1.設計摘要

本設計定位為一話音跳頻通信系統，采用 Logistic混沌系統產生跳頻序列，同時采用一種同步字頭法與等待跟蹤法相結合的新型同步方案——動態雙頻同步方案實現同步。理論分析和仿真試驗均表明該方案實現方法簡單、抗干擾性能優越、且同步建立迅速，具有很好的靈活性。在硬件實現上，擬在Virtex-II PRO（V2-Pro）開發系統中設計完成三個跳頻電臺（即3個用戶）的收發信機，并加載相應信號，建立3個用戶的同步通信，完成一小型跳頻局域網的FPGA建模工作。三部跳頻電臺之一加載話音信號，采用開發系統中的音頻編解碼模塊實現，另外兩部電臺加載隨機數發生器所生成的二進制信號。根據電臺話音通信質量情況可以對系統性能作出定性的評價，而本系統設計的誤比特率計算模塊的輸出結果可以為系統性能評定給出定量的依據。

2.應用背景與研究意義

通信對抗作為電子戰的一個重要組成部分，已得到各方的高度重視。采用跳頻方式進行通信是一種有效的通信手段。

自適應技術與跳頻技術相結合形成自適應跳頻技術，是近年來跳頻通信重要的一個發展方向。自適應跳頻是將跳頻頻率點與干擾的出現聯系起來，在跳頻頻段出現較大帶寬的干擾時，系統能夠自動識別干擾，實時自適應地改變跳頻圖案，跳到沒有干擾的頻段上去，以克服部分頻帶干擾的影響。法國的PR4G戰斗跳頻電臺具有自適應跳頻功能，當敵方施放寬帶干擾時，電臺能夠自動切換到未被干擾信道上進行搜索，整個跳頻通信網可以自動的轉到無干擾或未被占用的頻率上工作。干擾停止后可以自動回到原來的跳頻方式工作，這種電臺在40%的跳頻信道受到干擾時，依然能夠使話音可懂。

國內首創的“多合一”的自適應技術已經成功應用到新一代的短波戰術跳頻通信系統中。實際通信表明：自適應跳頻電臺能夠有效利用50%左右的現有信道。由此可見，采用這種自適應跳頻設計思想的第二代跳頻電臺，是大勢所趨。因為新一代跳頻電臺的工作靈活性更大，可靠性更好，保密性更強，能夠適合在各種復雜的電磁環境下進行可靠的通信。現代自適應通信實際電路的中斷率可減少，線路利用率可提高，平均在的內信道誤碼率可以保持在，因而給高頻通信，特別是軍用通信帶來明顯的好處。但自適應通信由于增加了頻率避擾功能，因此通信中會有多次同步，對失步后的再同步能力要求更高。另外現代軍用跳頻通信中，提高抗干擾性能最有效的方式就是提高跳頻速率，跳速的提高也對同步的速度提出更高的要求。因此，研究一種針對自適應跳頻通信的高效同步方案顯得極為迫切。

3.系統原理及系統框圖

（1）自適應雙頻跳頻通信系統（與動態雙頻跳頻同步方案相對應的自適應通信系統）

雙頻同步方案已被理論分析和仿真實驗證明具有良好的同步性能，以三個用戶為例，該方案可描述如下（見圖1）：

首先，所有用戶的跳頻序列發生器設置相同的初始狀態，即具有相同密鑰μ和x0，當通信雙方只有一方開機或兩方都未開機時，系統在預置頻率上等待，不進行通信；都已開機后，用戶在控制信號作用下從等待狀態轉為工作狀態;

接著，每個用戶在事先分配好的時隙內按照雙頻同步方案完成同步，即f11傳輸信息過程中，f21已經產生并準備好起跳，直到f11結束，馬上轉換到f21進行通信，與此同時，f11向f31跳轉，建立f31后等待，直到f21通信結束，系統轉到f31上進行通信，同時f21向f41跳轉，…，如此循環下去，系統始終保持在兩個交替向前動態變化的頻率上進行通信，實現信息的保密傳輸；

最后，若其中某個用戶在連續M個時隙內無消息發送，則認為該用戶已下線，否則認為該用戶出現故障或為遲入網用戶。M值可根據系統要求及應用環境確定。

圖1 多用戶跳頻通信系統雙頻同步方案

4.電臺總體結構

圖2 N個用戶的雙頻跳頻系統設計框圖

除DDS和調制解調外，本設計各模塊都將在后面有介紹，USB通信控制模塊為與上位機的一個接口，通過該接口完成跳頻參數的設置和更改。

（1）跳頻序列（頻率控制字）產生原理過程

跳頻系統中，跳頻帶寬和可供跳變的頻率（頻道）數目預先定好。頻道有頻率控制字控制頻率合成器（DDS）產生，且要求必須是偽隨機的，圖3為跳頻序列發生器的結構圖：

圖3 跳頻序列產生過程（以發射機為例）

TOD（Time of Data）是實時時鐘，PK（Primary Key）是跳頻原始密鑰，TOD與PK運算后即形成一種流動密鑰，控制混沌迭代單元，然后對偽隨機碼進行線性變換，從而產生頻率控制字，不同的頻率控制字對應一張頻率表中的一個頻率。、

（2）避擾（自適應）模塊結構

避擾性能的良好發揮建立在大部分電臺已經入網的基礎上。以三用戶小型網絡為例，電臺工作時序圖如下：

圖4跳頻局域網絡通信系統的同步保持頻率關系

圖 5 避擾流程圖

（3）同步建立流程圖

根據自適應動態雙頻跳頻理論，電臺從開機到同步建立的工作流程圖如下：

圖6 自適應動態雙頻跳頻同步建立流程圖

其中延時程序中規定的時間具體值和系統計算時間的開銷在FPGA實現時，由試驗測定給出。

4）同步保持狀態下電臺收發狀態轉換圖（以三電臺為例）

根據自適應動態雙頻跳頻理論，任一部電臺在發射信息期間，網內電臺處于接收信息的狀態。3部電臺每部電臺應配置5個解調器，其中3個解調器用來解調各電臺的已調信號，另外兩個在避擾時用來探測干擾頻率。在系統設計中設計一專用寄存器實時讀取此三個解調器的狀態。例如：在電臺1發射期間，電臺2和電臺3在它的并行解調器上收到信息且完成解調，那么該寄存器值為00000001；電臺2發射期間，根據雙頻跳頻規則，此時仍存在信道中，那么電臺1和電臺3在其并行解調器上收到信息并完成解調，解調器狀態寄存器值為00000011。各電臺根據寄存器狀態的值決定是否發送下一頻率，其狀態轉換圖如下：

圖 7 同步保持狀態下電臺收發狀態轉換圖

5.電臺主要技術參數及系統框圖

（1）跳頻主要技術參數。

信道間隔：25khz，跳速：516hops/s，數字話音傳輸速率16kbit/s?？紤]到實際傳送數據率的計算需要的包括換頻、數據保護等開銷，約占數據率的20%左右，即在實際信道中傳送的數據率約為20kbit/s，由此可得帶寬效率，可以滿足系統帶寬要求。

圖 8 系統實現邏輯框圖

（2）系統功能描述（參照圖8）

系統建立了三個用戶，其中用戶1發送信息為系統板采集的話音信號，用戶2和用戶3發送隨機二進制信號。用戶1接收來自用戶2的隨機二進制數，用戶3接收來自用戶1的話音信號。系統功能實現后，用戶1的接收機輸出和用戶2的發送信息相比較，可以計算系統誤碼率。通過電臺3的話音輸出可懂度可以檢驗該系統的實際通話質量。通過編寫上位機軟件，可以利用USB接口對跳頻參數進行設置。

（3）系統模塊介紹（參照圖8）

本設計擬完成的工作包括：在Virtex-II PRO（V2-Pro）開發系統上構建完整的自適應雙頻跳頻通信系統，編程實現發射機、接收機的各種基帶信號處理算法，編程實現跳頻同步控制和避擾功能，并對AWGN信道、Rice平坦衰落信道、Rice頻率選擇性衰落信道、Rayleigh平坦衰落信道和Rayleigh頻率選擇性衰落信道等五種信道環境進行軟件模擬，通過程序模擬實際信道的非理想情況，對真實的無線通信環境作抽象和近似，以此驗證系統設計的正確性。

6.總結

? ? ? ? ? 要實現的主要模塊包括：

（1）數據的采集和輸出模塊

對于話音信號，利用開發系統自帶的音頻I/O接口和音頻解碼芯片LM4550（符合AC97標準）完成；通過USB接口，在PC和開發板之間完成數據交換。

（2）接收與發送緩沖模塊

設計合理的緩沖區結構，對接收和發送的數據進行緩沖存儲，使數據收發和數據處理并行完成。

（3）基帶信號處理模塊

包括散布電臺的收發信機、跳頻同步控制以及避擾三部分，實現圖2中各種信號處理算法。

（4）信道建模與仿真模塊

通過USB通道或者DIP開關將信道參數傳給FPGA，FPGA調用相應的函數模擬信號通過信道的傳輸過程。