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跳频电台中直接数字频率合成器(DDS)的研究.pdf

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上传者: xl46512 2012-05-08 评分 0 0 0 0 0 0 暂无简介 简介 举报

简介:本文档为《跳频电台中直接数字频率合成器(DDS)的研究pdf》,可适用于IT/计算机领域,主题内容包含西安电子科技大学硕士学位论文跳频电台中直接数字频率合成器(DDS)的研究姓名:高璟贤申请学位级别:硕士专业:军事通信学指导教师:杨家玮摘要软件电台是符等。

西安电子科技大学硕士学位论文跳频电台中直接数字频率合成器(DDS)的研究姓名:高璟贤申请学位级别:硕士专业:军事通信学指导教师:杨家玮摘要软件电台是软件无线电技术在通信电台中的应用。跳频通信是扩频通信的一种具有抗干扰、抗截获的能力并能作到频谱资源共享。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。另外跳频通信也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。在跳频系统中频率合成器是核心部件。其跳频数和跳频速率是决定整个跳频通信系统性能的主要参数。跳频系统对频率合成器的要求是:()输出频谱要纯()频率切换速率快:()频率达到稳定的时间短。直接数字合成技术DDS具有低成本、低功耗、高分辨率和快速转换时间等优点是实现快速跳频的一个关键技术。本文在研究了美国AD公司采用先进的DDS技术生产的高集成度频率合成器AD的基础上提出了AD在跳频系统中的应用方案。跳频方案采用软件无线电技术采用DSP作为伪码发生器控制DDS输出频率得到相应的跳频图案。由实物实验表明该设计合理可行。关键词:跳频频率合成直接数字频率合成杂散ABSTRACTApplicationofsoftwaredefinedradioinradiostationresultedinthedevelopmentofwirelesstransceiver.Frequencyhopingtechnologyhasthecapabilitiesofantiinterferenceandantiinterception.AnditCallincreasethebandwidthefficiencyandmoreimportantincommercialwirelesscommunicationbecauseitCanreducetheeffectsimposedbymultipathfadingandCOchannelinterference.TheCOreofafrequencyhoppingsystemisthefrequencysynthesizer.Itshoppingspeedandhoppingpatternsarethekeyfactorsfortheoverallperformanceofthecommunicationsystem.Theessentialrequirementsforthefrequencysynthesizerare."()lowsidebandpower()highhoppingspeed()shortconvergencetime.directdigitalsynthesistechnologyhastheadvantagesoflowcostlowpowerconsumption,llighfrequencydiscriminationandshortswitchingtime.Basedonadahi.ghlyintegratedfrequencysynthesizerusingadvancedDDStechnologybyADIcompany,thispaperintroducestheoperationandapplicationtheoryofADinfrequencyhoppingsystem.Thefrequencyhoppingsystembasedonsoftwaredef'medradio.ADSPsisusedtogeneratequasistochasticsequenceandcontroltheoutprequencyofDDStoconstructrequiredhoppingmaps.Meanwhilethistheoryisquitefeasibleinexperiment.Keywords:frequencyhoppingfrequencysynthesisdirectdigitalfrequencysynthesisspurious西安电子科技大学学位论文独创性(或创新性)声明秉承学校严谨的学风和优良的科学道德本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。申请学位论文与资料若有不实之处本人签名:二燃本人承担一切的法律责任。西安电子科技大学关于论文使用授权的说明本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定即:研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保留送交论文的复印件允许查阅和借阅论文:学校可以公布论文的全部或部分内容可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。(保密的论文在解密后遵守此规定)本学位论文属于保密在年解密后适用本授权书。本人签名:导师签名:日期磁!习兰耋£i日期孕辜!臼!电.第一章绪论第一章绪论.软件无线电的介绍软件无线电自年代初问世以来就作为一种全新的通信理念在通信领域内受到了极大重视成为军用、民用通信领域内的技术热点。目前对软件无线电的研究日趋深入细致理论上已基本成熟正在进行各种应用的具体实践。..软件无线电的基本思想Ⅲ软件无线电的基本思想主要包含以下几个方面:.全数字化。将宽带A/D和D/A向射频RF端靠近由基带移动到中频甚至射频力图从通信系统的基带直至中频射频进行数字化处理。.完全的可编程性。软件无线电通过一种通用的硬件平台将通信的各种功能实现完全由相应软件来完成。.系统升级的便捷性与系统功能的可扩充性。系统的升级只需改变相应的软件即对软件的升级即可。.系统便于实现模块化。利用软件无线电的基本思想对现行的通信系统均可实行模块化设计模块的物理及电气接口性能指标符合统一、开放的标准。通过更换单一模块可以维护或提高系统的性能也便于系统间复用。利用软件无线电的基本思想对现行的通信系统均可实行模块化设计模块的物理及电气接口性能指标符合统一、开放的标准。通过更换单一模块可以维护或提高系统的性能也便于系统间复用。根据上诉软件无线电的这些特点再结合其在宽频段内可编程的特性一方面使其符合军事上三军协同快速通信的需要另一方面在民用领域由于可以通过软件编程保持一种硬件平台结构的通用性。所以在移动通信领域内可以对不同体制进行综合兼容真正实现移动通信系统中一机在手漫游天下的设想及其优越性。因此软件无线电思想及技术的提出与实现是非常必要的。..软件无线电的关键技术软件无线电是近几年发展起来的新兴技术对它的研究还处于起步阶段许多技术问题需要解决。其中的关键技术Ⅲ有下面几个方面:三跳频电台中直接数字频率合成器(DDS)的研究.开放式总线结构及实现软件无线电的一个重要特点是其开放性这主要体现在软件无线电所采用的开放式标准化总线结构上只有采用先进的标准化总线软件无线电才能发挥其适应性广、升级换代方便等特点。由于软件无线电的研制国内外都起步不久在研制开发过程申必须逐步形成标准化的硬件平台和软件平台而标准化的总线则是构筑上述两个平台的奠基石。.宽带/多频段天线这是软件无线电不可替代的硬件出入口只能靠硬件本身来完成不能用软件加载实现其全部功能。软件无线电对这部分的要求包括:天线能覆盖所有的工作频段能用程序控制的方法对功能及参数进行设置。实现的技术包括:组合式多频段天线及智能化天线技术:模块化、通用化收发双工技术多倍频程宽带低噪音放大器方案等。.模数转换部分软件无线电对模数A/D和数模D/A转换器的要求是很高的。对它们的要求主要包括采样速率和采样精度。采样速率主要由信号带宽决定因为软件无线电系统的接收信号带宽较宽而采样速率一般要求大于信号带宽的.倍因此采样速率较高采样精度在db的动态范围要求下不能低于位。除了进一步提高器件性能外还可采取多个A/D并联使用的方案。.数字下变频部分数字下变频(DDCDigitalDownConverter)是A/D变换后首先要完成的处理工作包括数字下变频、滤波和二次采样是系统中数字处理运算量最大的部分也是最难完成的部分。一般认为要进行较好的滤波等处理需要对每个采样点进行次操作。对于一个软件无线电系统来说若系统带宽为MHz采样率要大于MHz。这样就需要MIPS的运算能力这是现有的任何单个DSP很难胜任的因此一般都将DDC这部分工作交给专用的可编程芯片完成。这样既能保留软件无线电的优点又有较高的可靠性。.高速信号处理部分这部分主要完成基带处理、调制解调、比特流处理和编译码等工作、这部分工作用高速数字信号处理器DSP完成这是软件无线电的一个核心部件但也是一个主要瓶颈。单路数字话音编译码、调制解调能用单个DSP芯片实现。当单个DSP处理能力不足时可采用多个DSP芯片的并行处理提高运算能力。.信令处理部分在现在的移动通信系统中信令部分已经是用软件完成。软件无线电的任务是将通信协议及软件标准化、通用化和模块化。无线接入是无线通信的重要内容其协议的主体部分是公共空间接口目前已形成许多不同的标准。因此当用软第一章绪论件无线电实现多模互联时实现通用信令处理是很必要的。这就需要把现有的各种无线信令按软件无线电的要求划分成几个标准的层次开发出标准的信令模块研究通用信令框架。..软件无线电的发展现状目前国外在软件无线电技术研究及应用方面已走在前面。例如美国为了克服美军常规战中通信方面存在的问题无线电技术的研究成果进行开发和应用。已着手在其军用无线电通信方面对软件一种称为易通话系统Speakeasy是美国国防部为其海陆空三军设立的一种共用通信系统该系统的目标是完成一个实用系统能兼容美军种电台并能够同时与其中任意种电台通信实现一个软件可编程、多频段、多模式电台。在民用方面软件无线电技术正越来越广泛应用于民用移动通信领域在第二代移动通信系统向第三代移动通信系统过渡过程中软件无线电技术将发挥重要作用。例如在欧共体的ACTSFIRST项目中就是将软件无线电技术应用于设计多频/多模(可兼容GSM、DCSl、WCDMA及现有的大多数模拟体制)可编程手机。它可自动检测接收信号接入不同的网络而且能满足不同接续时间的要求。用不同软件实现不同无线电设备的各种功能可任意改变信道接入方式或调制方式利用不同软件即可适应不同标准构成多模手机和多功能基站具有高度的灵活性。.跳频通信的发展现状跳频通信是扩频通信的一个分支其突出优点是抗干扰性能强因而非常适用于军事领域符合现代信息战条件下电子对抗的要求。自年代末第一部跳频电台问世以来跳频通信发展迅猛到了年代世界各国军队已普遍装备了跳频电台。这十年是跳频通信发展速度最快的十年广泛使用跳频电台曾被誉为年代VHF’频段无线电通信发展的主要特征。进入年代跳频通信得到进一步发展应用领域从军用拓展到民用。业内人士指出跳频通信是对抗无线电干扰的有效手段称其为无线电通信的“杀手铜”。跳频通信发展迅速自其问世至今的短短年间倍受世界各国特别是几大军事强国的青睐显示出强大的发展势能。与定频电台相比采用跳频技术后短波电台具有以下特点:.抗干扰性强与定频电台不同其工作频率在较宽的频带内随机跳动可以有效的躲避定一跳频电台中直接数字频率合成器(DDS)的研究频窄带干扰:对于阻塞式干扰跳频的带宽越宽阻塞干扰的带宽也被迫展宽使干扰功率谱密度下降。.抗截获一个电台在多个频点工作实战中大量电台同时工作形成的电磁环境更加复杂造成对方分选识别特定电台的负担加重。.码分多址通信组网工作当代在战术跳频通信领域美国HARRIS公司、以色列TADIRAN公司、英国的RACAL.TACTICOM公司和MARCONI公司、法国的THOMSON公司、和南非GRINEL公司的产品己位于国际先进技术水平的前列。总的来看各国交付作战部队使用的产品普遍都体现出能适合于本国、跨国多区域作战的特色以及较高的战术技术性能和优越的环境适应性我国在年研制出国内第一台实用型的短波跳频电台后短波抗干扰通信技术已取得了飞速的发展。目前已陆续推出了多类型的短波跳频通信系统并己投入了批量生产。很多产品的性能已达到或超过了国外九十年代末的先进水平部分技术指标和性能已达到当代国际先进水平。随着通信技术的高速发展短波通信特别是短波战术跳频通信在现代化战争中已起着越来越重要的作用。由于近十年来在数字信号处理技术(DSP)、超大规模集成电路和软件方面的新技术、新成果的不断涌现使得现代短波通信技术有了飞速的发展。其发展方向是小型化、跳频高速化、直扩与跳频相结合以及软件无线电等.小型化。小型化是电子技术最新成果在电台整机中应用的具体表现。电台中大量采用微小型元器件、贴片元件、大规模集成电路和混合集成电路采用新材料、新工艺是整机体积、重量明显降低其兼容性、可靠性明显提高。.跳频高速化频率跳变速度是跳频电台的重要指标。跳速高才能保证低截获、低监测概率和抗干扰能力强的跳频通信的优势。.直扩与跳频相结合单一的跳频通信有不足之处如传输数据比传输话音的通信距离近主要是多径效应产生码间串扰所致。传输数据时由于个别跳频频率难免遇到干扰将出现突发差错引起误码。直扩与跳频相结合的扩频通信体制将同时发挥直扩与跳频的优势克服两者的弊端。其最大优势就是两者结合可以明显提高抗干扰容限和抗截获能力同时增大通信距离和通信的可靠性。.软件无线电未来战争是全方位诸兵种的立体协同作战各种兵种的相互联系不可缺少第一章绪论各种型号、不同功能的短波电台之间以及短波电台和其他通信手段互通是非常重要的。通信技术的飞速发展使得系统的更新换代极为迅速。为了适应这些客观的需求近年来软件无线电的思想迅速的发展并形成了研究的热潮。.课题的研究内容本课题是实验室跳频电台研究项目的一部分。该项目由基带处理部分、中频处理部分、跳频和射频部分以及跳频同步部分组成。本课题所要完成的任务是对跳频和射频部分的研究和方案设计以及跳频系统部分的硬件实现。跳频部分的硬件实现包括DDS和混频模块。DSP选用TI公司的TMSVCl用来实现所需要的跳频控制字以及对DDS的控制。本论文的随后几章将阐述跳频部分的原理及具体硬件设计和实现以及如何对本系统的DSP芯片进行编程产生符合要求的跳变频率。第二章跳频通信的介绍..为什么要跳频第二章跳频通信的介绍.跳频通信的介绍通常我们所接触到的无线通信系统都是载波频率固定的通信系统如无线对讲机汽车移动电话等都是在指定的频率上进行通信所以也称作定频通信。这种定频通信系统一旦受到干扰就将使通信质量下降严重时甚至使通信中断。例如:电台的广播节目一般是一个发射频率发送一套节目不同的节目占用不同的发射频率。有时为了让听众能很好地收听一套节目电台同时用几个发射频率发送同一套节目。这样如果在某个频率上受到了严重干扰听众还可以选择最清晰的频道来收听节目从而起到了抗干扰的效果。但是这样做的代价是需要很多频谱资源才能传送一套节目。如果在不断变换的几个载波频率上传送一套广播节目而听众的收音机也跟随着不断地在这几个频率上调谐接收这样即使某个频率上受到了干扰也能很好地收听到这套节目。这就变成了一个跳频系统。另外在敌我双方的通信对抗中敌方企图发现我方的通信频率以便于截获所传送的信息内容。定频通信系统容易暴露目标且易于被截获这时采用跳频通信就比较隐蔽也难以被截获。因为跳频通信是“打一枪换一个地方’’的游击通信策略、使敌方不易发现通信使用的频率一旦被敌方发现通信的频率也已经“转移"到另外一个频率上了。当敌方摸不清“转移规律”时就很难截获我方的通信内容。因此跳频通信具有抗干扰、抗截获的能力并能作到频谱资源共享。所以在当前现代化的电子战中跳频通信己显示出巨大的优越性。另外跳频通信也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。..跳频图案为了不让敌方知道我们通信使用的频率需要经常改变载波频率跳频通信中载波频率改变的规律叫作跳频指令又称跳频图案。通常我们希望频率跳变的规律不被敌方所识破所以需要随机地改变以至无规律可循才好。但是若真的无规律可循的话通信的双方也将失去联系而不能建立通信。因此常采用伪随机改变的跳频图案。下图为一个跳频图案:一墨跳频电台中直接数字频率合成器(DDS)的研究讨棚图.跳频图案的例子图中横轴为时间纵轴为频率。这个时间与频率的平面叫作时频域。也可将这个时频域看作一个棋盘横轴上的时间段与纵轴上的频率段构成了棋盘格子。黑点代表所布棋子的方案就是跳频图案它表明什么时间采用什么频率进行通信时间不同频率也不同。在时频域这个“模盘"上的一种布子方案就是一个跳频图案。当通信收发双方的跳频图案完全一致时就可以建立跳频通信了。通信收、发双方的跳频图案是事先约定好的或者是由发方通知收方的。这个跳频图案是敌方所不知道的。跳频图案的不同其干扰的效果也不尽相同。当跳频图案的随机性越大时跳频抗干扰的能力就越强“棋盘"越大时即频率和时间的乘积越大时可容纳的随机图案也越多跳频图案本身的随机性也越大从而抗干扰能力也越强。所谓跳频抗干扰是指跳频的跳频图案被敌方发现、识别的概率以及跳频频率与敌方干扰频率一致的概率。这种概率越小抗干扰能力越强。..跳频技术指标一般说来希望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。.跳频带宽的大小与抗部分频带的干扰能力有关。跳频带宽越宽抗宽带干扰的能力越强。所以希望能全频段跳频。例如在短波段从MHz到MHz全频段跳频。.跳频频率的数目与抗单频干扰及多频干扰的能力有关。跳变的频率数目越多抗单频、多频干扰的能力越强。在一般的跳频电台中第二章跳频通信的介绍跳频的频率数目不超过个。.跳频的速率是指每秒钟频率跳变的次数它与抗跟踪式干扰的能力有关。跳速越快抗跟踪式干扰的能力就越强。一般在短波跳频电台中其跳速目前不超过跳/秒。在甚高频电台中一般跳速在跳/秒。对某些跳频系统可工作在每秒几万跳的水平。.跳频码的长度它将决定跳频图案延续时间的长度这个指标与抗截获(破译)的能力有关。跳频图案延续时间越长敌方破译越困难抗截获的能力也越强。跳频码的周期可长达年甚至更长的时间。.跳频系统的同步时间是指系统使收发双方的跳频图案完全同步并建立通信所需要的时间。系统同步时间的长短将影响该系统的顽存程度。因为同步过程一旦被敌方破坏不能实现收、发跳频图案的完全同步则将使通信系统瘫痪。因此希望同步建立的过程越短越好越隐蔽越好。根据使用的环境不同目前跳频电台的同步时间可在秒或几百毫秒的量级。当然一个跳频系统的各项技术指标应依照使用的目的、要求以及性能价格比等方面综合考虑才能作出最佳的选择。..跳频的特点跳频系统有如下特点:.跳频系统是瞬时窄带系统易于与目前的窄带通信系统兼容。目前的通信系统不论是模拟调制的还是数字调制的通常都是窄带的通信系统。如果给现有的窄带通信系统加装上能使其载波频率按照某种跳频图案跳变并能实现同步接收的装置则可改造成为跳频通信系统。.跳频系统是宏观的宽带系统具有扩展频谱的抗干扰能力。.跳频通信是按照跳频图案进行频率跳变的具有码分多址和频带共享的组网通信能力。组网能力是现代通信的基本要求之一。跳频通信组网可分为正交跳频网和非正交跳频网。如果多个跳频通信所采用的跳频图案在时频域“棋盘"上相互不发生重叠则称它们为正交跳频网如果发生重叠则称为非正交跳频网。当跳频频率重合时就会产生网间干扰。为了减少网间干扰就需要精心选择跳频图案尽量减少发生重叠的机会就是所谓的要尽量使跳频图案达到准跳频。利用跳频图案的不同可以在一个宽的频带内容纳多个跳频通信相同同时工一竺跳频电台中直接数字频率合成器(DDS)的研究作达到频谱资源共享目的从而可以提高频谱的有效利用率。.跳频系统是载波频率快速跳变的具有频率分集的功能。分集接收技术是克服信号衰落的有效措施。当跳频的频率间隔大于衰落信道的相关带宽时(通常是能满足这个条件的)而跳频驻留时间又很短的话它就能起到频率分集的作用。因此在移动通信多径、衰落信道的条件下跳频系统又具有抗多径、抗衰落的能力。综上所述跳频系统的特点是抗干扰抗衰落性与窄带系统的兼容性和码分多址性。..跳频系统的组成在传统的定频通信系统中发射机中的主振荡器的振荡频率是固定设置的因而它的载波频率是固定的。为了得到载波频率是跳变的跳频信号要求主振荡器的频率应能遵照控制指令而改变。这种产生跳频信号的装置叫跳频器。通常跳频器是由频率合成器和跳频指令发生器构成的。跳频系统的频率合成器输出什么频率的载波信号是受跳频指令控制的。在时钟的作用下跳频指令发生器不断地发出控制指令频率合成器不断地改变其输出载波的频率。因此混频器输出的已调波的载波频率也将随着指令不断地跳变从而经高通滤波器和天线发送出去的就是跳频信号。跳频器输出的跳变的频率序列就是跳频图案。因此有什么样的跳频指令就会产生什么样的跳频图案。通常是利用伪随机发生器来产生跳频指令的或者由软件编程来产生跳频指令。所以跳频系统的关键部件是跳频器更具体地是能产生频谱纯度好的快速切换的频率合成器和伪随机性好的跳频指令发生器。由跳频信号产生的过程可以看出不论是数字的或模拟的定频发送系统在原理上只要加装上一个跳频器就可变成一个跳频的发送系统。但是在实际系统中尚需考虑信道机的通带宽度。..跳频同步跳频系统要实现跳频通信正确接收跳频信号的条件是跳频系统的同步。跳频系统的同步是关系到跳频通信能否建立的关键。同步的含义是:跳频图案相同跳变的频率序列(也称频率表)相同跳变的起止时刻(也称相位)相同。因此为了实现收、发双方的跳频同步收端首先必须获得有关发端的跳频同步的信息它包括采用什么样的跳频图案使用何种频率序列在什么时刻从那一个频率上第二章跳频通信的介绍开始起跳并且还需要不断地校正收端本地时钟使其与发端时钟一致。跳频同步信息的基本传递方法:.独立信道法。利用一个专门的信道来传送同步信息收端从此专门信道中接收发端送来的步信息后依照同步信息的指令设置接收端的跳频图案、频率序列和起止时刻并校准收端的时钟在规定的起跳时刻开始跳频通信。.前置同步法也称同步字头法。在跳频通信之前选定一个或几个频道上先传送一组特殊的携带同步信息的码字收端接收此同步信息码字后按同步信息的指令进行时钟校准和跳频。因为是在通信之前先传送同步码字故称同步字头法。..自同步法也称同步信息提取法。这种方法是利用发端发送的数字信息序列中隐含的同步信息在接收端将其提取出来从而获得同步信息实现跳频。此法不需要专门的信道和发送专门的同步码字所以它具有节省信道、节省信号功率和同步信息隐蔽等优点。..跳频与直接序列扩频的比较直接序列扩频和跳频技术是在扩频通信中应用最广的两种技术。这两种扩频方式的抗干扰等机理不同因而各有其长处与不足很难笼统断言某一种扩频方式比其它的扩频方式更优。直扩系统靠伪随机码的相关处理降低进入解调器的干扰功率来达到抗干扰的目的而跳频系统是靠载频的随机跳变躲避干扰将干扰排斥在接收通道以外来达到抗干扰的目的。因此这两者都具有很强的抗干扰的能力也各有自己的特点也存在自身的不足现将直扩和跳频技术的性能作一比较。.抗衰落、特别是频率选择性衰落由于直扩系统的射频带宽很宽小部分频谱衰落不会使信号频谱产生严重的畸变而对跳频系统而言频率选择性衰落将导致若干个频率受到影响导致系统性能的恶化。跳频系统要抗这种选择性衰落可采用快速跳频的方法使每一个频率的驻留时间非常短平均衰落就非常低。.抗强的定频干扰由直扩抗干扰的机理可知直扩抗干扰是通过相关解扩取得处理增益来达到抗干扰目的的但超过了干扰容限的定频干扰将会导致直扩系统的通信中断或性能急剧恶化。而跳频系统是采用躲避的方法抗干扰强的定频干扰只能干扰跳频系统的一个或几个频率若跳频系统的频道数很大则对系统性能的影响是不严重的。因此在抗强的定频干扰上跳频系统比直扩系统优越。.抗多径干扰旦跳频电台中直接数字频率合成器(BDS)的研究多径问题是在移动通信、室内通信等系统中必须考虑的问题。多径干扰是由于电波传播过程中遇到的各种反射体(如高山、建筑物、墙壁、天花板等)引起的反射或散射。在接收端的直接传播路径和反射信号产生的群反射之间的随机干涉形成的。多径干扰信号的频率选择性衰落和路径差引起的传播时延f会使信号产生严重的失真和波形展宽导致码间串扰不但能引起噪声增加和误码率上升使通信质量降低甚至使某些通信系统无法工作。由于直扩系统采用伪随机码的相关解扩只要多径时延大于一个伪随机码的切普宽度这种多径就不能对直扩系统形成干扰直扩系统甚至可以利用这些干扰能量来提高系统的性能。而跳频系统则不然跳频系统要抗多径干扰则要求每一跳的驻留时间很短即要求快速跳频在多径信号没有到来之前接收机已开始接收下一跳信号。.与窄带系统的兼容性直扩系统是一个宽带系统虽然可与窄带系统电磁兼容但不能与其建立通信。另外对模拟信源(如话音)需作预先处理(如语声编码后)才可接入直扩系统。而对跳频系统而言由于它是瞬时窄带系统它易于与目前的窄带通信系统兼容。目前的通信系统不论是模拟调制还是数字调制的通常都是窄带的通信系统。因此兼容的好处在于先进的跳频电台可以与常规的电台互通或者将常规电台加装抗干扰的跳频模块就可以变成跳频电台。而且跳频系统对模拟信源和数字信源均适用。.频率合成器的介绍..频率合成器的几种技术频率合成是指由一个或多个频率稳定度和精确度很高的参考信号源为基准在某一频段内综合产生并输出多个工作频率点的过程。实现频率合成的电路叫频率合成器频率合成器是现代电子系统的重要组成部分。在通信、雷达和导航等设备中频率合成器既是发射机的激励信号源又是接收机的本地振荡器在电子对抗设备中它可以作为干扰信号发生器在测试设备中可作为标准信号源因此频率合成器被人们称为许多电子系统的“心脏’。随着电子技术的不断发展对频率合成器的要求越来越高频率合成器的主要性能指标有:输出频率范围频率稳定度频率间隔频率转换时间频谱纯度调制性能。以上性能指标有些是互相矛盾的设计频率合成器、选择方案时要综合考虑。第二章跳频通信的介绍频率合成器经过几十年的发展形成了三种主要技术Ⅲ即:()直接式频率合成技术(DSDirectFrequencySynthesis)()锁相环频率合成技术(PLLPhaseLockLoopFrequencySynthesis)()直接数字频率合成技术(DDSDirectDigitalFrequencySynthesis)..直接式频率合成DS直接式频率合成是一种早期的频率合成技术它是利用混频、倍频、分频的方法由参考源频率经加、减、乘、除运算直接组合出所要求的频率的频率合成方法。直接频率合成器的特点:很小的换频时间几微秒或更低较宽的带宽可达几百MHz高的频率分辨率Hz或更低较好的杂波抑制一般可达.dB。但是直接频率合成器在周期性跳频时杂散和调频分量大并且所用器件要比其他合成方法多因而功耗大、体积大、造价高。电路制作工艺和屏蔽要求高。大量的混频器和滤波器将使大规模集成不可能。直接频率合成器的另一个缺点是在其输出端会出现寄生频率即所谓的杂波。这是由于带通滤波器无法将混频器产生的寄生频率分量滤除干净造成的。而且频率范围越宽寄生频率分量越多。这是直接频率合成器的一个致命的缺点足以抵消前面提到的所有优点。因此几乎在所有频率合成的场合很少采用直接频率合成。..锁相环PLL锁相环PLL(Phase.ckedLoop)是一个相位负反馈控制系统。它的功能是使输出信号的瞬时相位跟踪输入信号的瞬时相位的变化从而实现相位的自动锁定。锁相环频率合成频谱纯度高电路简单可靠、功耗低、体积小、重量轻:易于超大规模集成。但是锁相环频率合成的频率分辨率决定于其输出频率只能够按照f的增量来改变。为了提高合成频率的分辨率就要减小参考频率f而这与频率转换时间的要求是矛盾的。..直接数字频率合成DDS直接数字频率合成(DDSDigitalDirectFrequencySynthesis)技术是一种新的频率合成方法是频率合成技术的一次革命JOSEPHTIERNEY等人于年提出了直接数字频率合成的思想但由于受当时微电子技术和数字信号处理技旦跳频电台中直接数字频率合成器(DDS)的研究术的限制DDS技术没有受到足够重视随着电子工程领域的实际需要以及数字集成电路和微电子技术的发展DDS技术日益显露出它的优越性。DDS是一种全数字化的频率合成器由相位累加器、波形ROM、D/A转换器和低通滤波器构成。参考时钟频率给定后输出信号的频率取决于频率控制字频率分辨率取决于累加器位数相位分辨率取决于ROM的地址线位数幅度量化噪声取决于ROM的数据位字长和D/A转换器位数。目前使用最广泛的一种DDS方式是利用高速存储器作查寻表然后通过高速DAC产生己经用数字形式存入的正弦波。正弦输出DDS是实际应用最广的一类。目前所见到的国外公司如ADI公司Qualcomm公司等生成的DDS芯片绝大多数都采用正弦信号输出。正弦输出的DDS原理框图如下图所示‘。它是由相位累加器、正弦ROM表、D/A转换器组成。其核心是一个相位累加器(如虚框所示)它由一个加法器和一个N位的相位寄存器组成。图.正弦输出的DDS原理框图图中的系统时钟即参考时钟为高稳定度的晶体振荡器其输出用于DDS中各器件同步工作。DDS工作时频率控制字(FTW,FrequencyTuningWords)K在每一个时钟周期内与相位累加器累加一次进制码的形式去寻址正弦查询表ROM得到的相位值在每一个时钟周期内以二将相位信息转变成它相应的数字化正弦幅度值ROM输出的数字化波形序列再经数模转换器(DAC)实现量化数字信号到模拟信号的转变最后DAC输出的阶梯序列波通过低通滤波器(LPF)平滑后得到一个纯净的正弦信号。当DDS中的相位累加器计数大于Ⅳ时累加器自动溢出最高位保留后面的N比特数字于累加器中即相当于做Ⅳ的模余运算。可以看出:该相位累加器平均每Ⅳ瓜个时钟周期溢出一次。根据前面的分析不难得知频率控制字K和参考时钟频率共同决定着DDS输出信号.疋的频率它们之间的关系满足:第二章跳频通信的介绍无=寿正式()二DDS的最小频率分辨率(最小频率分辨率是指频率控制字K的最低位为l其余位均为O时DDS的输出频率满足:掣^血=寿xZ式()二由此可见DDS相当于一个特殊的小数分频器。当改变频率控制字K时即可改变输出频率。另外还可根据所需的输出频率来反算出对应的频率控制字K。但实际运用所算出的K很难为整数因此不可避免地将会存在频率误差经过分析可知如将计算出来的频率控制码K的小数部分采取四舍五入的算法那么最终输出信号的频率误差与最小频率分辨率的关系始终满足:afO砜in式(.)正是由于DDS采用全数字技术从概念到结构都有很大突破所以它具有其它频率合成所无法比拟的优越性。’()频率转换快。()频率分辨率高频点数多。()相位连续。。()相位噪声小。()便于实现复杂方式的信号调制。()控制容易稳定可靠。由于DDS采用数字化技术最终合成信号是经D/A转换得到的存在以下的缺点:()D/A转换后的频谱中存在大量的镜像信号为得到纯净的输出信号必须用滤波性能好的滤波器滤掉。同时频谱的包络是抽样函数sinx/x函数这意味着频率变化时输出信号的幅度也在变化这在跳频系统中是不允许的。()合成信号的最高频率有限制。DDS输出信号f的频率范围是""f/。但受滤波器性能的限制最高频率只能达到%f。()杂散问题。DDS中的相位截断、D/A转换器的量化误差及非线性都将带来各种杂波。第三章DDS的性能分析第三章DDS的性能分析频率合成器的性能包括频率范围、频率分辨率、频率转换时间、频率准确度和稳定度以及频谱纯度等方面的技术指标。对跳频频率合成器而言最重要的是输出信号的噪声特性和频率转换性能下面将分别讨论这两方面的内容。.DDS的噪声性能分析从原理上看由于DDS是先用数字技术构成离散数字信号再由数模转换器和滤波器变成模拟信号因而噪声和杂散的存在就变得不可避免如果处理不好将严重影响DDS的应用。DDS的杂散主要有三个来源:相位舍位误差、幅度量化误差以及由DAC非线性引入的误差。下面从DDS的理想频谱分析开始说明这三方面的相噪特性。、理想DDS的频谱分析理想DDS数学模型具有三个基本条件:第一没有相位舍位第二用无限长的码字表示正弦波的样点值第三DAC具有无限宽的输入数据总线并且具有理想的转换特性。若DDS相位累加器的字长为N频率控制字为K乏为时钟周期To=/工矿fo为DDS输出频率则厶=砉正。理想DDS只在f=L正fo处存在离散谱二线。当L=时得到的就是主谱频率.J:)。频率控制字K的选取除了改变输出谱线的频率值外同时还会改变S。O的包络结构从而使各输出谱线的相对幅度发生变化。理想DDS的输出谱结构如图(.)所示。l蕾l‘气{t一|o|tlt图.理想DDS的输出频谱结构毒、DDS的输出信号频谱由采样定理可以得到正弦信号经过顶采样的频谱成分可用公式嘲表示:些跳频电台中直接数字频率台成器(DDS)的研究w)=妻“堕努笋似M硼坝H圳)螂)例如采样频率(即系统时钟频率)为Mltz如果得到的DDS输出频率工为MHz其输出信号频谱如下图:慧惑P一hmllst《Ⅲ\/“。’咆终‘V『’~、’一、、『、、圈DDS输出的额谱分析Nyquist定理指出了能够重建原信号的最小采样间隔。输出信号的频率成分除了^以外还有n厶工即MHz和MHz(厶正)MIIz和MHz(正。工)MHz和MHz(厶正)等等a所以当无厶/时信号将产生混叠。在实际的DDS应用中DDS经过D/A变换后要通过一个低通滤波器滤掉除f的其它频率成分通常应使正保持在%的厶。以下这样有利于滤波器的设计、相位截断误差信号分析由式(.)可知相位累加器的位数N取较丈值时可以使频率分辨率达到很高故实际中一般取N=或。如果把相位累加器输出的所有位数全部用来ROM中的正弦函数表那正弦表的容量会特别大。例如N一时若正弦表的数据为位则表的容量应为x=,(bit)。如此巨大的容量难以实现其成本和稳定性也不容乐观。所以在DDS中使用了相位截断这种方法即只用高w位来查表舍弃剩下的低BN.W位。由此所产生的相位值误差会导致输出的正弦幅度值也产生误差。表现在输出的频谱上就是会有杂散信号存在。并且这种相位截断误差是DDS杂散的主要来源。来自相位截断的DDS杂散分布I”可以推得:口“"十lIⅢt~mf~mwf一:jiO”"十Jm一。“一"十I“H”lL.ⅢL~mtII%个.‰一第三章DDS的性能分析A(d)肛Ⅳ=.(BN)式()式中A为杂散幅度可见舍位B每减少一位能改善杂散约dB。舍位越少杂散幅度越小舍位越多杂散幅度就越大。但由于ROM容量的限制远不能满足个存储单元或更大这就必然要求进行相位舍位从而存在相位截断误差。、幅度量化误差正弦查询表ROM每个单元字长为D.Bit位即正弦信号幅度用D.Bit的二进制数来表示。一般来说DDS所接数模转换器DAC幅度量化位数与ROM单元字长相同也为D.Bit。显然用D.Bit来表示幅度值就必然存在幅度截断误差即幅度量化误差。幅度量化误差也可以认为是DAC分辨率不够引起的误差。幅度量化误差在DDS输出频谱上表现为背景噪声所以对幅度量化误差的频谱分析又称为DDS的背景杂散分析。幅度量化误差平均信号量化噪声功率比为:锄)式(.)由上式可见幅度量化的信噪比随着D的增大而增大。D的位数越多幅度量化的信噪比越大。、DAC非线性引入的误差DAC的分辨率是指DAC输入信号的位数。用下图来说明:叭I)虻n图DAC输出正弦波图中采用bit的DAC来重建正弦波并与一个完整的正弦波来进行比较。可以看到重建正弦信号有一定误差这是由于DAC的分辨率引起的这个误差叫做量化误差。量化误差当DAC的分辨率增加量化误差就会减少。DAC的非线性是不可避免的分为差分非线性和积分非线性由于这两种非线性的存在使得查表所得的序列从DAC的输入到输出要经过一个非线性过程。于是就会产生有用信号.兀的谐波分量。又因为DDS是一个采样系统所以这些谐波会以工为周期搬移就会产生落到Nyquist带宽(L/)内的杂散分量。跳频电台中直接数字频率合成器(DDS)的研究假设.=似fo)modf。(m丘表示第rn次谐波其中m为整数)。当厂疋/时杂散落在r频点上。当.>f/时杂散落在C《频点上DAC非线性带来的杂散位置可以确定但是幅度难以确定因为这与具体的DAC芯片的非线性特性有直接关系。DBS杂散的来源主要是相位截断噪声、幅度量化噪声、DAC非线性噪声它们也是影响最大而又最难去除的杂散。因为它们大多落在离主谱很近的地方。所以在设计DDS频率合成器的时候正确地看待DDS的固有杂散充分考虑杂散的影响是前期设计最需要重点考虑的因素。.DDS频率转换性能分析跳频频率合成器的跳频速率和由它产生的频率数是对跳频系统起决定性作用的两个量。在跳频电台中与跳频速率密切相关的要求是频率的转换时间。如果要求频率转换是快速的那么转换时间必须要短。相对太长的频率转换时间会损失信息严重降低传输质量。跳频速率h是跳频系统的重要指标它与频率转换时间密切相关其表达式为:h=.了F(次/秒)式()fj十fd式中乃为驻留时间(秒)疋为频率转换时间(秒)。频率合成器从接受跳频指令开始到完成频率的跳变需要一定的切换时间。称频率合成器从接受指令开始振荡到处于稳定状态的时间为建立时间:从稳定状态到振荡消失的时间为消退时间建立时间加上消退时间为频率转换时间记作瓦。跳频收、发信机在频率转换期间发信机和接收机都处于断开状态。频率转换完成以后发射机才开始发射信息接收机开始接收信息。发射机发射信息接收机接收信息的这段时间叫“驻留时间”记作乃。一次转换时间和驻留时间的总和叫做一帧(跳频周期)记作%且有%=乃正。转换时间、驻留时间和帧的长度一旦被选定以后就不会再变。若转换时间能达到微秒驻留时间为微秒则跳频速度可达到次/秒。跳频通信系统只有在驻留时间才能有效地传送信息。为了能更有效地传送信息要求频率切换占用的时间越短越好。通常换频时间约为跳频周期的//。提高跳频速率的关键式减少频率的转换时间。在实际应用中我们会发现有种种限制和不定因素妨碍环路实现锁定要克第三章DDS的性能分析服这些因素需要在电路设计上进行方案的优化和改进研制有效的捕获方法以加速锁相环路的锁定。..主要参数.DDS性能评估、开关速度嵋DDS的开关速度主要是来于逻辑电路和低通滤波器的延迟。累加器的计算和ROM的转换在一个周期内完成。而如果电路采用了流水线结构则延迟时间相应地要增加。流水线地延迟时间由流水线的级数和时钟速率有关。如MHz的时钟周期为.ns级流水线则延迟时间为.=nsMHz的低通滤波器的时延与ns相比是很小的。、相位噪声DDS相对于时钟是起分频作用的因此DDS的相位噪声相对于时钟的相位噪声有所改善同时DDS的相位噪声与其噪声基底有关。DDS的噪声基底为:Df。(D为D/A的位数)。、杂散性能DDS的杂散性能与其时钟频率有着直接的关系表.给出了由不同公司产品总结出的各时钟频段的最大杂散幅度。表.杂散性能时钟频率(MHz)杂散信号(dBc)......、频率分辨率频率分辨率是DDS的一项重要指标它只与累加器的位数N和时钟频率五有关肌比=争跳频电台中直接数字频率合成器(DDS)的研究..基本特点由于DDS采用了与传统频率合成方法不同的全新数字结构因而具备许多直接式频率合成技术和间接频率合成技术所不具备的特点根据前面的分析可以得出DDS频率合成技术得特点如下:()DDS具有极高的频率分辨率和相位分辨率这是DDS的主要特点之一。根据式(.)可推算只要相位累加器的位数和相位调制寄存器的位数足够大就可以达到足够高的频率分辨率。以时钟频率MHz相位累加器位数为bits相位调制寄存器的位数bits的AD为例其频率分辨率为.XHz相位分辨率为.这一特点是传统频率合成技术难以实现的。()输出频率的相对带宽很宽根据Nyquist定理理论上DDS的输出频率上限为folk/由于低通滤波器一’的非理想特性通常DDS输出频率的上限取为:以一=厶。’)当频率控制字为l时其输出频率即为频率分辨率fclk/N则DDS的输出频率范围是fcll(/N~孽~三L。DDS这样的相对带宽也是传统频率合成技术所“无法直接实现的。()DDS具有极短的频率转换时间DDS是一个开环系统无反馈环节。这样的结构决定了DDS的频率转换时间是由数字电路的延时、D/A延时以及低通滤波器的延迟时间之和。在高速DDS系统中由于采用了流水线结构其频率控制字的传输时间等于流水线与时钟周期的乘积低通滤波器的频响时间随截止频率的提高而缩短因此高速DDS系统的频率转换时间极短一般可达ns量级。()DDS在频率捷变时具有相位连续性的特点从DDS的工作原理中可以看出当改变其输出频率时是通过改变频率控制字FTw实际上这改变的是信号的相位增长速率而输出信号的相位本身是连续的这就是DDS频率捷变时的相位连续性。在许多应用系统中如雷达、跳频通信系统都需要在捷变频过程中保证信号相位的连续以避免相位信息的丢失和出现离散频率分量。而传统的频率合成技术做不到这一点。()DDS具有数字调制的功能由于DDS采用全数字结构本身又是一个相位控制系统因此可以在DDS设计中方便地加上数字调频、调相以及调幅地功能从而产生ASKFSKPSKMSK等多种信号。如果在相位累加器前再加上一个相位累加器则可方便地实现线第三章DDS的性能分析性调频和非线性调频等功能。()DDS具有任意波形的输出能力根据Nyquist定理DDS中相位累加器输出所寻址的波形数据并非一定是正弦信号的只要该波形所包含的高频分量小于取样频率的一半那么波形仅由波形存储器中的数据来决定。因此只要改变存储器中的数据就可以利用DDS产生出正弦、方波、三角波、锯齿波等任意波形。()相位噪声性能、与其它频率合成器相比DDS的全数字结构使得相位噪声不能获得很高的指标。DDS的相位噪声主要由参考时钟信号的性质、参考时钟的频率与输出频率之间的关系以及器件本身的噪声基底决定。理论上DDS输出信号的相位噪声会对参考时钟信号的相位噪声有

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