跳頻信號頻率測量技術(shù)研究及實(shí)現(xiàn)

重慶通信學(xué)院信息柵格實(shí)驗(yàn)室 鄭 鶴 李高峰 楊 尹

跳頻信號頻率測量技術(shù)研究及實(shí)現(xiàn)

重慶通信學(xué)院信息柵格實(shí)驗(yàn)室 鄭 鶴 李高峰 楊 尹

跳頻通信在軍事和民用領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。本文詳細(xì)闡述了對跳頻通信設(shè)備的頻率測量的原理、工作流程以及頻率檢測設(shè)備的設(shè)計(jì)，對測量精度及檢測設(shè)備參數(shù)進(jìn)行了分析，并在CPLD上實(shí)現(xiàn)了檢測算法，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)低成本、高精度、可控性強(qiáng)的跳頻信號頻率測量設(shè)備。

跳頻；CPLD；頻率測量

1 引言

跳頻通信由于具有抗干擾、多址組網(wǎng)等特點(diǎn),在戰(zhàn)術(shù)通信中得到廣泛的應(yīng)用[1]。因此,對跳頻信號頻率的測量至關(guān)重要。一般可以借助頻譜儀來測量頻率,但是頻譜儀價(jià)格高昂,而且不易攜帶。本文提出了一種跳頻信號頻率測量方法,給出了測量原理,流程以及分析了測量精度,在此基礎(chǔ)上編寫硬件程序,在CPLD上實(shí)現(xiàn),做到成本低廉,體積小巧,靈活可控。

2 單一頻率測量原理

跳頻信號頻率測量是以單頻信號頻率測量為基礎(chǔ)的。單頻頻率測量系統(tǒng)如圖1所示:

圖1 單頻頻率測量系統(tǒng)示意圖

圖中系統(tǒng)時(shí)鐘作為基準(zhǔn)時(shí)鐘,頻率為Fsys,用一個(gè)計(jì)數(shù)器(計(jì)數(shù)器1)基于系統(tǒng)基準(zhǔn)時(shí)鐘計(jì)數(shù);將待測的單頻信號進(jìn)過施密特觸發(fā)器后連接至CPLD的全局時(shí)鐘管腳,作為系統(tǒng)的另一個(gè)時(shí)鐘,用另一個(gè)計(jì)數(shù)器(計(jì)數(shù)器2)基于此時(shí)鐘計(jì)數(shù)。兩個(gè)計(jì)數(shù)器由同一個(gè)RESET信號控制,滿足同時(shí)從0開始計(jì)數(shù)的條件,這樣才能保證計(jì)數(shù)值有效。當(dāng)計(jì)數(shù)器1記到一個(gè)特定值C1時(shí),同時(shí)記錄計(jì)數(shù)器2當(dāng)前的計(jì)數(shù)值C2。由簡單的換算關(guān)系可以得出此時(shí)的輸入單頻信號的頻率Fin為:

可以看出,此系統(tǒng)僅需要一塊CPLD、一個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘和一個(gè)施密特觸發(fā)器,電路連接簡單,易于實(shí)現(xiàn),且可以控制成本和設(shè)備體積。

在通用的頻率測試系統(tǒng)中,需要用AD對輸入頻率進(jìn)行采樣。在本設(shè)計(jì)中,用施密特觸發(fā)器來對輸入信號進(jìn)行整形,然后將整形后的信號接入CPLD的全局時(shí)鐘管腳。施密特觸發(fā)器芯片的價(jià)格比AD芯片的價(jià)格低廉,這樣設(shè)計(jì)能夠節(jié)約成本,并且能夠達(dá)到很好的效果。

本系統(tǒng)的單次檢測時(shí)間T為:

假設(shè)系統(tǒng)所采用的基準(zhǔn)時(shí)鐘準(zhǔn)確,則單次檢測誤差E為:

檢測系統(tǒng)的頻率分辨率S為:

由式可知,如果想提高頻率分辨率,降低誤差,可以進(jìn)一步提高基準(zhǔn)時(shí)鐘計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)閾值C1,或者降低系統(tǒng)時(shí)鐘頻率Fsys。但是由式可知,這樣帶來的后果是單次檢測時(shí)間變長,在檢測跳頻信號的時(shí)候容易漏檢、錯(cuò)檢。因此,在設(shè)計(jì)系統(tǒng)參數(shù)的時(shí)候,需要綜合考慮,設(shè)定合適的參數(shù)。

3 跳頻頻率測量

跳頻系統(tǒng)的頻率測量可以分解為多個(gè)單一頻率測量的問題。和單一頻率不同的是,跳頻系統(tǒng)的頻率在跳變,某一跳頻率的持續(xù)時(shí)間有限。跳頻頻率測量必須保證在一跳的持續(xù)時(shí)間內(nèi)將頻率測量準(zhǔn)確。

圖2 單次測量跨越了兩跳頻率

圖3 每跳必須包含至少兩次測量

對于跳頻系統(tǒng)來說,得到某一跳的頻率往往不能滿足需求。因此,系統(tǒng)設(shè)計(jì)為每一次測量得到2個(gè)或2個(gè)以上跳頻頻率(得到更多頻率的原理與得到2個(gè)頻率的原理是一致的,只是工作流程和程序編寫的復(fù)雜度要增加)。

跳頻頻率檢測的流程如圖4所示。下面以圖2為例來說明得到兩個(gè)跳頻頻率的流程。設(shè)某一時(shí)刻,測量1得到的測量值為m1,下一時(shí)刻,測量2得到的測量值為m2,依此類推,得到6個(gè)測量值,存入6個(gè)寄存器以供比較判斷。

圖4 跳頻頻率檢測流程

進(jìn)行比較的步驟如下:

4 參數(shù)設(shè)計(jì)及系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

由上面的測量原理和步驟可知,如果參數(shù)設(shè)計(jì)不當(dāng),很可能得不到正確的測量值。

本設(shè)計(jì)采用的CPLD為Xilinx公司的XA95144XL[2],價(jià)格較低,采用的系統(tǒng)時(shí)鐘為100MHz,C1取值為100000,測量精度為,在此參數(shù)下,能夠測量最高500跳/秒的調(diào)頻通信設(shè)備的頻率。在實(shí)際應(yīng)用中,對軍用短波電臺(151,154)進(jìn)行測量,誤差值都在理論范圍之內(nèi)。

5 結(jié)束語

本文提出了一種跳頻信號頻率的測量方法,探討了設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)需要注意的參數(shù),完成了基于CPLD的跳頻信號頻率測量系統(tǒng)的設(shè)計(jì),并編程實(shí)現(xiàn)。在實(shí)際應(yīng)用中取得了良好的效果。本檢測算法可以針對不同的設(shè)備和要求對參數(shù)進(jìn)行調(diào)整,在取適當(dāng)參數(shù)的情況下,本算法能夠達(dá)到很高的頻率分辨率,滿足高精度測量的要求。

［1］梅文華,王淑波.跳頻通信［M］.北京:國防工業(yè)出版社,2005,8-22.

［2］Xilinx DS600:XA95144XL Automotive CPLD Data Sheet.Xilinx公司,2007,4-3.

鄭鶴（1982—），男，江西婺源人，重慶通信學(xué)院信息柵格實(shí)驗(yàn)室講師，主要研究方向：數(shù)字調(diào)制、解調(diào)技術(shù)及其硬件實(shí)現(xiàn)方法。