一種基于FPGA跳頻解碼實現方法
2012-04-12 00:00:00國磊姚志文
現代電子技術 2012年5期
摘 要：跳頻技術作為一種有效的抗干擾手段，廣泛應用于現代雷達信號處理領域。為了準確接收到各個頻率片，確定頻率片的起始點，需要對接收的序列進行連續的FFT處理。目前FPGA器件廠商提供的FFT處理模塊不能滿足這一時序要求，這里提出了一種基于FPGA的快速連續FFT實現方法，以相對較少的硬件資源換取時序要求。實驗證明，該方法能夠滿足時序和精度要求，同時通過了FPGA的時鐘約束條件，滿足工程應用的實時性要求，有一定工程應用價值。
關鍵詞：跳頻; 頻率段; FFT; FPGA
中圖分類號：
TN914.4134
文獻標識碼：A
文章編號：1004373X(2012)05
0015
03
Implementation of frequency hopping decoding based on FPGA
GUO Lei， YAO Zhiwen
(China Airborne Missile Academy， Luoyang 471009， China)
Abstract：
As an impactful antiinterference method， frequencyhop 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.
Keywords： frequencyhopping; frequency band; FFT; FPGA
收稿日期：20110928
0 引 言
載機通過向導彈傳送目標、載機的相對位置和速度數據以及其他有用的信息，保證在制導過程中，目標機動時，導引系統仍能可靠截獲目標，這一過程實現需要完成大量數據通信。數據鏈系統是增大制導距離的主要技術途徑。數據鏈系統本質上是一個通信系統，包括彈上數據鏈系統和機載數據鏈設備。提高數據鏈系統的抗干擾能力是確保導彈性能的關鍵［12］，本文是在將擴頻通信技術引入數據鏈系統［34］，提高其抗干擾能力的背景下，針對擴頻通信的解碼問題提出的。目前，信號的頻域處理主要集中在FPGA中，利用IPcore自帶的FFT核實現，但廠商自帶的IPcore不能滿足擴頻通信中實時、連續FFT處理需求。本文從工程應用角度出發，利用FPGA豐富的硬件資源搭建滿足工程需要的自定制FFT核，并通過硬件平臺對自定制FFT核進行仿真驗證。從仿真結果看，自定制FFT核滿足工程應用需求。
1 數據鏈碼元簡介
數據鏈信息以二進制編碼形式表示，經過m序列調制，形成待發送的二進制數據［56］。為了增加發射的信號功率，增加系統的抗干擾能力，用DDS產生不同頻率的波形來表示0，1信號發出［7］。所以，數據鏈通信的難點就是將接收的波形信號進行實時FFT處理，通過比較器準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碼元接收的關鍵。
以往，FFT都是用軟件自帶的IPcore實現，其受到本身設計的限制，點數越多，延時越大，并且不能實現連續的FFT處理。本系統要求對接收的信息以16個采樣數據為一個單元進行FFT的頻域變換處理，為了準確找出碼元的起始位置，需要對每個采樣數據與前面15個緩存的采樣數據進行FFT處理，軟件自帶FFT核無法實現。本文提出利用N點復數FFT計算2N點實數FFT的算法，設計自定制的FFT核，實現信號的頻域處理，既避免浪費較多的硬件資源，又滿足了系統的實時性要求。
2 FFT核設計
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轉換后的數據緩存到16個數據寄存器中，每一個時鐘周期將高位數據寄存器內數據用次高位數據代替，最低位為本時鐘周期內新進的數據。同時，將延時寄存器內數據傳到FFT數據寄存器中進行運算，這樣每個時鐘周期都有16個數據輸入，經過轉換模塊，將16個實數序列轉換成8個復數序列，輸出給FFT核，FFT核直接計算其結果，再由轉換模塊從8點復數FFT結果計算出16點實數FFT結果傳送到下一處理單元。
由上式可實現用N點FFT計算2N點FFT。
2.2 8點FFT實現
圖3給出了8點FFT的框圖，傳統FFT都是用一個蝶形運算單元，通過緩存數據，同地址循環計算得到FFT結果。點數越多，需要等待的周期越長。為了實現一個周期內完成3級蝶形運算的實時性要求，采用12個蝶形運算單元，構成3級流水操作。由于本系統采用定點形式完成FFT運算，為了減小運算過程中截斷誤差引入的噪聲影響，這里采用舍入法［9］減少誤差的影響。其算法實現在蝶形模塊的加法器模塊中進行。表1給出了8點FFT權值。
3 仿真結果及分析
仿真時，以單頻正弦序列經12位量化處理后數據作為輸入進行仿真。圖4為FFT核輸出結果。從圖中可以看出，經過8個周期的緩沖，以后每個周期都有FFT結果輸出，新增數據與前15個數據再進行FFT處理，實現連續FFT操作，得到了碼元變換后的頻域信息，經過門限判斷，可得出最大值所在數組為碼元起始位置。圖5為輸出結果，經Matlab程序導入后的圖形輸出，并與理想浮點運算進行比較，給出了誤差曲線。從誤差曲線中可以看出最大誤差為1e-3量級，在系統允許誤差范圍內。
4 結 論
自定義的FFT核能滿足系統的設計要求，每16點
實時輸出連續的FFT運算結果，且誤差在系統允許范圍內，使后期數據鏈解碼工作得以進行。但由于本方法是在犧牲硬件資源的條件下進行的，且編程復雜，只能針對FFT點數較少的系統，復雜系統本方法并不適宜，這也是下個階段要研究的內容。
參 考 文 獻
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作者簡介：
國 磊 男，1982年出生，遼寧錦州人，碩士，工程師。主要研究方向為雷達信號處理及其實現。
姚志文 男，1974年出生，河南周口人，碩士，工程師。主要研究方向為雷達系統設計。
