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基于ML2724和DSP的2．4GHz快速跳頻系統(tǒng)設(shè)計(jì)
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(jì)，探討跳頻信道的分配、跳頻圖案的設(shè)計(jì)，以及跳頻同步問題，并給出了部分軟件實(shí)現(xiàn)的流程圖。關(guān)鍵詞：跳頻技術(shù) 擴(kuò)頻通信 無線局域網(wǎng) ML2724 DSP
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(duì)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(xiàn)指出：除了在無線局域網(wǎng)中采用更佳的密鑰機(jī)制，應(yīng)該廣泛使用擴(kuò)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(kuò)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(duì)于跳頻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)通常采用CPLD+FPGA+DSP協(xié)同頻率合成器實(shí)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(jì)。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(jì)，以及跳頻同步問題，并給出了部分軟件實(shí)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(gè)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(diǎn)：
(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(gè)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(dá)到1600跳／秒；
(7)可以利用一個(gè)3線的接口可編程控制PLL；
(8)具有模擬接收信號(hào)強(qiáng)度指示(RSSl)；
(9)在2．4GHz時(shí)，傳輸距離10m～1000m，傳輸速度可達(dá)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(jì)
2．1系統(tǒng)的組成原理
筆者設(shè)計(jì)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(dá)到1600跳／秒。如果跳頻圖案為正交排列，本系統(tǒng)的跳頻點(diǎn)數(shù)最大可以為80個(gè)，非正交排列則為40個(gè)，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(hào)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(shí)現(xiàn)，也可以采用MC3518實(shí)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(jì)，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(diǎn)規(guī)則，鄰近頻率間隔不重疊(非正交排列)，系統(tǒng)的跳頻點(diǎn)數(shù)最多只能有40個(gè)頻點(diǎn)，由于跳頻點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)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(jì)
由于受系統(tǒng)工作頻點(diǎn)的限制，頻點(diǎn)只能在80個(gè)(正交排列)的頻點(diǎn)中偽隨機(jī)地選取。從跳頻系統(tǒng)性能上講，系統(tǒng)對(duì)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(dá)到高保密度的性能和強(qiáng)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(jī)性，使其不易被他方捕獲和解密；
(4)各頻點(diǎn)在頻帶內(nèi)均勻分布，以增強(qiáng)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(jìn)一步提高系統(tǒng)的抗截獲性。
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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(diǎn)，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(shí)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(jí)m序列發(fā)生器。以發(fā)生器的眾個(gè)相鄰級(jí)(k≤n)與某個(gè)k項(xiàng)逐項(xiàng)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(diǎn)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(hào)在某個(gè)頻率上停留相當(dāng)長的時(shí)間，很容易被非法接收機(jī)檢測。
因此，在L-G模型上進(jìn)行改進(jìn)，采用了k個(gè)非相鄰級(jí)緩解頻點(diǎn)滯留問題，采用平滑替代算法[5]進(jìn)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(diǎn)，反之稱為窄點(diǎn)。對(duì)于窄點(diǎn)有修正關(guān)系式：
PN（i+1）=[PN(i)+d]modN
其中，N為跳頻頻點(diǎn)數(shù)；d為跳頻間隔；PN(i)為跳頻碼號(hào)。
這樣對(duì)窄點(diǎn)通過修正處理后，在頻域F上所確定的頻率點(diǎn)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(duì)偶頻點(diǎn)或者對(duì)偶頻帶，保證了偽碼序列的隨機(jī)性，又等于進(jìn)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(qiáng)。從而得到既滿足寬間隔要求，又克服L-G模型缺點(diǎn)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(shí)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(shí)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(shí)鐘的不一致性、跳頻序列的啟動(dòng)時(shí)差、電波傳播時(shí)延等因素，接收端啟動(dòng)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(huì)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(jī)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(dá)到同步進(jìn)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(shí)加入網(wǎng)內(nèi)通信，同時(shí)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(jì)的同步信息內(nèi)容包括相關(guān)碼、標(biāo)記、位同步、網(wǎng)號(hào)、頻率表示號(hào)、TOD及其他信息。通信開始時(shí)，接收機(jī)不斷地搜索同步信息，當(dāng)從四個(gè)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(shí)刻；并后續(xù)地跳頻點(diǎn)傳送相同的位同步、網(wǎng)號(hào)、頻率號(hào)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(duì)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(tái)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(shí)現(xiàn)同步保持。在每幀同步信息出現(xiàn)時(shí)，接收機(jī)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(shí)鐘，達(dá)到同步保持的目的。
3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)同步的軟件設(shè)計(jì)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(yùn)算，判斷跳頻是否達(dá)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(kuò)、跳頻技術(shù)以其低截獲率、保密性好、抗干擾、抗衰落能力強(qiáng)、多址連接靈活、對(duì)窄帶信號(hào)干擾小等特點(diǎn)，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(dá)、導(dǎo)航、通信、遙控遙測等各個(gè)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(shí)現(xiàn)多址，增大系統(tǒng)容量。本文所設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)熱點(diǎn)地區(qū)的無線覆蓋。
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