一種基于FPGA跳頻解碼實(shí)現(xiàn)方法

摘 要：跳頻技術(shù)作為一種有效的抗干擾手段，廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代雷達(dá)信號(hào)處理領(lǐng)域。為了準(zhǔn)確接收到各個(gè)頻率片，確定頻率片的起始點(diǎn)，需要對(duì)接收的序列進(jìn)行連續(xù)的FFT處理。目前FPGA器件廠(chǎng)商提供的FFT處理模塊不能滿(mǎn)足這一時(shí)序要求，這里提出了一種基于FPGA的快速連續(xù)FFT實(shí)現(xiàn)方法，以相對(duì)較少的硬件資源換取時(shí)序要求。實(shí)驗(yàn)證明，該方法能夠滿(mǎn)足時(shí)序和精度要求，同時(shí)通過(guò)了FPGA的時(shí)鐘約束條件，滿(mǎn)足工程應(yīng)用的實(shí)時(shí)性要求，有一定工程應(yīng)用價(jià)值。

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關(guān)鍵詞：跳頻; 頻率段; FFT; FPGA

中圖分類(lèi)號(hào)：

TN914.4134

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1004373X(2012)05

0015

03

Implementation of frequency hopping decoding based on FPGA

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GUO Lei， YAO Zhiwen

(China Airborne Missile Academy， Luoyang 471009， China)

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Abstract：

As an impactful antiinterference method， frequencyhop is widely used in modern radar signal processing field. To detect starting point of the frequency spice， we must process the receive sequence with FFT continuously， but FFT core of FPGA can't realize this function. In this paper， a method is presented to resolve the problem. Test results show that the method can meet the requirement of project， has a magnificent value in the project.

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Keywords： frequencyhopping; frequency band; FFT; FPGA

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收稿日期：20110928

0 引 言

載機(jī)通過(guò)向?qū)梻魉湍繕?biāo)、載機(jī)的相對(duì)位置和速度數(shù)據(jù)以及其他有用的信息，保證在制導(dǎo)過(guò)程中，目標(biāo)機(jī)動(dòng)時(shí)，導(dǎo)引系統(tǒng)仍能可靠截獲目標(biāo)，這一過(guò)程實(shí)現(xiàn)需要完成大量數(shù)據(jù)通信。數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)是增大制導(dǎo)距離的主要技術(shù)途徑。數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)本質(zhì)上是一個(gè)通信系統(tǒng)，包括彈上數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)和機(jī)載數(shù)據(jù)鏈設(shè)備。提高數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的抗干擾能力是確保導(dǎo)彈性能的關(guān)鍵［12］，本文是在將擴(kuò)頻通信技術(shù)引入數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)［34］，提高其抗干擾能力的背景下，針對(duì)擴(kuò)頻通信的解碼問(wèn)題提出的。目前，信號(hào)的頻域處理主要集中在FPGA中，利用IPcore自帶的FFT核實(shí)現(xiàn)，但廠(chǎng)商自帶的IPcore不能滿(mǎn)足擴(kuò)頻通信中實(shí)時(shí)、連續(xù)FFT處理需求。本文從工程應(yīng)用角度出發(fā)，利用FPGA豐富的硬件資源搭建滿(mǎn)足工程需要的自定制FFT核，并通過(guò)硬件平臺(tái)對(duì)自定制FFT核進(jìn)行仿真驗(yàn)證。從仿真結(jié)果看，自定制FFT核滿(mǎn)足工程應(yīng)用需求。

1 數(shù)據(jù)鏈碼元簡(jiǎn)介

數(shù)據(jù)鏈信息以二進(jìn)制編碼形式表示，經(jīng)過(guò)m序列調(diào)制，形成待發(fā)送的二進(jìn)制數(shù)據(jù)［56］。為了增加發(fā)射的信號(hào)功率，增加系統(tǒng)的抗干擾能力，用DDS產(chǎn)生不同頻率的波形來(lái)表示0，1信號(hào)發(fā)出［7］。所以，數(shù)據(jù)鏈通信的難點(diǎn)就是將接收的波形信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)FFT處理，通過(guò)比較器準(zhǔn)確地判斷接收的信息為0還是為1，其中找出碼元的起始位是整個(gè)碼元接收的關(guān)鍵。

以往，F(xiàn)FT都是用軟件自帶的IPcore實(shí)現(xiàn)，其受到本身設(shè)計(jì)的限制，點(diǎn)數(shù)越多，延時(shí)越大，并且不能實(shí)現(xiàn)連續(xù)的FFT處理。本系統(tǒng)要求對(duì)接收的信息以16個(gè)采樣數(shù)據(jù)為一個(gè)單元進(jìn)行FFT的頻域變換處理，為了準(zhǔn)確找出碼元的起始位置，需要對(duì)每個(gè)采樣數(shù)據(jù)與前面15個(gè)緩存的采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT處理，軟件自帶FFT核無(wú)法實(shí)現(xiàn)。本文提出利用N點(diǎn)復(fù)數(shù)FFT計(jì)算2N點(diǎn)實(shí)數(shù)FFT的算法，設(shè)計(jì)自定制的FFT核，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的頻域處理，既避免浪費(fèi)較多的硬件資源，又滿(mǎn)足了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求。

2 FFT核設(shè)計(jì)

圖1為自定義的FFT核的基本框圖，從圖中可以看出，核將A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)緩存到16個(gè)數(shù)據(jù)寄存器中，每一個(gè)時(shí)鐘周期將高位數(shù)據(jù)寄存器內(nèi)數(shù)據(jù)用次高位數(shù)據(jù)代替，最低位為本時(shí)鐘周期內(nèi)新進(jìn)的數(shù)據(jù)。同時(shí)，將延時(shí)寄存器內(nèi)數(shù)據(jù)傳到FFT數(shù)據(jù)寄存器中進(jìn)行運(yùn)算，這樣每個(gè)時(shí)鐘周期都有16個(gè)數(shù)據(jù)輸入，經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換模塊，將16個(gè)實(shí)數(shù)序列轉(zhuǎn)換成8個(gè)復(fù)數(shù)序列，輸出給FFT核，F(xiàn)FT核直接計(jì)算其結(jié)果，再由轉(zhuǎn)換模塊從8點(diǎn)復(fù)數(shù)FFT結(jié)果計(jì)算出16點(diǎn)實(shí)數(shù)FFT結(jié)果傳送到下一處理單元。

由上式可實(shí)現(xiàn)用N點(diǎn)FFT計(jì)算2N點(diǎn)FFT。

2.2 8點(diǎn)FFT實(shí)現(xiàn)

圖3給出了8點(diǎn)FFT的框圖，傳統(tǒng)FFT都是用一個(gè)蝶形運(yùn)算單元，通過(guò)緩存數(shù)據(jù)，同地址循環(huán)計(jì)算得到FFT結(jié)果。點(diǎn)數(shù)越多，需要等待的周期越長(zhǎng)。為了實(shí)現(xiàn)一個(gè)周期內(nèi)完成3級(jí)蝶形運(yùn)算的實(shí)時(shí)性要求，采用12個(gè)蝶形運(yùn)算單元，構(gòu)成3級(jí)流水操作。由于本系統(tǒng)采用定點(diǎn)形式完成FFT運(yùn)算，為了減小運(yùn)算過(guò)程中截?cái)嗾`差引入的噪聲影響，這里采用舍入法［9］減少誤差的影響。其算法實(shí)現(xiàn)在蝶形模塊的加法器模塊中進(jìn)行。表1給出了8點(diǎn)FFT權(quán)值。

3 仿真結(jié)果及分析

仿真時(shí)，以單頻正弦序列經(jīng)12位量化處理后數(shù)據(jù)作為輸入進(jìn)行仿真。圖4為FFT核輸出結(jié)果。從圖中可以看出，經(jīng)過(guò)8個(gè)周期的緩沖，以后每個(gè)周期都有FFT結(jié)果輸出，新增數(shù)據(jù)與前15個(gè)數(shù)據(jù)再進(jìn)行FFT處理，實(shí)現(xiàn)連續(xù)FFT操作，得到了碼元變換后的頻域信息，經(jīng)過(guò)門(mén)限判斷，可得出最大值所在數(shù)組為碼元起始位置。圖5為輸出結(jié)果，經(jīng)Matlab程序?qū)牒蟮膱D形輸出，并與理想浮點(diǎn)運(yùn)算進(jìn)行比較，給出了誤差曲線(xiàn)。從誤差曲線(xiàn)中可以看出最大誤差為1e-3量級(jí)，在系統(tǒng)允許誤差范圍內(nèi)。

4 結(jié) 論

自定義的FFT核能滿(mǎn)足系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，每16點(diǎn)

實(shí)時(shí)輸出連續(xù)的FFT運(yùn)算結(jié)果，且誤差在系統(tǒng)允許范圍內(nèi)，使后期數(shù)據(jù)鏈解碼工作得以進(jìn)行。但由于本方法是在犧牲硬件資源的條件下進(jìn)行的，且編程復(fù)雜，只能針對(duì)FFT點(diǎn)數(shù)較少的系統(tǒng)，復(fù)雜系統(tǒng)本方法并不適宜，這也是下個(gè)階段要研究的內(nèi)容。

參 考 文 獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：

國(guó) 磊 男，1982年出生，遼寧錦州人，碩士，工程師。主要研究方向?yàn)槔走_(dá)信號(hào)處理及其實(shí)現(xiàn)。

姚志文 男，1974年出生，河南周口人，碩士，工程師。主要研究方向?yàn)槔走_(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。