基于混沌理論跳頻引信技術的研究*

高祥，王利，王露露，張志

(中北大學 機電工程學院，山西 太原 030051)

0 引言

跳頻引信技術應用跳頻通信的原理，其屬于擴頻通信的應用范疇，具有抗干擾抗截獲能力，并能做到頻譜資源共享，在現代化電子戰中跳頻通信已顯示出巨大的優越性[1]。

在跳頻引信通信技術中最為關鍵的是載波頻率的控制。目前，常用的載波信號是隨機信號和偽隨機信號，理想的隨機信號實現起來非常困難，對于確定的偽隨機信號線性復雜度較低，隨機碼產生和存儲不易及偽隨機數量較少等不足之處，所以抗干擾性不能滿足要求。因此，本文提出了基于混沌理論跳頻引信技術的研究。

1 混沌跳頻引信系統簡介

1.1 混沌理論

在跳頻引信通信中采用一維Logistic混沌理論產生的混沌信號作為載波信號，混沌信號是一種良好的偽隨機信號，其隨機性強、樣本容量大等特點，混頻序列在擴頻通信等領域取得了眾多成果[2]。一維Logistic混沌映射為

Xn+1=uXn(1-Xn),

式中：當u的取值范圍為3.95～4.00之間，Xn取值范圍為0～1之間，此時產生的隨機序列為混沌序列，可以產生符合要求的混沌信號。

1.2 直接數字合成技術

近年來DDS(direct digital synthesizer)技術得到了飛速的發展，它可以通過數字控制電路對輸出信號的頻率進行精確的控制，具有極高的頻率分辨率和極短的頻率轉換時間，能保證頻率捷變的連續性[3]。

DDS芯片由相位累加器、波形存儲器和數/模轉換器等部分組成，本文選取的DDS芯片是AD9850，其相位累加器的字長N=32，輸出信號的瞬時頻率可以表示為

f=Kfc/232,

式中：fc為時鐘頻率；K為頻率控制字。

以DDS技術為基礎，以混沌信號為調制信號，實現頻率捷變[4]。

2 系統硬件的工作原理

跳頻引信系統方案利用頻率快速跳變的信號進行引信信息傳輸的原理進行設計，其主要由單片機C8051F340和直接數字合成芯片AD9850組成，其C8051F340單片機控制AD9850芯片的頻率控制字實現信號源頻率的快速跳變，從而實現引信跳頻設計[5]。

2.1 DDS芯片共工作原理

AD9850是引信跳頻系統的核心部分，并運用了先進的DDS技術，結合一個片內高速、高性能DAC(digital-analog conversion)和比較器構成一個完全數控可編程頻率合成器，具有時鐘產生功能的高度集成芯片[6]。DDS芯片以高精度的時鐘作為時鐘參考源，精確控制芯片內部的時鐘基準。利用單片機作為輸入控制端，可產生一個頻譜純凈、頻率和相位都可編程控制的模擬正弦信號，此正弦信號可直接用作頻率信號源或轉換成方波而用作時鐘脈沖[7]。

2.2 DDS的外接時鐘

本設計中利用外部有源晶振對DDS芯片提供系統時鐘，DDS芯片9850允許外接的晶振頻率最大為125 MHz。本設計選用頻率為100 MHz有源晶振提供時鐘參考源，DDS的輸出頻率約為系統時鐘的50%，DDS輸出的信號最大頻率可達到50 MHz。

2.3 系統基本工作原理

系統基本結構框圖如圖1所示， C8051F340單片機控制AD9850芯片進行頻率控制字的設定并將相應的頻率值存入相位累加器中，相位累加器在內部進行相關頻率的變換，其輸出的地址由波形存儲器取出波形量化數據，經過數/模轉換器換成模擬電流，最后輸出相應的波形信號[8]。單片機通過AD9850芯片控制接口輸入不同的頻率控制字，就輸出不同波形信號，從而實現信號頻率的跳變。

3 系統軟件設計

在跳頻引信系統方案設計中，AD9850選取并行的工作方式通過C8051F340對其進行控制。其工作流程圖如圖2所示。

單片機對AD9850進行初始化, 即根據按鍵信息由單片機通過對應的端口控制AD9850向其發送頻率控制字和相位控制字, 產生相應的頻率信號和相位信號。程序初始化可將系統設定為默認工作狀態，然后通過掃描鍵盤來判斷是否有按鍵按下以此確定用戶要執行任務的初始值。當i<100時，系統工作在計算頻率的方式下,同時當N!=0時，計算頻率控制字并輸入數據，當執行完后返回鍵盤掃描值并以此循環，從而實現頻率跳變的功能[9]。

圖1 系統基本結構框圖Fig.1 System structure diagram

圖2 主程序流程圖Fig.2 Main program flow chart

3.1 頻率控制字的計算

DDS芯片AD9850輸出信號頻率可由下列公式計算：

f=KFclk/232，

式中：K為頻率控制字；Fclk為基準時鐘頻率。

例如，Fclk=100 MHz，輸出信號的頻率30 MHz，則向AD9850寫入的頻率控制字

K=f×232/Fclk=30×106×232/(100×106)=

1 288 490 188.8≈0X4CCCCCCC,

令k=232/Fclk=42.949 672 96，頻率控制字的計算公式可簡化為K=42.949 672 96f。

3.2 并行方式加載頻率控制字

DDS芯片AD9850頻率/相位控制字一共有40位，其中32位為頻率控制字，5位為相位控制字，1位是電源休眠控制，2位是工作方式控制。

在并行方式加載中，每次通過8位數據線進行加載，連續5次將40位數據寫入AD9850中。WCLK和FQUD信號用來確定地址和加載數據的次數，在WCLK信號上升沿時，加載數據轉備好并保持穩定，在FQUD上升沿時將40位數據寫入頻率/相位數據寄存器，同時地址指針復位到第1個寄存器。

3.3 跳變頻率點的計算

在跳頻引信系統中要根據一維Logistic映射原理，編寫便于控制的混沌序列信號。混沌序列其初始條件有極微小的變化即可導致大范圍內不同的結果，這使得混沌序列非常適于作抗干擾和保密通信的碼序列[10]。

本系統所需要的頻率跳變點正是基于此映射。Logistic映射混沌產生電路是由單片機C8051F340通過編程完成Logistic迭代，從而生成所需的頻率跳變點。Logistic一維映射的數學表達公式為

Xn+1=Xnμ(1-Xn)，μ∈[0,4]，

X∈[0,1].

基于Logistic一維映射的特性，本系統選定μ=3.95，Xn的值通過鍵盤隨機輸入。從而頻率控制字子程序如下：

For (i<0;i<100;i++)

{ temp=X;

temp=temp*(1-temp)*μ;

X=temp;

temp=temp*107;

temp=temp/1;

temp=fabs(temp);

Frequency_out_9850=temp;

Write 9850();

While(1);

}

4 實驗及結果分析

本文將調試好的系統進行了實驗，通過示波器單次對載波波形進行捕捉，采集到的波形圖如圖3所示。

圖組是示波器采集到的載波信號的跳頻波形圖，通過示波器可以看到載波信號的頻率連續變化，DDS芯片產生的混沌信號其頻率范圍為0～500 kHz的頻率跳變點，混沌序列的長度較寬，此混沌信號作為引信通信的載體起到了抗干擾抗截獲的作用[11-12]。載波信號的頻率在這個范圍內變化可以達到跳頻引信系統的設計要求。

圖3 電路調試波形圖Fig.3 Circuit debugging oscillograph

5 結束語

本文提出了基于混沌理論跳頻引信技術的研究。跳頻引信技術中利用一維Logistic混沌理論經過程序優化改進作為DDS芯片的控制字。實驗結果表明：DDS芯片產生信號的頻率最高可以達到150 MHz，下一步的工作就是在混沌理論的基礎上進行軟件優化，使產生的混沌信號的頻率可以達到75 MHz，使載波信號的頻帶范圍更寬，更有利于引信信號的通信傳輸。

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