn)行濾波處理。橢圓型濾波器在通帶內(nèi)和阻帶內(nèi)都有等波紋的起伏，比巴特沃斯和切比雪夫有更陡的下降梯度，過(guò)渡帶陡峭，在相同性能指標(biāo)下，橢圓濾波器所需的階數(shù)更小。設(shè)計(jì)借助Mult-isim 10．1高頻電路仿真軟件設(shè)計(jì)了9階橢圓低通濾波電路，截至頻率為160 MHz，通帶內(nèi)的衰減低于0.2 dB。

3 軟件設(shè)計(jì)
    根據(jù)系統(tǒng)需求，采用QuartusⅡ" title="QuartusⅡ">QuartusⅡ8．0開(kāi)發(fā)平臺(tái)，使用VHDL語(yǔ)言編寫(xiě)FPGA器件執(zhí)行程序，軟件設(shè)計(jì)流程如圖10所示。系統(tǒng)上電復(fù)位，等待MCU啟動(dòng)發(fā)送信號(hào)，各個(gè)模塊配置完成，選擇同步發(fā)送時(shí)鐘，等待同步幀頭發(fā)送，同步幀頭以每秒鐘400跳的速率發(fā)送10次，同步幀頭發(fā)送完畢，選擇正常數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)鐘并向MCU產(chǎn)生中斷，從MCU緩存中索取數(shù)據(jù)，MCU將數(shù)據(jù)傳遞給FPGA進(jìn)行基帶處理和中頻調(diào)制。

    MCU中斷處理，MCU接收FPGA發(fā)出的中斷信號(hào)，將迅速響應(yīng)中斷，并組織數(shù)據(jù)為一大幀，進(jìn)行初級(jí)糾錯(cuò)處理后，存入緩存，以備FPGA從MCU緩存中取數(shù)據(jù)，保證了中頻調(diào)制數(shù)據(jù)的連續(xù)性。

4 結(jié)束語(yǔ)
    依據(jù)跳擴(kuò)頻通信信號(hào)的需求，設(shè)計(jì)了以FPGA和DDS為架構(gòu)，用VHDL語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)的跳擴(kuò)頻信號(hào)發(fā)送系統(tǒng)，該系統(tǒng)能以連續(xù)的4．8 Kb／s的速率、在108～155．975 MHz范圍內(nèi)寬間隔跳頻發(fā)送數(shù)據(jù)。本設(shè)計(jì)的主要優(yōu)點(diǎn)是采用了軟件無(wú)線電技術(shù)，使用高速、高穩(wěn)定性和高可靠性的集成芯片，體積小重量輕，性價(jià)比高。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，該跳頻信號(hào)發(fā)送系統(tǒng)可在其外部參數(shù)可控的情況下，穩(wěn)定地傳送全頻段跳頻信號(hào)，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。