短波扩频猝发通信系统的DSP+FPGA设计方案

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引言
        
短波通信是一种能进行远距离传输，而对电台的要求相对较低的通信系统。短波具有的远距离通信能力和电台具有的较高机动性等特点，使其在军事通信领域中具有重要的应用价值。然而，短波信道频带窄，传播特性不稳定，干扰严重，信号易被敌人截获、测向和干扰。一种有效的抗干扰措施就是将扩展频谱通信技术及猝发通信技术应用于短波通信中，进行短波超快速扩频猝发通信。随着现代通信技术的飞速发展，特别是扩频技术在第三代移动通信中的成功应用，为实现扩通信和猝发扩频数据传输奠定了技术基础。超大规模集成电路和高速信号处理器高效的处理能力和处理速度也为实现短波猝发扩频数据传输提供了良好的硬件平台。
      
本文首先给出了一种DS-QPSK短波扩频猝发通信的系统方案，着重对其中的同捕获技术进行了研究，采用滑动相关法来实现序列的同步，并运用Matlab工具对其进行了仿真。然后采用TMS320VC33、TMS320VC5509和ALTERA公司的Cyclone系列FPGA构建了硬件平台，给出了DSP+FPGA的混合硬件实现方案。

短波扩频猝发通信系统方案
      
系统构成
      
本系统采用了直接序列扩频技术来实现无线短波数据的发送和接收。具体实现是用32位的沃尔什序列对信息速率为2.4Kbps的数据进行直接序列扩频。在接收端利用扩频码的正交性对数据进行相关解扩，恢复出原始信息，并且由于QPSK调制技术抗噪声性能强，频谱利用率高，结构简单，所以这里采用它作为数据调制方式。数据传输采用超快速猝发通信方式，即每次通信的时隙限定在100ms左右，发送时隙随机分布，难以被捕获和干扰。每个时隙的数据发送前要发送一段同步头，用来完成扩频码的识别、扩频码的同步、帧同步和频差估计等任务，接收端根据同步头获得的信息对数据进行解扩恢复。为了改善性能，运用RAKE接收技术来接收数据，为了进一步提高系统的抗干扰能力，还对信息进行了1/2卷积编码，接收端采用Viterbi译码。系统的基本框图组成如图1所示，分成发射和接收两部分，分别完成数据的发送和接收功能。

            
           
系统同步方案
      
对于扩频系统，接收机要从接收信号中恢复发送的数据信息，必须对接收信号进行解扩。解扩的实现依靠本地产生与发送端相同的扩频序列，并且要求与接收信号扩频序列同步，这是扩频系统中非常重要的环节。
      
扩频序列的同步分为捕获和跟踪两个阶段。捕获阶段完成扩频序列的粗同步，将收、发端扩频序列的相位差限制在一个码片或更小的范围内；跟踪阶段实现收、发端扩频序列的精确同步，让本地参考信号精确跟踪接收信号的相位变化。如何可靠的实现扩频序列的快速捕获是影响系统性能的关键。常用的同步捕获方法有滑动相关法、同步头法、跳频同步法、发射参考信号法、匹配滤波器同步法等，而滑动相关法是一种最简单、最实用的捕获方法。本文采用的就是这种方法。确定信号捕获和完成码元同步，要求同时满足以下三个准则：①在连续4个接收码元中至少有3个与预定同步码的顺序相吻合；②接收到的单音功率谱峰值高过门限；③各单音出现峰值间隔连续且次序正确。
      
在本系统中，由于采用的是猝发通信形式，时隙较短，仅为100ms左右，因此可以认为信道短时平稳，发送数据的同步信息也可以一次确定，而且也可认为多径的每条路径上的时延也基本是恒定，因此只需由前导序列一次确定相关同步信息。由于发送的前导序列是双方约定好的正交码序列集，接收端利用码字的正交性，用本地序列与接收序列滑动相关，相关峰最大值所对应的位置即为同步点。如表1所示为发送数据帧结构。
         
同步序列由48个32位Walsh序列构成，采用了级联编码。第一层编码为沃尔什序列加扰码。对于沃尔什序列来说，同步情况下的自相关和互相关性能很好。但是在非同步的情况下，沃尔什序列的正交性变差，相关函数有较大的旁瓣值，造成信号间的干扰。为减小旁瓣值，改善Walsh码的特性，用扰码乘以沃尔什序列，得到的新码作为前导序列的内码，则相关性能得到改善。第二层是对Walsh序列与48个相位组合的相乘，其中48个相位组合为 /4，3 /4，- /4，-3 /4的排列组合。经Matlab仿真取一组使所得到的相关峰较为理想，如图2所示。

        

基于DSP+FPGA的硬件平台
      
本系统采用TI公司的高性能浮点数字信号处理器TMS320VC33和定点的TMS320VC5509两片DSP芯片作为系统的中央CPU，并采用ALTERA公司的Cyclone系列F
PGA设计出高速数字相关器，用于前端的信号同步与捕获，三个芯片协同工作，并以此为主体架构系统的整个硬件工作平台。
主要芯片介绍
      
TMS320VC33是TI公司推出的高性能浮点运算DSP芯片。由于其较高的性能价格比，使其应用较为广泛。它的结构允许它以定点的速率完成浮点操作，因此非常适合于做高速高精度的浮点运算，这一优点对于像短波信道快速估值等实时性精确度要求特别高的数字信号处理应用显得尤为重要。TMS320VC5509处理器是TI公司最新推出的高性能低功耗定点数字信号处理器TMS320C55x系列中的一员。TMS320C55x系列是在C54x系列的基础上发展起来的，能与C54x兼容，不仅增加了硬件资源，也优化了资源管理。
      
TMS320VC5509运行速度快，还可以进行多种并行操作，片内外设资源也比较丰富，与外围设备的连接很方便，所以非常适合用来作控制用。根据上述两种处理器的特点，综合考虑系统的设计要求，我们把TMS320VC5509作为系统的主处理器，而TMS320VC33作为其协处理器。
      
本文是采用Cyclone系列芯片来实现数字相关器对采样点值进行一次相关，将相关结果送给中央处理器DSP，进行下一步的同步和解扩等处理。ALTERA公司的Cyclone器件具有专用电路，可以实现双数据率（DDR）SDRAM和FCRAM接口。Cyclone器件最多有两个锁相环（PLL），共有六个输出和四种层次化结构，为复杂设计提供了强大的时钟管理电路。

系统硬件模型框图及概述
      
首先从电台接收过来的基带扩频信号是差分输入的，先经过一个1:1的隔离变压器变为单端输出，再经过运放将其抬高到直流电平以上，低通滤波后送到模数转换器AD7492进行采样处理，采样结果在FPGA中锁存，并在FPGA内部进行希尔伯特变换和相关处理。在一个样点间隔内，进行当前样点值的希尔伯特变换，同时并行地进行前一个样点的相关运算。将相关结果分成四个部分，锁存在对应的四个地址中，由TMS320VC5509分四次依次读取。由TMS320VC5509和TMS320VC33完成信号的捕获和码元的判决。将处理好的数据通过TMS320VC5509送到数模转换器TLV5619中进行数模转换，转换得到的模拟信号经过低通滤波和运放放大以后，再通过同样的一个1:1的隔离变压器变为差分输出送到扩频电台。如图3所示为系统的核心部分。
            
TMS320VC5509和TMS320VC33的互通
      
本方案采用的是用DSP串口来实现TMS320VC5509和TMS320VC33之间的通信。由于TMS320VC5509的多通道缓冲串口远比TMS320VC33的串行口功能强大，设置灵活，所以在设计的时候我们就考虑将TMS320VC5509的串口设为主方，TMS320VC33的串口设为从方，连接图如图4所示。
         
      
将TMS320VC5509内部采样速率发生器的输入参考时钟设置为CPU时钟，通过对CPU时钟的分频来得到串口移位时钟和帧同步信号，并由TMS320VC5509提供收发双方的移位时钟，而帧同步信号则由发送方提供。同时将TMS320VC33设置为标准模式、固定速率的工作方式，与TMS320VC5509的串口匹配。通过双方设置可以进行每帧16bit或32bit的传输。这样双方DSP可以通过握手，采用中断或查询方式来进行数据的高速收发，并且还可以灵活地对双方串口的工作方式进行改进。

      
下面给出TMS320VC5509多通道缓冲串口及TMS320VC33串行口通信的关键程序段。
TMS320V
C5509多通道缓冲串口初始化程序:
MOV #0x0000，PORT(#SPCR2_1) ；采用多通道缓冲模式
MOV #0x0000，PORT(#SPCR1_1)
MOV #0x0040，PORT(#RCR1_1) ；接收每帧1个阶段,每阶段1个字，字长
MOV #0X0001，PORT(#RCR2_1) ；16比特，不压扩，1比特延迟
MOV #0x0040，PORT(#XCR1_1) ；发送每帧1个阶段,每阶段1个字，字长
MOV #0X0001，PORT(#XCR2_1) ；16比特，不压扩，1比特延迟
MOV #0x0003，PORT(#SRGR1_1) ；脉宽1个clkr/x，clkr/x为4分频（最大）
MOV #0x200f，PORT(#SRGR2_1)
MOV #0x0B00，PORT(#PCR1) ； fsr设为输入
MOV #0x0040，PORT(#SPCR2_1) ；GRST=1，启动采样速率发生器
MOV #0x00c0，PORT(#SPCR2_1) ；FRST=1，启动帧同步
MOV #0x00c1，PORT(#SPCR2_1) ；XRST=1，启动发送器
MOV #0x0001，PORT(#SPCR1_1) ；RRST=1，启动接收器
TMS320VC33串行口初始化程序：
LDI @p0_addr，ar0 ；p0_addr=808040h 总体控制寄存器
LDI 331h，r1 　；FSX/DX 设定为输出 CLKX设定为输入
STI r1，*+ar0(2) ；FSX/DX/CLKX串口控制寄存器
LDI 111h，r1 　；FSR/DR/CLKR设定为输入
STI r1，*+ar0(3) ；FSR/DR/CLKR串口控制寄存器
LDI @p0_global，r1 ；00e940004h 固定速率 标准模式 16bit 　　STI r1，*ar0
LDI @buff_rec，ar7 ；接收缓冲区
LDI 020h，ie ；CPU串行端口0接收中断启用
STIR1，*+AR0(8)　；AR0指向串行端口总体控制寄存器(00808040h)

结束语
      
现代通信技术和超大规模集成电路以及高速信号处理器的高速发展，使得短波猝发扩频通信在军事通信中极具潜力。本文给出了一种DS-QPSK短波扩频猝发通信的系统实现方案，并运用TMS320VC33、TMS320VC5509和ALTERA公司的Cyclone系列FPGA构建的硬件平台进行了DSP+FPGA的混合硬件实现，得到的系统性能已达到预期的要求，实现了数据的有效实时处理。