基于ML2724和DSP的2．4GHz快速跳頻系統(tǒng)設(shè)計

    摘要：介紹基于高性能、低成本的ML2724和DSP的2．4GHz快速跳頻系統(tǒng)設(shè)計，探討跳頻信道的分配、跳頻圖案的設(shè)計，以及跳頻同步問題，并給出了部分軟件實現(xiàn)的流程圖。

2．4GHz是無線產(chǎn)品開發(fā)使用最為廣泛的公用頻段。目前很熱門的技術(shù)話題——無線局域網(wǎng)的802．11標(biāo)準(zhǔn)就是采用2．4GHz這段頻段。針對無線局域網(wǎng)，最大的爭論便是其安全性和穩(wěn)定性，國內(nèi)外諸多文獻指出：除了在無線局域網(wǎng)中采用更佳的密鑰機制，應(yīng)該廣泛使用擴頻和跳頻等技術(shù)，增加其在無線信道上的穩(wěn)定性和安全性。比較無線局域網(wǎng)中采用直接序列擴頻和跳頻兩種方式的性能，可以得出：在無線局域網(wǎng)中采用跳頻方式更佳。目前，對于跳頻系統(tǒng)的設(shè)計通常采用CPLD+FPGA+DSP協(xié)同頻率合成器實現(xiàn)，這樣既增大了系統(tǒng)的體積，更導(dǎo)致系統(tǒng)的成本很高。本文介紹了基于高性能、低成本的ML2724和DSP的2．4GHz快速跳頻系統(tǒng)設(shè)計。由于ML2724集成了可編程頻率合成器、正交調(diào)制器和各種濾波器，并具有方便的控制接口，這樣既可以減小體積，又可以降低成本；詳細(xì)介紹了信道的分配和PN碼的設(shè)計，以及跳頻同步問題，并給出了部分軟件實現(xiàn)的流程圖。

圖1

    1 ML2724簡介

ML2724是Micro Linear公司的一款高性能的廣泛應(yīng)用于2．4GHz快速跳頻通信系統(tǒng)的單片集成收發(fā)芯片，它集成了本振、抗鏡像Ⅳ濾波器和基帶低通濾波器、限幅器、數(shù)據(jù)判決器，并且自帶了一個可編程控制的頻率合成器，具有同步指示和與基帶處理相接的各種端口。它具有以下主要特點：

(1)能夠完成2．4GHz通信系統(tǒng)的收發(fā)功能的集成單芯片；

(2)信道間隔為2．048MHz，具有80個信道；

(3)完全集成了所有的Ⅲ濾波器和數(shù)據(jù)濾波器；

(4)靈敏度為-90dBm；

(5)內(nèi)部集成了完整的1．6GHz的頻率合成器；

(6)作為FHSS發(fā)射，能夠達到1600跳／秒；

(7)可以利用一個3線的接口可編程控制PLL；

(8)具有模擬接收信號強度指示(RSSl)；

(9)在2．4GHz時，傳輸距離10m～1000m，傳輸速度可達1．5Mbps；

(10)可以應(yīng)用于TDD和TDMA通信系統(tǒng)中。

其內(nèi)部原理框圖如圖1所示。

圖2

2 系統(tǒng)的組成原理與設(shè)計

2．1系統(tǒng)的組成原理

筆者設(shè)計的2．4GHz快速跳頻系統(tǒng)的組成原理如圖2所示。系統(tǒng)主要由ML2724和DSP完成，該系統(tǒng)能達到1600跳／秒。如果跳頻圖案為正交排列，本系統(tǒng)的跳頻點數(shù)最大可以為80個，非正交排列則為40個，在跳頻帶寬范圍內(nèi)，跳頻間隔為1．024MHz，中心頻率為2．4GHz，跳頻處理增益分別為16dB(正交)、16dB(非正交)；DSP完成基帶信號的編解碼處理、跳頻同．步控制、收發(fā)控制，以及跳頻同步信息的提取和語音編解碼器的控制。語音編碼可以采用AMBE2000實現(xiàn)，也可以采用MC3518實現(xiàn)CVSD的語音編碼。下面將探討跳頻信道的分配、跳頻圖案的設(shè)計，以及跳頻同步問題。

2．2 跳頻信道的設(shè)置

如果按ML2724內(nèi)部的分頻點規(guī)則，鄰近頻率間隔不重疊(非正交排列)，系統(tǒng)的跳頻點數(shù)最多只能有40個頻點，由于跳頻點數(shù)太少不能滿足系統(tǒng)抗干擾指標(biāo)，所以本系統(tǒng)中采用了相鄰頻點間正交排列方式，如圖3所示。即允許發(fā)射頻率的間隔重疊，間隔為1．024MHz，雖然正交排列與常規(guī)排列方式的系統(tǒng)帶寬相同，但是跳頻點數(shù)增加了一倍，跳頻處理增益獲得3dB的提高。

2．3 跳頻圖案和序列的設(shè)計

由于受系統(tǒng)工作頻點的限制，頻點只能在80個(正交排列)的頻點中偽隨機地選取。從跳頻系統(tǒng)性能上講，系統(tǒng)對跳頻圖案的產(chǎn)生和性能有如下要求：

(1)跳頻圖案的周期性應(yīng)足夠長，線性復(fù)雜度應(yīng)足夠大，以達到高保密度的性能和強的抗破譯性；

(2)同一網(wǎng)內(nèi)各用戶間的跳頻圖案的互相關(guān)性能要好，跳頻圖案的自相關(guān)性能也要良好，以減小因碰撞帶來的信噪比損失；

(3)具有較好的隨機性，使其不易被他方捕獲和解密；

(4)各頻點在頻帶內(nèi)均勻分布，以增強抗干擾性能；

(5)跳頻指令碼的數(shù)量要多，可更換，以便多網(wǎng)使用，這樣可進一步提高系統(tǒng)的抗截獲性。

    從國內(nèi)外資料和研究來看，跳頻圖案的構(gòu)造通常采用m序列、M序列、Gold碼和鐘控碼等產(chǎn)生。這些碼各有優(yōu)缺點，其中鐘控碼性能最好且數(shù)量多；非線性碼相關(guān)性能較好、編碼復(fù)雜度高、難于破譯，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，挑選碼比較困難；Gold碼數(shù)量多，周期長，具有三值互相關(guān)性；RS碼相關(guān)性好，但周期短；M序列也屬于非線形碼，其數(shù)量雖多，但相關(guān)性差；m序列相關(guān)性能好，實現(xiàn)簡單，但數(shù)量少。綜合各方面的因素，筆者采用了理論研究最完備、易于產(chǎn)生的m序列，并通過非線性變換的方法，增加序列的復(fù)雜度，并使其非線性化、具有優(yōu)良的自相關(guān)和互相關(guān)性能。A．Lempl和H．Greenberger于1974年提出了具有最佳漢明相關(guān)性能的跳頻序列簇的構(gòu)造模型，它是基于有限域GF(P)上的n級m序列發(fā)生器。以發(fā)生器的眾個相鄰級(k≤n)與某個k項逐項模P相加后，去控制頻率合成器，此模型稱為L-G模型。L-G模型中存在嚴(yán)重的頻點滯留問題：每當(dāng)在移位寄存器中出現(xiàn)n重XX…X，XεGF(P)，X≠0，輸入到頻率合成器的是連續(xù)n-k+1跳變的k重XX…X。這樣信號在某個頻率上停留相當(dāng)長的時間，很容易被非法接收機檢測。

因此，在L-G模型上進行改進，采用了k個非相鄰級緩解頻點滯留問題，采用平滑替代算法[5]進行跳頻圖案的寬間隔處理。定義頻帶F：

F={f1|0≤i≤N-1}

只要滿足|fi+1-fi|≥d就稱為寬間隔跳頻點，反之稱為窄點。對于窄點有修正關(guān)系式：

PN（i+1）=[PN(i)+d]modN

其中，N為跳頻頻點數(shù)；d為跳頻間隔；PN(i)為跳頻碼號。

這樣對窄點通過修正處理后，在頻域F上所確定的頻率點就構(gòu)成了所需要的寬間隔跳頻圖案集。這種方法不需要構(gòu)造對偶頻點或者對偶頻帶，保證了偽碼序列的隨機性，又等于進行了第二次非線性變換，使偽碼(m序列)的非線性化程度和抗破譯能力大大增強。從而得到既滿足寬間隔要求，又克服L-G模型缺點的寬間隔跳頻圖案，構(gòu)造模型如圖4所示。這種跳頻序列構(gòu)造模型用FPGA或CPLD實現(xiàn)是不難的，但從系統(tǒng)成本出發(fā)，利用帶ARM內(nèi)核的DSP實現(xiàn)。而跳頻頻率合成器當(dāng)然就利用ML2724內(nèi)部所集成的頻率合成器。

    2．4 系統(tǒng)的同步問題考慮

跳頻系統(tǒng)的同步是成功通信的前提條件。如果沒有同步，也就無法解調(diào)出信碼，跳頻系統(tǒng)的抗干擾也就無法發(fā)揮。由于收發(fā)時鐘的不一致性、跳頻序列的啟動時差、電波傳播時延等因素，接收端啟動的跳頻序列與接收到的發(fā)送跳頻序列開始總是不同步的。因此，收端必須采用一定的技術(shù)措施迫使本地跳頻序列與發(fā)端的跳頻序列同步，這就是跳頻碼的捕獲；在取得同步之后，噪聲及一些外來因素的干擾還會迫使已取得的同步出現(xiàn)失鎖現(xiàn)象，為此還應(yīng)采取保持同步的技術(shù)，這就是同步跟蹤。

跳頻同步是系統(tǒng)初始同步、遲入網(wǎng)勤務(wù)同步和快速同步三者的有機結(jié)合。初始同步是網(wǎng)內(nèi)用戶通過搜索初始同步信息而快速達到同步進入正常通信，是通信雙方溝通的主要手段；勤務(wù)同步是遲于初始同步信息發(fā)送之后而處于搜索狀態(tài)的用戶，通過搜索網(wǎng)內(nèi)用戶數(shù)據(jù)流中插入的同步信息來及時加入網(wǎng)內(nèi)通信，同時勤務(wù)信息也是同步保持及快速同步的保證。同步的建立離不開同步信息。本系統(tǒng)設(shè)計的同步信息內(nèi)容包括相關(guān)碼、標(biāo)記、位同步、網(wǎng)號、頻率表示號、TOD及其他信息。通信開始時，接收機不斷地搜索同步信息，當(dāng)從四個循環(huán)頻率中檢測到兩次同步信息，則認(rèn)為抓到了同步，并根據(jù)相關(guān)碼和標(biāo)志，確定出通信的起始時刻；并后續(xù)地跳頻點傳送相同的位同步、網(wǎng)號、頻率號信息。為了增加抗干擾能力，采用擇多判決。最后，接收完TOD信息后，即可換算出對應(yīng)的跳頻圖案，開始數(shù)據(jù)或數(shù)字話音信息的傳輸。

為了使電臺有遲后入網(wǎng)和同步保持的功能，需在傳輸數(shù)據(jù)流中攜帶一定的同步信息(勤務(wù)同步)，以滿足通信的要求。遲入網(wǎng)同步中，如在此幀檢測失敗，則下幀繼續(xù)搜索，直到抓住正確的勤務(wù)同步信息為止。另外，利用每幀中的勤務(wù)同步信息可實現(xiàn)同步保持。在每幀同步信息出現(xiàn)時，接收機在出現(xiàn)相關(guān)碼、標(biāo)記的跳頻區(qū)域加大搜索窗口，利用收到的相關(guān)信息，調(diào)整發(fā)生偏移的跳頻時鐘，達到同步保持的目的。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

系統(tǒng)同步的軟件設(shè)計主要考慮接收部分的初始同步捕獲和同步處理。接收同步處理由DSP協(xié)同ML2724共同完成，DSP(帶ARM內(nèi)核)從ML2724提取同步信息，經(jīng)過相關(guān)運算，判斷跳頻是否達到同步。獲得初同步以后，數(shù)據(jù)交由DSP完成主要的同步處理過程。系統(tǒng)接收同步過程的軟件流程如圖5所示。

在通信技術(shù)領(lǐng)域，擴、跳頻技術(shù)以其低截獲率、保密性好、抗干擾、抗衰落能力強、多址連接靈活、對窄帶信號干擾小等特點，顯示出其他傳輸體制無與倫比的優(yōu)越性，廣泛應(yīng)用于雷達、導(dǎo)航、通信、遙控遙測等各個領(lǐng)域，尤其是在軍事通信方面的成功應(yīng)用，受到了各國軍方的高度重視。在民用方面，跳頻技術(shù)也有廣泛的應(yīng)用，在頻率資源日益緊張的現(xiàn)代無線通信中，跳頻通信系統(tǒng)通過跳頻調(diào)制偽碼的優(yōu)良的自、互相關(guān)特性，實現(xiàn)多址，增大系統(tǒng)容量。本文所設(shè)計的2．4GHz快速跳頻系統(tǒng)可以廣泛應(yīng)用在小局域無線通信系統(tǒng)，例如目前比較熱門的無線局域網(wǎng)中，尤其可以采用無線局域網(wǎng)的組網(wǎng)方式，實現(xiàn)熱點地區(qū)的無線覆蓋。