基于TMS320C54X系列DSP實現(xiàn)跳頻通信網(wǎng)位同步方案

作者：謝玲，甘良才，郭見兵

跳頻通信是一種載頻按照一定規(guī)律變化的多頻率移頻鍵控，具有抗干擾性強、保密性好、頻帶利用率高的特點，易于兼容，便于構成多種通信網(wǎng)。正是由于這些特點，跳頻通信系統(tǒng)在現(xiàn)代軍事和交通運輸通信中得到了廣泛的應用。國外近幾年推出了大量跳頻電臺的產(chǎn)品，如美國HAKRIS公司的中速跳頻電臺RF-5010、美國Rockwell公司的SINGARS-U超快速跳頻電臺等。這些電臺均采用微處理機控制，功能齊全，輕便靈活，操作簡單。

利用跳頻圖案的良好正交性和隨機性，可以在一個寬的頻帶內(nèi)容納多個跳頻通信系統(tǒng)同時工作，將多個電臺組成通信網(wǎng)絡，完成專向通信或網(wǎng)絡通信，達到頻譜資源共享的目的，從而提高頻譜的有效利用率，增加用戶通信的靈活性。短波信道是一種時變衰落信道，為保證各接收端均能在適當時刻進行取樣判決，從而正確接收傳輸信息;短波跳頻網(wǎng)對位同步有較高的要求。因此，位同步問題是短波跳頻通信網(wǎng)中的一個重要問題。

位同步的實現(xiàn)方式很多，如常用的插入導頻法和自同步法等。本文提出了一種新的同步方案——隙同步的概念，并基于TI 公司TMS320C54X系列DSP，采用TMS320匯編語言對該隙同步方案進行了硬件仿真和數(shù)值分析。

1 跳頻網(wǎng)位同步原理

在跳頻通信系統(tǒng)中，為了正確接收數(shù)據(jù)，接收端必須提供一個作為取樣判決用的定時脈沖序列。該序列的重復頻率與碼元速率相同，相位與最佳判決時刻一致。因此，跳頻通信系統(tǒng)位同步過程就是指收發(fā)兩地跳頻速率與起始相位的偏差在允許的范圍內(nèi)（通常小于1/2個碼元）提取正確的定時脈沖序列的過程?；谔l信號的特點，本文提出了一種隙同步的方法，可以較好解決短波跳頻系統(tǒng)位同步問題。

1.1 隙同步原理

某段時間間隔內(nèi)的跳頻信號波形如圖1所示。

圖1 跳頻信號波形

由圖1可見，相鄰兩個跳頻信號的載頻頻率是不同的，而且兩個載頻交界處的相位通常并不連續(xù)，存在突變。隙同步原理就是利用了跳頻信號的這個特點來實現(xiàn)位同步的。

在圖1中，從t0時刻開始提取一個碼元長度的信號，通常在該段信號內(nèi)包含著一個躍變點。若不存在躍變點，即碼元準確同步，則跳頻信號的幅度譜表現(xiàn)為如圖2所示的單音信號形式。

圖2 同步時跳頻信號幅度譜

若在該段信號內(nèi)存在躍變點，則信號的幅度譜將有所不同，在載頻頻率f0之外還有一些因躍變而產(chǎn)生的頻率分量fi、fj等，這些分量的幅度較之f0要小得多，如圖3所示。

圖3 不同步時跳頻信號幅度譜

由此可見，通過分析信號的幅度譜，可以判斷躍變點的位置。具體而言，首先對信號均勻抽樣得到長度為N的離散信號序列，對該離散序列進行快速傅立葉變換（FFT）得到其幅度譜，然后通過比較載頻頻率f0與相位躍變所產(chǎn)生頻率分量的幅度，即可以判斷信號是否同步。若因相位躍變而產(chǎn)生的頻率分量的幅度之和為0，則表明信號已同步;否則，將信號延遲若干點，繼續(xù)作N點FFT，直到信號同步。

以上討論不存在噪聲干擾的理想情況。然而，在實際應用中，噪聲時刻存在，這使得信號即使同步了，除載頻f0以外的各頻率分量的能量也不會為0。但是在環(huán)境不十分惡劣的情況下，即當信號沒有完全淹沒在噪聲中時，上述原理仍然適用。

1.2 隙同步實現(xiàn)方法

基于上述隙同步原理，本文設計了如下的同步點尋找方法：

（1） 以t0時刻為起始點取一段跳頻信號，對該段跳頻信號進行A/D轉換得到離散信號序列。

（2） 從所得信號序列中順序取出一個碼片長度（N點）的信號，進行N點FFT運算得到該部分信號幅度譜。若該幅度譜中峰值對應的頻率分量是約定頻率之一，則將除該頻率分量以外的所有頻率分量的幅度求平方和，并記為a1，然后延遲W點（一般取W使N/W為整數(shù)），順序取出N點信號，重復以上過程，直到完成N/W次（一個碼片長度）的分析，所得的幅度和依次記為a2，a3，…，aN/W。若該幅度譜中峰值對應的頻率分量不是約定的頻率之一，則延遲W點取出后續(xù)的N點信號，重復上述操作。

（3） 從所得到的{a1，a2，…，aN/W}中取一個最小值ai，并將該點對應的時刻（即點序號）記為A1，初步認為該時刻即為同步點。A1可以根據(jù)下式計算，即

A1=startpoint+（i-1）×W（1）

（4） 重復（2）、（3）步驟，進一步得到A2、A3值。然后比較A1與A2、A2與A3的距離是否為一個碼元的長度，若是，則表明所取同步點A1正確。

2 隙同步TMS320算法設計

2.1 隙同步程序

根據(jù)上述隙同步原理和同步點尋找方法，本文采用TI公司TMS320C54X系列DSP芯片進行硬件仿真，具體程序流程圖如圖4所示。

圖4 隙同步程序流程圖

為了便于數(shù)值仿真分析，本文將FFT運算所用到的余弦表值模擬為跳頻信號的A/D輸入數(shù)據(jù)，并規(guī)定一個碼元周期內(nèi)信號抽取點數(shù)為256點。具體輸入數(shù)據(jù)設計如下：每個頻率的數(shù)值表占用256個存儲單元，存儲順序依次為選定頻率的基頻、倍頻、4倍頻、8倍頻和16倍頻值。

輸入數(shù)據(jù)送入以addr1為首地址的數(shù)據(jù)存儲區(qū)中，偶地址單元存儲實部，奇地址單元存儲虛部。指定C3為延遲指針，用于指定點搜索的起始位置。每次點搜索過程由程序控制將從地址（addr1+C3）開始的256個單元的數(shù)據(jù)送入FFT模塊進行幅度譜分析，本文中C3每次移動8個數(shù)據(jù)單元。在判斷峰值頻率是否為約定頻率之一時，通過約定頻率的存儲器位置進行判決，本文選取8個約定頻率。

C1和C2為運算次數(shù)計數(shù)器。當C1＝32時，表示已經(jīng)完成一個碼元長度的同步點搜索，可以開始尋找32個和值中的最小值，否則繼續(xù)計算。C2用于計算尋找到的同步點的個數(shù)。本文采用3個同步點輔助判斷，因此，當C2＝3時即可進行同步判決。若同步成功，在程序結束時將地址大于3000的10個單元置1。

2.2 FFT算法設計

上述同步點尋找算法是一種基于信號頻譜分析的幅度同步方法，對信號的幅度譜分析主要是利用快速傅立葉變換（FFT）算法完成的。因此，F(xiàn)FT算法的設計對上述隙同步方法是至關重要的。

按時間抽取FFT（DIT-FFT）算法是FFT算法的一種。它通過不斷地把時間序列N點x（n）按照序號n奇偶性分解為偶序列和奇序列，并進行L＝log2N級蝶形運算，從而減少乘法和加法的運算次數(shù)，盡可能地減小運算量。

DFT變換式為：

式（3）中，X1（k）和X2（k）分別為偶序列和奇序列的N/2點DFT。由此可見，只要求出0到（N/2-1）區(qū)間內(nèi)的所有X1（k）和X2（k）值，即可求出0到（N-1）內(nèi)所有X（k）值，這就大大節(jié)省了運算。

利用蝶形信號流圖，（3）式可以表示為如圖5所示的蝶形運算形式。

圖5 蝶形運算單元

對于N點的FFT運算，共包含有L=log2N級蝶形運算。通過不斷對序列進行奇偶序列分解，即可以得到N點FFT運算的流圖。根據(jù)DIT-FFT算法的特點可知FFT程序設計有如下三個關鍵的問題：

（1）輸入序列應該是反序輸入，即按照序號n的比特反轉值輸入;

（2）與各級蝶形單元相應的旋轉因子值的確定;

（3）蝶形單元的控制，包括輸入數(shù)據(jù)的讀取、輸出數(shù)據(jù)的存儲及時序控制等。

FFT算法的流程圖如圖6所示。

圖6 FFT算法的流程圖

根據(jù)短波跳頻信號的特點，本文提出了一種新的跳頻通信網(wǎng)位同步方案——隙同步的方法，并基于TI公司TMS320C54X系列DSP，采用TMS320匯編語言對隙同步方案進行了硬件實現(xiàn)和分析。

仿真結果表明：隙同步原理能較好地解決跳頻通信網(wǎng)中接收端的位同步問題，為后續(xù)單元實現(xiàn)正確譯碼奠定了基礎。而且，由于TMS320C54X系列DSP具有運算速度快、精度高的特點，采用該方法可以獲得較短的同步時間，有利于提高通信網(wǎng)的性能。

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