基于FPGA和Si4463的跳頻語音通信系統設計與實現

李昌華，姬中凱，王艷峰，王 平

（1.航天恒星科技有限公司 北京 100086；2.天津航天中為數據系統科技有限公司 天津 300301）

跳頻通信作為擴頻通信的一種，具有抗干擾、抗截獲以及多址組網等優點，在現代軍事通信尤其是戰術抗干擾電臺中獲得了廣泛的應用。近年來，跳頻通信技術在民用通信系統中的應用也越來越廣泛，例如GSM、無線局域網、Bluetooth[1]等應用了跳頻技術，礦井救援通信系統[2]使用了跳頻通信的組網能力應對災變現場的復雜環境，語音電臺也常常使用跳頻通信來保證語音信號安全可靠地傳輸。

本文首先對跳頻通信系統抗干擾性能進行理論分析，使用Matlab/Simulink仿真工具搭建跳頻通信系統模型，仿真獲得系統抗全頻帶干擾和抗跟蹤式干擾性能。接著設計并實現了一個跳頻語音通信系統，其基于FPGA和Silicon Labs公司的通用射頻收發芯片Si4463。文中側重描述了跳頻語音通信系統整體設計架構，通用射頻芯片Si4463的主要性能參數、外圍電路以及芯片配置流程，并給出系統實現后的主要指標測試結果。本文設計的跳頻語音通信系統，可以滿足復雜環境下安全可靠的民用語音通信需求；同時，系統采用一種簡化的基于TOD的跳頻同步方案，直接使用本地計數器代替精確時間產生模塊（例如GPS模塊），降低跳頻同步復雜性，節約硬件資源和成本。

1 跳頻抗干擾性能仿真分析

跳頻通信的抗干擾能力通常用跳頻處理增益來表示，而對于不同的干擾方式，跳頻通信系統的跳頻處理增益也不同[3]。

1）對于全頻帶干擾來說，跳頻處理增益為：

其中，BS為單頻點信號帶寬，BW為跳頻信號總帶寬。提高跳頻信號總帶寬并減小單頻點信號帶寬，可以有效提高抗全頻帶干擾能力。

2）對于單頻帶干擾來說，跳頻處理增益為：

其中，N為跳頻頻點數。因此，增加跳頻頻點數，可以有效提高跳頻通信抗干擾能力。

3）對于跟蹤式干擾，跳頻處理增益為：

其中，TH為跳頻駐留時間，Tt為頻率跟蹤占用時間。跳頻駐留時間越短，頻率跟蹤時間越長，則跳頻處理增益越大。因此，提高跳頻通信的跳速，可以有效提高抗干擾能力。

1.1 抗全頻帶干擾性能分析

為了分析跳頻通信系統抗干擾能力，使用Matlab/Simulink仿真工具搭建跳頻通信系統仿真模型（圖1），重點仿真跳頻系統處于全頻帶干擾下的誤碼率和信道中信噪比的關系。

對于采用BFSK調制方式的跳頻通信系統實施全頻帶干擾，其誤碼率為[4]：

其中，Eb為信號每比特功率，N0為白噪聲功率譜密度，NJ為干擾噪聲功率譜密度。圖2給出了全頻帶干擾下跳頻通信系統的誤碼率曲線。

圖2可見，在干擾噪聲功率較小，信噪比較大時，全頻帶噪聲干擾對跳頻通信系統的干擾并不明顯，在信噪比為15 dB時，系統誤碼率為10－6數量級，系統語音通信基本不受影響。隨著信噪比的減小，當信噪比為0d B時，系統誤碼率上升到23%，通信受到嚴重干擾。對于全頻帶干擾，由于干擾噪聲分布在很寬的帶寬范圍內，所以干擾噪聲功率譜密度一般較小。如果想對系統通信實現明顯干擾作用，則信噪比至少在0 dB以下，這對全頻帶噪聲干擾功率要求很高，所以跳頻通信系統對全頻帶噪聲干擾可以起到顯著的抗干擾作用。

圖1 跳頻通信系統Simulink仿真模型Fig.1 Simulink simulation model of the frequency hopping system

圖2 跳頻通信系統誤碼率曲線Fig.2 BER curve of the frequency hopping communication system

1.2 抗跟蹤式干擾性能分析

對于跟蹤式干擾，可以通過提高跳速提升抗干擾能力。

假如發射端到接收端的距離為d1，跟蹤式干擾源距發射端和接收端分別為d2和d3，顯然d1＜d2+d3。假設跟蹤式干擾源進行轉發式干擾，即接收到信號以后立即轉發同頻干擾。則對于接收端來說，干擾信號和有用信號的路徑差為d2+d3－d1。忽略干擾源轉發同頻干擾的響應時間，則接收端接收到有用信號和干擾信號的時間差為：

其中，c為光速。

假設干擾信號和有用信號的路徑差為30 km，則Δt=100 μs。若跳頻通信系統跳速為10 000 hop/s，其跳隙時長為100 μs，在同頻干擾來到時，通信頻率已經跳到下一個頻點，此干擾源對跳頻系統基本無效。同樣以美國的JTIDS（Joint Tactical Information Distribution System）系統為例，其跳速最高可達76 923 hop/s，只要干擾源和有用信號的路徑差大于3.9 km，則跟蹤式干擾對其無效。

實際系統中，對于跟蹤式干擾源，其轉發同頻干擾肯定需要一定的響應時間，考慮該響應時間，跳頻系統抗跟蹤式干擾效果更好。

2 基于TOD的跳頻同步原理

2.1 基于TOD的跳頻同步方法

由于跳頻通信的頻率需要不斷跳變，所以通信雙方如何保持同步是跳頻系統最關鍵的問題[5]。采用基于時間信息（Time of Day，TOD）的跳頻同步方法是基于精確時鐘法、同步頭法、自同步法提出的一種綜合的同步方法[6]。TOD就是跳頻系統的實時時鐘信息，實時時鐘信息包括年、月、日、時、分、秒、毫秒、微秒等。

基于TOD的跳頻同步方法通過將攜帶有時間信息的同步頭置于跳頻信號的最前面，接收端從同步頭中捕獲到同步信息后，調整本地跳頻序列發生器，從而使收發雙方實現同步。收發雙方的偽隨機碼和產生跳頻圖案的方法是一致的，不同的只是時間信息TOD。TOD以每一跳的時間為單位，由于收發端的時鐘精度不可能一致，經過一段時間后兩者的TOD就會有差異。因此，發射端需要定期發送的同步信息，接收端可以從同步信息中提取發射端的TOD，然后修正自己的TOD。這種方法同步時間快，同步概率大，隨機性能好，能夠滿足跳頻通信的各種要求[7]。

2.2 一種簡化的基于TOD的跳頻同步方法

傳統的基于TOD的跳頻同步方法，需要專門的絕對精確時間生成模塊（例如GPS模塊），用于產生TOD。

本文提出一種簡化的跳頻同步方法，直接通過系統內部的計數器獲得相對時間值作為TOD，降低系統跳頻同步復雜性，節約硬件資源和成本。

系統發射端和接收端均具有一個分級計數器，用于生成本地TOD，通過反饋移位寄存器生成頻點，并形成跳頻圖案。分級計數器包括時鐘計數器、時隙計數器和幀計數器。時鐘計數器用于記錄每個時隙內的時鐘個數；時隙計數器根據時鐘計數器的進位標記進行計數，記錄每一幀內的時隙個數；幀計數器用于記錄幀號，作為本地TOD值。

系統數據幀被劃分為若干個時隙進行發送，包括1個同步時隙和若干個業務時隙。同步時隙數據包中存放發射端TOD，業務時隙數據包中存放需要傳輸的有效語音數據。同步時隙期間，接收端接收到來自發射端的TOD，對本地TOD進行校正，對分級計數器進行清零，并使用接收到的TOD值作為反饋移位寄存器的初始值。在業務時隙期間，發射端和接收端通過各自的反饋移位寄存器移位更新頻點，保證收發兩端的跳頻圖案一致，實現跳頻同步。

3 跳頻語音通信系統設計與實現

3.1 系統總體結構

為實現跳頻語音通信，設計一種基于FPGA和Si4463的跳頻語音通信系統，圖3給出了系統總體結構。

在發射端，首先通過麥克風輸入語音信號，然后使用音頻A/D芯片將模擬語音信號轉化為數字信號，接著使用DSP對語音信號進行基于G723.1語音編碼標準的編碼，然后在FPGA中對數據按照幀結構進行組包、加擾、卷積編碼、交織等一系列處理后通過射頻芯片跳頻發射出去。

在接收端，將射頻芯片接收到的數據包先進行解交織、Viterbi譯碼和解擾處理，然后按照幀結構將數據解析出來。語音數據包通過DSP進行G723.1語音解碼，并通過音頻D/A芯片轉化為語音后通過耳機輸出。

系統采用了一種簡化的基于TOD的跳頻同步方法，在發射端和接收端，均通過FPGA中分級計數器生成TOD，實現跳頻同步。

圖3 跳頻語音通信系統總體結構圖Fig.3 Structure diagram of the frequency hopping voice communication system

3.2 Si4463電路設計

系統使用Silicon Labs公司最新的高性能低功耗射頻收發芯片Si4463，其主要性能參數如下[8]：

1）頻率范圍：119～1 050 MHz；

2） 接收靈敏度：－126dBm@500bps，－106dBm@100kbps，－88dBm@1Mbps；

3）調制方式：（G）FSK、4（G）FSK、（G）MSK、OOK；

4）最大輸出功率：20 dBm；

5）低功耗：13mA@RX，18mA@TX（10dBm）；

6）數據速率：100 bps～1 Mbps；

7）供電電壓：1.8～3.3 V。

圖4給出Si4463外圍電路圖。

Si4463輸入端在不同頻率時呈現不同的阻抗特性，為了降低輸入駐波，需要使用匹配電路進行輸入阻抗匹配。不同頻率應用時匹配電路取值不同，實際應用可以使用矢量網絡分析儀進行阻抗特性測試并進行匹配，也可以參考以下典型頻率時阻抗匹配電路取值。

圖4 Si4463外圍電路圖Fig.4 The peripheral circuit diagram of S4463

表1 Si4463輸入阻抗匹配電路參數表Tab.1 The input impedance matching circuit parameter list of Si4463

3.3 Si4463收發配置流程

圖3可見，數據經過FPGA處理以后通過Si4463采用跳頻的方式發射出去。FPGA通過SPI接口對Si4463進行配置，使用一個有限狀態機模擬配置命令的順序執行，圖5給出了配置模塊框圖。

圖5 Si4463配置模塊框圖Fig.5 The diagram of Si4463 configuration module

Si4463 配置的具體流程見圖 6（a）、（b）所示。按照 Si4463正常的工作流程，在接收數據循環中，接收端應該先將本次接收到的數據包從Si4463的FIFO中讀出，然后再對Si4463配置下一個頻點。為了最大限度地提高跳速，在系統接收到一包數據以后，先對Si4463配置下一個頻點，然后再從Si4463的FIFO中讀出這包數據。這樣可以讓系統讀取本包數據和接收下一包數據兩個過程并行進行，縮短時間，提高跳速。

3.4 系統測試結果

系統設計并實現后，進行了射頻頻譜、跳速及接收靈敏度等性能指標測試，以及實際環境的語音通信測試。實測獲得系統主要參數如下：

1）工作頻段：434 MHz，可配置；

2）調制方式：GFSK；

3）跳頻頻點數：16；

4）跳頻總帶寬：≥5 MHz；

5）跳頻速率：≥150 hop/s；

6）接收靈敏度：≤-104 dBm@75 kbps。

測試結果顯示，所設計的跳頻語音通信系統性能指標與Si4463給出的指標相當；在實際環境測試中，語音通信性能優越，系統抗干擾性能良好，達到了系統設計各項指標要求，可以滿足語音通信需求。

4 結束語

本文設計了一個跳頻語音通信系統，采用了一種簡化的基于TOD的跳頻同步方法，并基于FPGA和Si4463實現。實測結果表明，該跳頻語音通信系統主要指標符合射頻收發芯片Si4463性能參數，且在實際環境測試中，語音通信性能優越，達到了系統設計目標。本文設計的跳頻通信語音系統可以滿足復雜電磁環境下的語音通信需求。

圖6 Si4463配置流程圖Fig.6 The flow chart of Si4463 configuration

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