技 术 创 新 DS P 开 发 与 应 用 中 文 核 心 期 刊 《 微 计 算 机 信 息 》( 嵌 入 式 与 SOC )2008 年 第 24 卷 第 1-2 期 文章编号:1008- 0570(2008)01- 2- 0176- 02 一种基于 OFDM 技术的跳频通信系统 FH Co m m u n icatio n Sys tem Bas ed o n OFDM Tech n iq u e (空军工程大学)刘 嘉 冯 红 勇 李 彦 LIU J IA FENG HONGYONG LI YAN 摘要:阐 述 了 跳 频 通 信 以 及 多 载 波 调 制 技 术 OFDM 的 特 点 , 并 针 对 跳 频 通 信 数 据 传 输 速 率 有 限 的 局 限 性 , 在 运 用 高 性 能 DSP 处 理 器 的 基 础 上 , 采 用 OFDM 技 术 与 跳 频 通 信 技 术 相 结 合 的 方 法 来 提 高 跳 频 无 线 通 信 系 统 性 能 , 以 提 高 数 据 传 输 速 率 和 通 信 组 网 的 可 靠 性 。 关键词:跳频通信; 多载波调制; OFDM(正交频分复用); DSP 文献标识码:B 中图分类号:TN924 Abstr act:This paper expatiated the characteristic of HF communication and OFDM modulation technique. transmitting rate of military FH system in using, this paper described an easy solution using OFDM technique based on DSP chip. Key wor ds:FH (Fr equency Hopping)Communication, Multi- car r ier Modulation, Or thogonal Fr equency Division Multiplexing, DSP In consideration of the low 1 导 言 跳 频(FH- Frequency Hopping)通 信 技 术 由 于 自 身 的 保 密 性 好难于被侦察以及易 于 实 现 多 址 组 网 等 特 点, 在 包 括 航 空 数 据 链等无线军事通信 系 统 中 被 广 泛 采 用, 但 是 其 自 身 调 制 方 式 及 带宽宽度 的局限, 限 制 了 军 用 跳 频 通 信 的 数 据 传 输 速 率 以 及 多 址的扩展。所以,大家采用不同的方式和方法来克服跳频系统的 如此缺点。在 FH 系统网络中, 因为很难保持相位的一致性, 所 以大家广泛应用非相干 M 序列 频移键控 (M- ary frequency shift keying , NCMFSK)技术来实现, 而此技术的最大的缺点还是频率 利用率低。所以文献中作者提出了二进制频移键控(binary FSK , BFSK ) 和 R- S 编码技术来克服 FSK 与 FH 结合带来的缺 点, 但是还是不能有较大的突破。文献中, 作者 Seung Ho kim and Sang Wu kim 提 出 了 用 OFDM 技 术 与 非 相 干 幅 移 键 控(nonco- herent amplitude shift keying , NCASK ) 相 结 合 的 方 法 作 为 NCMFSK 的 替 代 技 术 以 更 进 一 步 地 提 高 性 能 。 在 的 研 究 基 础 上 , 本 文 着 重 实 际 应 用 与 实 际 系 统 开 发 , 在 应 用 DSP 技 术 的 基 础上, 简单实现 OFDM 与 FH 系统的无缝结合, 以发挥各自的优 点, 实现保密宽带无线数据通信。下面, 本文首先介绍 OFDM 的 核 心 技 术 , 而 后 把 OFDM 技 术 结 合 到 跳 频 通 信 系 统 中 , 做 出 了 成熟的硬件系统设计。 2 OFDM 原 理 及 组 成 正交频分复用是在频分复用的基础上, 使各个子载波满足 两两正交。一组典型的正交信号是{1,cosΩt,cos2Ωt,...,cosmΩt,..., sinΩt,...,sinmΩt,...},它 们 在 [0 , T ]内 两 两 正 交 , 其 中 T=2π/Ω。 令子载 波 频 率 满 足 如 下 关 系:fk=f0+k/Tb,f0 为 发 射 频 率;Tb 为 串/并 变换后的码元持续时间,k=0 ,1 , …, N - 1 ( N 为子载波数) , 则 载波信号可定义为: 刘 嘉: 讲师 硕士生 基金项目:总装武器预研基金(编号不公开) - 176 - 360元 / 年 邮局订阅号: 82-946 由 于 正 弦 函 数 的 正 交 性, (1) , 这样的载波信号满足两两正交的要求。OFDM 系统调制和解调 框图如图 1 所示。 图 1 OFDM 系统调制和解调 在发信端,高速串行数据经过串/并变换,形成 N 路并行信号 , 信号持续时间扩大 N 倍 , 每一路信号按照一定的星座图映射 到一个复数点 X(k)=A(k)- jB(k),k=0 ,1 ,…, N - 1。对这 N 个复数 点,用 符 合 上 述 正 交 条 件 的 N 路 子 载 波 分 别 进 行 调 制 、求 和,形 成 OFDM 信号: 很多文献中也写成: (2) (3) 其中实部和虚部分别对应 OFDM 符 号 的 同 相 正 交 分 量, 若 令 ts=0,t=kT/N(k=0,1,...,N- 1), 就可以得到: 由此看出 S(k)即为 di 的 IDFT 运算。 在接收端,采用与发信端完全同步的 N 路子载波进行解调, 由于子载波两两正交,就能够 从接收信号中解出 N 个复信号点, (4) 《现场总线技术应用 200 例》 

您 的 论 文 得 到 两 院 院 士 关 注 分别对这 N 路复信号进行反映射, 就得到了 N 路 比 特 信 号,通 过并/ 串变换,最终得到信息比特流 , 即 (5) 3 OFDM 与 跳 频 系 统 结 合 OFDM 系统由于其频谱利用率高、抗多径干扰及多普勒频 移能力强等优点, 能 够 在 复 杂 的 无 线 环 境 下 实 现 数 据 的 高 速 传 输 , 越 来 越 受 到 业 界 的 重 视 , 其 成 熟 技 术 在 很 多 方 面 得 到 了 广 泛 应 用 , 本 文 针 对 现 用 跳 频 通 信 电 台(系 统)在 数 据 传 输 速 率 较 慢的现状, 在运用 OFDM 技 术的基础上给出一 种 简 单 而 有 效 的 解决方案。 跳 频 系 统 如 果 不 考 虑 中 心 频 率 的 改 变 , 除 去 频 率 合 成 器 输 出 跳 变 的 影 响 , 该 系 统 与 其 他 简 单 的 超 外 插 调 制 系 统 在 调 制 解 调 上 区 别 不 大 。 而 OFDM 系 统 基 带 调 制 和 解 调(如 图 1)实 际 上 就 是 做 相 应 的 IFFT(IDFT)变 换 和 FFT(DFT)变 换, 这 用 DSP 芯 片 很 容 易 实 现 。基 于 DSP 设 计, 在 跳 频 电 台(系 统)信 源 部 分, 加 入 OFDM 基 带 调 制 , 得 到 OFDM 基 带 信 号 后 传 入 跳 频 调 制 系 统 , 经 过 跳 频 调 制 后 发 送 , 这 样 对 现 有 军 用 跳 频 电 台 只 做 信 源 部 分 的 改 动, 即 可 以 实 现 更 高 速 率 的 无 线 数 据 通 信 。其 总 体 框 图 如 图 2: 图 2 OFDM- FH 系统总体框图 其中跳频 调 制 模 块 就 是 现 用 跳 频 电 台 的 跳 频 调 制 部 分, 对 电台系统不用做任何 改 变 即 可 满 足 本 系 统 的 要 求, 下 面 主 要 介 绍基于 DSP 的 OFDM 调制部分。 OFDM 调制实质就是把串行数据转换为并行数据后再经过 IFFT 变换, DSP 芯片有优秀的数据处理功能, TI 公司的定点芯 片能在一个时钟周期内完成一次乘法运算和一次加法运算, 很适 合做 FFT 运算。图 3 给出了数据进入 DSP 芯片以后的处理过程。 图 3 DSP 芯片内部数据处理过程 数 据 经 过 编 码 后 送 入 DSP 芯 片 进 行 OFDM 调 制 , 星 座 映 射 把 数 据 映 射 到 系 统 确 定 的 复 数 坐 标 上 , 经 串/并 转 换 即 可 进 行 IFFT 变换, 完 成 OFDM 调 制 。 并/串 转 换 后 加 的 循 环 前 缀 与 OFDM 信 号 尾 部 Tg 宽 度 的 部 分 相 同, 作 为 保 护 间 隔 , 用 以 抵 抗 多径传播产生的 ICI。之后数据送入跳频模块, 作为跳频模 块的 信源输入, 进行跳频调制, 完成系统调制过程。解调过程为调制 过 程 的 逆 过 程 。 以 下 以 发 端(IFFT)为 例 , 介 绍 DSP 芯 片 内 部 具 体实现步骤: (1)输入串行数据, 根据子载波数目 N 变换为相应的 N 路并 行比特流(假定 2N 为 4 的幂次), 每一路按 照特定的星座图进行 DS P 开 发 与 应 用 映射。采用查表的方式, 复信号点的实部和虚部分别用 16 位有 符号数按 Q15 表示, 对应着内存单元中的低位和高位, 占用 4 字节内存空间。采用基址(表头地址)加偏址 (比特信息)的内存访 问方式查表映射。 (2)根 据 式(2), 进 行 共 扼 偶 对 称 扩 展 , 采 用 基 址 加 偏 址 的 内 存访问方式建立新表。 (3)对得到的 2N 点序列进行共扼变换。 (4)对 变 换 得 到 数 据 进 行 FFT 运 算 , 两 个 16 位 Q15 有 符 号 相 乘 , 结 果 为 32 位 Q31 有 符 号 数 , 通 过 右 移 16 位 , 还 原 为 Q15。其中旋转因子 0, 1, …,2N- 1)可以事先建表, 便于 FFT 运算查表, 节省运算量, 提高效率。此算法为同址计算, 通过 每 一 级 运 算 产 生 的 2N 个 点 , 还 放 在 原 来 的 位 置 上 , 进 入 下 一 级运算。 (5 ) 输 出 数 据 取 共 扼 , 并 按 4 进 制 倒 序 输 出 到 跳 频 调 制 模 块 。 4 结 束 语 OFDM技术作为一项宽带数据 传 输 多 载 波 调 制 技 术, 已 经 有 了 广 泛 应 用 , 其 中 有 欧 洲 的 数 字 音 频 广 播(DAB, Digital Au- dio- Broadcasting)和视频广播(DVB, Digital Video- Broadcasting)、 无 线 局 域 网 IEEE802.11a、无 线 城 域 网 IEEE802.16a 系 统 , 以 及 高 比 特 数 据 用 户 线 (xDSL)等 。 本 文 结 合 跳 频 电 台 (系 统 )运 用 OFDM 技术, 是对 OFDM 技术创新的工程运用,对于提高跳频系 统数据传输速率以及组网可靠性大有益处。该方案能够满足现 代军事无线通信越来越高的要求(如单兵或作战班、排视频无线 战 术 通 信 等), 而 且 对 现 有 系 统 改 造 变 动 不 大 , 有 很 大 的 工 程 应 技 术 创 新 用空间。 本 文 作 者 创 新 点: 作 者 在 研 究 OFDM 与 跳 频 技 术 的 基 础 上 , 结 合 各 优 缺 点 , 给 出 了 OFDM 与 跳 频 技 术 的 创 新 性 结 合 的 方 案 , 能 够 很 好 的 实 现 保 密 宽 带 无 线 通 信 , 而 且 简 单 易 于 工 程 实 现 。 参考文献: [1]Ho Kyu Choi and Sang Wu Kim, “Frequency- Hopped Multiple- Access Communications with Nonorthogonal BFSK in Rayleigh Fading Channels”, IEEE Transactions On Communications, Vol. 46, No. 11, pp. 1478- 1483, November 1999. [2]Leif Wilhelmsson and Kamil Sh. Zigangirov, “Analysis of MFSK Frequency - Hopped Spread - Spectrum 、Multiple Access over Rayleigh Fading Channel”, IEEE Transactions on Communications, Vol. 46, No. 10, pp. 1271- 1274, October 1998. [3]Seung Ho kim and Sang Wu kim, “Frequency- Hopped Multi- ple- Access Communications with Multicarrier On- Off Keying over Rayleigh Fading Channels”, IEEE Transactions On Communica- tions, Vol. 48, No. 10, pp 692- 1701, October 2000 [4]R.V. Nee, R. Prasad. OFDM wireless multimedia communica- tions [M] . Boston, Mass: Artech House Publishers,2000. [5]尹长川，罗涛，乐新光.多载波宽带无线通信技术[M].北京:北 京邮电大学出版社,2004. [6]岳海啸.高速跳频通信系统关键技术研究与基带设计[D].西安: 西北工业大学,2006. (下转第 249 页) 《PLC 技术应用 200 例》 邮局订阅号: 82-946 360 元 / 年 - 177 - 

您 的 论 文 得 到 两 院 院 士 关 注 机 器 人 技 术 改变。sensor_r 的变化同 sensor_l 相似。仿真时序中比较关键的 一段是 sensor_m 两次变低的情况, 分别代表顺时针和逆时针归 零的两种情况。从上图可以看出, 所设计的状态机很好的实现了 对传感器同一边沿信号的识别, 同时在加入了控制信号 pwm 后, 使得机构归零后还可以进行任意方向的运动, 满足了设计要求。 图 3 时序仿真图 2.2.2 设计实现 将 设 计 的 状 态 机 采 用 VHDL 语 言 编 码 并 在 xilinx 公 司 的 CPLD 器 件 XC9572 上 实 现, 经 过 实 验 验 证 , 所 设 计 的 状 态 机 是 安全可靠的。 3 结 论 机器人控制系统的实现主要有两种方法。基于软件的实现 方法在各种苛刻的实际应用中显示出了种种不足。可编程器件 的发展为控制系统的实现提供了一种全新的模式。基于可编程 器件的控制系统实现 , 可靠性好, 实现简单, 灵活性好, 相对于传 统的软件实现和由 分 离 元 件 实 现 的 控 制 系 统, 基 于 可 编 程 器 件 的控制系统有着诸多无法替代的优点。本文根据控制对象对控 制器时序要求, 抽象出控制系统的行为级描述, 并据此设计了有 限状态机的状态。并采用 EDA 软件进行了综合, 布局布线和仿 真, 最终在 CPLD 上实现了所设计的运动控制系统, 为控制系统 的数字化设计提供了一种行之有效的方法。 本文的创新点是将有限状态机应用于机器人控制系统的硬 件设计, 并在可编 程 器 件 上 实 现 了 所 做 设 计 。 这 是 对 常 见 的 基 于 软 件 的 控 制 系 统 实 现 方 法 和 由 分 离 元 件 构 造 的 基 于 硬 件 的 控 制 系 统 实 现 方 法 的 极 大 改 善 , 大 大 提 高 了 控 制 系 统 的 可 靠 性, 抗干扰性和实时性。 参考文献 [1]James R. Armstrong F. Gail Gray: VHDL Design Representation and Synthesis. China Machine Press. [2]赵世霞，杨丰，刘揭生.VHDL 与微机接口设计。 北京，清华大 学出版社，2004。 [3]周怀得，肖传，伟郝志航.基于 DSP 和 CPLD 的智能相机系统 设计与研制.[J]微计算机信息，2006，Vol.22,No.17 [4]王诚，薛小刚，钟信潮.Xilinx ISE 使用详解。北京:人民邮电出 版社，2004。 [5]杨庆. 有限状态机的设计与优化.湖北民族学院学报(自然科 学版)，Vol.24,No.1,Mar 2006. [6]邬杨波，王曙光，胡建平.有限状态机的 VHDL 设计与优化.信 息技术.VOL.28,NO.1,Jan.2004. [7]王剑,赵海燕. 基于 CPLD 的控制器冗余设计.[J]微计算机信 息.2005 Vol.12, No.23 作 者 简 介: 唐 健 隆(1981- ), 男 , 硕 士 研 究 生 , 主 要 研 究 方 向:机 器 人控制;梁自泽(1963- ), 男, 副研究员, 硕士生导师;蔡丽(1975- ), 女, 博士研究生, 研究方向:智能机器人。 Biogr aphy:Tang jian - long, Male, Born in rongchang,chongqing province in 1981,master. Research interest:robot control. LIANG 技 术 创 新 zi- ze, Male, Born in GuiZhou Province in 1963, associate Pro- fessor, Master Director, Research Field: Intelligent Control, Ad- vanced Robot Control, Advanced Manufacture System (100080 北京 中 国科 学 院 自动 化 所 复杂 系 统 与智 能 科 学重 点 实验室)唐健隆 梁自泽 蔡丽 侯增广 (100080 北京 中国科学院研究生院)唐健隆 蔡丽 (100041 北京 北 方工 业 大 学自 动 化 系现 场 总 线技 术 与 自动 化 重点实验室)左岐 (563000 遵义 南方电网遵义市供电局)叶文波 通 讯 地 址:(100080 北 京 市 海 淀 区 中 科 院 自 动 化 所 复 杂 系 统 实验室)唐健隆 (收稿日期:2007.10.13)(修稿日期:2007.12.15) ( 上接第 177 页) [7]皮天一，谷坊祝，邵世祥等. 基于 FFT 的 OFDM 调制解调的 DSP 实现[J].南京邮电学院学报,2003,23(4):32- 35. [8]张雄伟，陈亮，徐光辉等.DSP 芯片的原理与开发应用[M].北 京:电子工业出版社,2006(第三版). [9]程佩清.数字信号处理[M].北京:清华大学出版社,1995. [10]邱立存，闻武，刘海英.TMS320C54X 系列 DSP 上 FFT 运算的 实现[J]微计算机信息,2005,7- 2:36- 02 作者简介:刘 嘉(1979- ), 女, 黑龙江哈尔滨人, 讲师、硕士生, 主 要 从 事 DSP 技 术 的 研 究;冯 红 勇(1981- ), 男, 湖 南 永 兴 人 , 硕 士 生, 主要从事 DSP 及宽带无线技术的研究;李 彦(1963- ), 男, 陕 西人, 教授、硕士生导师, 主要从事 DSP 技术的研究 ),Female, Borne in Harbin, Hei- Biogr aphy:Liu Jia (1979 - longjiang, Instructor and Graduated student in the Science In- stitute, Air Force Engineering University, The major is DSP technique。 (710051 陕西西安 空军工程大学 理学院)刘嘉 冯红勇 李彦 通讯地址:(710051 陕西西安 空军工程大学 理学院)刘嘉 (收稿日期:2007.10.13)(修稿日期:2007.12.15) 《变频器与软启动器应用 200 例》 凡 有 电 机 的 地 方, 均 需 要 软 启 动 器 与 变 频 器 , 一 是 安 全 、 二 是 节 能 、三 是 环 保 。 冶 金 、石 化 、化 工 企 业 的 大 设 备 运 行 , 港 口 、码 头 、矿 山 的 装 载 机 械 、掘 进 机 械 、水 泥 厂 的 窑 炉 动 力 机 械 、破 碎 机 械 , 机 床 厂 的 各 种 设 备 与 产 品 , 电 力( 发 电 与 运 行 ) 机 械 , 铁 路 行 业 的 电 力 机 车 、内 燃 机 车 与 货 场 的 行 车 , 轻 工 动 力 机 械 、造 纸 机 械 、印 刷 机 械 、大 厦 中 的 电 梯 、中 央 空 调 装 置 、恒 压 供 水 装 置 , 各 种 窑 炉 的 控 制 设 备 、大 型 闸 门 起 吊 设 备 , 各 种 伺 服 阀 门 、大 型 雷 达 动 力 驱 动 系 统 , 有 轨 、 无 轨 城 市 电 车 …… 。电 机 无 处 不 在 , 变 频 器 与 软 启 动 器 的 用 场 无 所 不 在 。 高 压 变 频 、中 低 变 频 、直 流 调 速 、交 流 变 频 、交 交 变 频 、伺 服 驱 动 、各 种 启 动 、励 磁 、电 源 解 决 均 在 本 书 之 中 , 既 符 合 设 计 使 用 人 员 查 阅 , 又 适 合 采 购 主 管 人 员 查 询 。 好 书 大 家 拥 有 , 200 个 实 用 案 例 与 大 量 的 广 告 总 会 有 适 应 您 的 一 款 。 本 书 已 出 版 。大 16 开 , 每 册 定 价 110 元(含 邮 费 ) 。预 购 者 请 将 书 款 及 邮 寄 费 通 过 邮 局 汇 款 至 地 址 : 北 京 海 淀 区 皂 君 庙 14 号 院 鑫 雅 苑 6 号 楼 601 室 微计算机信息 编辑部 电 话 : 010-62132436 http ://www.autocontrol.com .cn E-mail:editor@autocontrol.com .cn ; 邮 编 :100081 010-62192616( T/F ) http ://www.autocontrol.cn E-mail:control-2@163 .com 《PLC 技术应用 200 例》 邮局订阅号: 82-946 360 元 / 年 - 249 -