基于单片机的跳频控制器的设计与实现

1 引言 

   跳频就是“多频、选码、频移键控”，即用伪码序列构成跳频指令来控制频率合成器，并在多个频率中进行选择的移频键控。 

   跳频通信具有抗干扰、抗截获的能力，并能做到频谱资源共享，所以，在当前现代化的电子战中，跳频通信已显示出巨大的优越性，它是战术无线电通信抗干扰措施的具体体现。另外，跳频通信也正应用到民用通信中，以抗衰落、抗多径、抗网间干扰和提高频谱利用率。 

   跳频控制器是跳频通信系统中的核心部件，具有跳频图案的产生、同步、自适应控制等功能。我们研制了超短波跳频通信系统中的跳频控制器。下面详细讨论其设计与实现。 

   2 跳频控制器设计

   2.1 主要技术参数设计 

   考察一下系统的跳频技术性能，主要注意下列各项指标：跳频带宽要宽，跳频的频率数目要多，跳频的速率要快，跳频码的周期要长，跳频系统的同步时间要短。 

   所设计的跳频控制器的主要性能指标如下：跳频速率：203跳/ s；跳频带宽：可在30MHz～87.975MHz范围跳，也可分段跳；跳频频率数：256个；组网能力：能组128个网，有迟入网功能；同步：首次同步时间0.5s，迟后入网同步时间为6s；同步可靠性：误码率10-1时，同步概率为95%；跳频图案：复杂非线性； 跳频序列周期：>1011bit；跳频密钥量：>264；语音数据速率：16kb/s。 

   2.2 硬件系统的设计 

   2.2.1 硬件电路组成 

   整机电路如图1所示。

   它有五个主要模块，其功能简要说明如下。 

   （1）微处理器模块（CPU）是跳频控制器的核心，CPU产生信号控制整个跳频控制器工作。它由87C51FB单片机及外围电路组成。 

   （2）基带模块（BBCC）给收发信机模块和音频单元之间进出的发送和接收信号选定通路。BBCC模块含有下列微电子模块：射频音频接口（RAI）；增量调制器（DM）；先入先出（FIFO）控制器（FC）；Bit同步器（BIS）：使跳频控制器的内部数据时钟与接收数据同步；伪随机码发生器（PRG）：产生确定跳频图案的码，受CPU模块控制。 

   （3）接收模块（RC）搜综接收数据以得到同步数据，它包含下列微电子模块；相关器：将收到的数据和CPU模块提供的数据序列（相关码）进行比较，在相一致（相关）时作出指示；同步检测器和TOD（Time of Day）解码器（SYTD）：译码同步数据并提供指示得到同步的定时信号，还译码TOD数据并将译出数据送CPU模块，SYTD由CPU模块控制；实时时钟（RTC）：当电源由跳频控制器断开时，这块微电子电路保持TOD的跟踪。跟控器电源断开时，一块锂电池给RTC馈电，由一个32.768kHz振荡器作为RTC频率基准。 

   （4）定时模块（TC）提供定时控制信号。 

   （5）系统模块（SYS）使系统的跳频控制单元和其他单元接口。 

   2.2.2 跳频控制器工作原理 

   首先介绍跳频控制器发送通路的工作原理。 

   （1）数字化的发送信号加到FC的串入并出寄存器，FC把发送数据组织为16bit一组。当二个数据字节准备好时，FC对CPU发信号，CPU读取两个字节，并把它们存入作为FIFO寄存器的RAM部分。FIFO控制器的工作起点与跳频周期（用信号HOP表示）的起点同步。 

   （2）FC还包括一个8bit并入串出寄存器。送到收发信机模块去的数据从该寄存器取出。在发送同步序列期间和频率变换期间，从FC的串入并出寄存器来的数据积累在作为FIFO的RAM部分中。 
   
   （3）以信号FOUT-STOPPED（频率为18.3kHz）为时钟将FC的并入串出寄存器的数据字节移出。移出的速率（18.3kHz）高于数据装入FC的速率（16kHz），这两个数据速率之差允许CPU把同步数据插入发送数据流中，并在频率变换期间停止发送数据。 

   （4）由FC移出的数据送到射频音频接口RAI模块。RAI对发送信号滤波并把得到的信号TXBBR加到收发信机模块系统连接器。 

    下面再叙述跳频控制器接收通路的工作原理。 

   （1）RAI把接收信号RXBBR通到位同步器BIS、相关器COR，并经线性均衡器加到FC。 

   （2）COR将接收的数据和CPU提供的基准序列进行逐bit的比较，当一致bit数大于CPU提供的门限时，COR给出相关脉冲。 

   （3）正相关脉冲和负相关脉冲加到位于RC模块的SYTD微电子模块。SYTD监视正相关脉冲，以便检测同步序列。当检测到同步序列时，SYTD产生信号S4。S4的出现受一窗口信号W2的控制。 

   （4）bit同步器BIS使跳频控制器的接收时钟FOUT与接收数据的实际时钟速率同步。在收发信机模块的4ms换频间隔期间和接收同步数据时，一窗口信号W1堵塞FOUT信号。[page] 

   （5）FC把接收数据送到FIFO寄存器，然后从FIFO寄存器送到RAI或DM。接收方式时FC的工作方式和发送方式时的相反，即，数据以18.3kHz速率注入控制器，并以16kHz速率从控制器读出。 

   （6）出现在FC输出端的串序数据加到DM。DM把数据变换成模拟信号，并送絉AI。 

   2.2.3 FPGA在硬件设计中的应用 

   由于FPGA器件具有工作速度快、集成度高和现场可编程的优点，在本设计中，FC模块、COR模块、BIS模块、SYTD模块和PRG模块等均由XILINX公司的FPGA芯片设计实现。 

   2.3 软件系统的设计 

   在软件设计中，既综合了系统的功能、怀能要求及硬件电路，又考虑了软件的易维护性，采用模块化结构。整个软件设计由主程序模块（MAIN）、公用程序模块（COM）、发送程序模块（TR）、搜索程序模块（SR）和接收程序模块（RC）等组成。下面简要介绍RC模块中有关中断服务程序的设计。系统接收时，跳频控制器的主要定时控制信号时序示意图如图2所示。

   87C51FB单片机的PCA模块设置成三个高速输出方式和一个捕获方式，分别产生HOP信号、W1信号和W2信号及捕获S4信号。其中，HOP为频率跳变控制信号，其上升沿指示一个跳周期的开始；W1为窗口信号，低电平期阻塞数据进入FC，高电平期接收机接收数据；S4信号指示同步序列已检出；W2为窗口信号，仅需要同步数据期间允许S4信号通过。 

   HOP、W1和W2信号均以S4信号为基准，在生次收到S4信号时进行调整，接收过程所要完成的主要任务被分别安排在PCA中断服务程序中的S4中断服务子程度、HOP中断服务于程序、W1中断服务子程度和W2中断服务子程度中进行。PCA中断服务程序流程如图3所示。 

   3 结束语 

   本文介绍的跳频控制器已被成功地应用于超短波跳频通信系统中，性能稳定可靠。