跳頻信號頻率測量技術研究及實現

重慶通信學院信息柵格實驗室 鄭 鶴 李高峰 楊 尹

跳頻信號頻率測量技術研究及實現

重慶通信學院信息柵格實驗室 鄭 鶴 李高峰 楊 尹

跳頻通信在軍事和民用領域都有著廣泛的應用。本文詳細闡述了對跳頻通信設備的頻率測量的原理、工作流程以及頻率檢測設備的設計，對測量精度及檢測設備參數進行了分析，并在CPLD上實現了檢測算法，實現了一個低成本、高精度、可控性強的跳頻信號頻率測量設備。

跳頻；CPLD；頻率測量

1 引言

跳頻通信由于具有抗干擾、多址組網等特點,在戰術通信中得到廣泛的應用[1]。因此,對跳頻信號頻率的測量至關重要。一般可以借助頻譜儀來測量頻率,但是頻譜儀價格高昂,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,在此基礎上編寫硬件程序,在CPLD上實現,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的。單頻頻率測量系統如圖1所示:

圖1 單頻頻率測量系統示意圖

圖中系統時鐘作為基準時鐘,頻率為Fsys,用一個計數器(計數器1)基于系統基準時鐘計數;將待測的單頻信號進過施密特觸發器后連接至CPLD的全局時鐘管腳,作為系統的另一個時鐘,用另一個計數器(計數器2)基于此時鐘計數。兩個計數器由同一個RESET信號控制,滿足同時從0開始計數的條件,這樣才能保證計數值有效。當計數器1記到一個特定值C1時,同時記錄計數器2當前的計數值C2。由簡單的換算關系可以得出此時的輸入單頻信號的頻率Fin為:

可以看出,此系統僅需要一塊CPLD、一個系統時鐘和一個施密特觸發器,電路連接簡單,易于實現,且可以控制成本和設備體積。

在通用的頻率測試系統中,需要用AD對輸入頻率進行采樣。在本設計中,用施密特觸發器來對輸入信號進行整形,然后將整形后的信號接入CPLD的全局時鐘管腳。施密特觸發器芯片的價格比AD芯片的價格低廉,這樣設計能夠節約成本,并且能夠達到很好的效果。

本系統的單次檢測時間T為:

假設系統所采用的基準時鐘準確,則單次檢測誤差E為:

檢測系統的頻率分辨率S為:

由式可知,如果想提高頻率分辨率,降低誤差,可以進一步提高基準時鐘計數器的計數閾值C1,或者降低系統時鐘頻率Fsys。但是由式可知,這樣帶來的后果是單次檢測時間變長,在檢測跳頻信號的時候容易漏檢、錯檢。因此,在設計系統參數的時候,需要綜合考慮,設定合適的參數。

3 跳頻頻率測量

跳頻系統的頻率測量可以分解為多個單一頻率測量的問題。和單一頻率不同的是,跳頻系統的頻率在跳變,某一跳頻率的持續時間有限。跳頻頻率測量必須保證在一跳的持續時間內將頻率測量準確。

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

對于跳頻系統來說,得到某一跳的頻率往往不能滿足需求。因此,系統設計為每一次測量得到2個或2個以上跳頻頻率(得到更多頻率的原理與得到2個頻率的原理是一致的,只是工作流程和程序編寫的復雜度要增加)。

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跳頻頻率的流程。設某一時刻,測量1得到的測量值為m1,下一時刻,測量2得到的測量值為m2,依此類推,得到6個測量值,存入6個寄存器以供比較判斷。

圖4 跳頻頻率檢測流程

進行比較的步驟如下:

4 參數設計及系統實現

由上面的測量原理和步驟可知,如果參數設計不當,很可能得不到正確的測量值。

本設計采用的CPLD為Xilinx公司的XA95144XL[2],價格較低,采用的系統時鐘為100MHz,C1取值為100000,測量精度為,在此參數下,能夠測量最高500跳/秒的調頻通信設備的頻率。在實際應用中,對軍用短波電臺(151,154)進行測量,誤差值都在理論范圍之內。

5 結束語

本文提出了一種跳頻信號頻率的測量方法,探討了設計系統時需要注意的參數,完成了基于CPLD的跳頻信號頻率測量系統的設計,并編程實現。在實際應用中取得了良好的效果。本檢測算法可以針對不同的設備和要求對參數進行調整,在取適當參數的情況下,本算法能夠達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，重慶通信學院信息柵格實驗室講師，主要研究方向：數字調制、解調技術及其硬件實現方法。