基于FPGA+DSP的跳频电台传输系统

跳频技术是一种具有高抗干扰性、高抗截获能力的扩频技术。接收系统是跳频通信系统中非常重要的部分，自适应跳频技术、高速跳频技术、信道编码技术、高效调制解调技术成为近年来跳频技术发展的新动态，基于FPGA的跳频通信接收系统研究有很高的应用价值。

跳频电台就是采用了频率跳变来扩展频谱，提高抗干扰能力，在军事通信中得到了广泛的应用。基于FPGA+DSP的跳频电台传输系统的设计方案具有很好的可移植性。无线通信调制解调纷繁复杂，数码率及误码率要求也不尽相同，该传输系统还需要能够自适应地检测跳频电台的时钟信息及同步码，并进行相应的处理，以满足业务速率的接收解调。

本文系统中采用Xilinx公司的VIRTEX5 XC5VSX50T668 FPGA，该芯片具有先进的高性能逻辑架构,包含多种硬IP系统级模块，并且还支持以太网与PCI Exprees端点模块。其中RocketIO GTP收发器的设计运行速度为100 Mb/s～3.75 Gb/s，RocketIO GTX收发器的设计运行速度为150 Mb/s～6.5 Gb/s。

1 系统总体架构

该系统采取半双工形式进行工作，通过 PTT进行收/发切换。高速跳频通信系统可具体化为发送状态模型和接收状态模型。本系统的硬件设备分为两个实体，一个负责发送数据，一个负责接收数据，主要的软件工作在基带板和中频板卡上。系统总体框架图如图1所示。

基带板芯片主要包括FPGA和DSP，处理器间使用RapidIO接口交换数据，中频板主要由FPGA和AD/DA转换芯片组成，基带板和中频板通过高速SERDES传输信号数据，基带信号经过信道编码、交织、软扩频，然后添加同步头，组成特定的帧格式后，写入FPGA 的发送消息存储区，其结构图如图2所示。

从图2可以看出，在发送端，数据终端或语音终端将数字信息送入基带信号处理器（高速通用FPGA+DSP），然后DSP 对这些数字信息进行基带处理，得到数字化的基带信号并送入FPGA 进行数字中频处理（频谱上搬移过程），用数字化的方法将信号搬移中频上，数字化的中频信号再经过宽带D/A转换器转化为模拟信号，最后经由射频电路将载有信息的电磁波送入自由空间。

当接收信号到达接收端后，经过前端电路的模拟中频信号将通过宽带A/D 转换器转化为数字信号，并送入FPGA 经行中频处理（频谱下搬移过程），FPGA在把解调以后的数字基带信号送入DSP，DSP 在完成接收基带处理以后，将把信息序列送入远端的语音终端或数据终端，这样就完成了一次完整的通信过程。

对于其中的处理器，本课题选用了TI公司的DSP 芯片TMS320C6487TCI和Xilinx公司的FPGA VIRTEX5 XC5VSX50T668作为高速跳频系统实现的硬件架构载体。其中Xilinx公司的Virtex5系列采用第二代 ASMBL（高级硅片组合模块）列式架构，包含5种截然不同的平台（子系列），比此前任何 FPGA系列提供的选择范围都大，它具有运算速度高、使用灵活、功耗低等优点，可以快速地完成数字信号处理中的特殊运算。2 系统设计

跳频发射机系统包括基带处理部分和中频处理部分，基带处理部分由FPGA和DSP完成，主要处理包括:产生发送消息，进行信道编码、交织，按帧格式进行打包，写入FPGA内部消息存储器，生成跳频图案、跳频数、跳时等参数，写入FPGA内部频率表存储器、跳频数寄存器和跳时寄存器。中频处理部分由FPGA和AD/DA完成，主要处理包括：存储器控制、基带调制、脉冲成形、数字上变频，发送数据控制和跳频控制。为了提高数据的传输速率，处理器之间使用DSP芯片的RapidIO端口进行数据交换，基带板和中频板通过高速SERDES方式转换数据进行传输。

接收机与发射机完全是对偶关系，主要完成的数据处理工作包括：正交数字下变频、解调、解扩、跳频同步等。使用FPGA+DSP的形式完成基带处理部分和控制部分，主要数据处理任务包括对接收到数据的信道解码和解交织，并完成与FPGA接口的数据转换工作。基带部分还需要完成写入跳频频率表、跳频图案、扩频码表，读出解扩后的数据等，FPGA内部存储器用于与DSP进行数据交换。

2.1 硬件设计

跳频电台传输系统的硬件实现如图3～4所示,主要包括两大部分：发送板和接收板。芯片主要包括：VIRTEX5 XC5VSX50T668、TMS320C6487TCI，D/A芯片AD9788、A/D芯片ADS62C17、McBSP接口控制器、存储器模块。在该系统设计方案中假设信源产生的数据率为9.6 kbps。

发送状态下系统的工作原理：终端通过与跳频通信机之间的串口，对跳频通信机的工作模式等参数进行设置，之后就可以进行信息的发送，信源以9.6 kbps的速率将信息通过RS232异步串口连续把数据送给基带速率匹配单元，该单元将数据每32字节分为一组,以3.686 4 Mb