基于Simulink的FH／DS混合信號(hào)源的仿真設(shè)計(jì)

1 引 言

跳頻(FH)和直擴(kuò)(DS)系統(tǒng)都具有很強(qiáng)的抗干擾能力，是使用最多的兩種擴(kuò)頻技術(shù)。跳頻系統(tǒng)在抗選擇性衰落、抗多徑等方面的能力不強(qiáng)，直擴(kuò)技術(shù)正好彌補(bǔ)了這一缺點(diǎn)；直擴(kuò)系統(tǒng)受"遠(yuǎn)-近"效應(yīng)影響較大，而這正是跳頻技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)。這兩種方式都具有自己的獨(dú)到之處，但也存在各自的不足，將兩者有機(jī)地結(jié)合在一起，可以大大改善系統(tǒng)性能。

Matlab／Simulink屬于一種通用的科學(xué)計(jì)算和系統(tǒng)仿真語(yǔ)言，Matlab簡(jiǎn)單高效的數(shù)學(xué)語(yǔ)言結(jié)合Simulink的圖形化設(shè)計(jì)使得從數(shù)學(xué)模型到計(jì)算機(jī)仿真模型的轉(zhuǎn)換非常容易，免除了高級(jí)語(yǔ)言編程的繁瑣。

本文使用Simulink中的Communications Blockset和Altera DSP Builder工具箱對(duì)FH／DS混合擴(kuò)頻信號(hào)源進(jìn)行了仿真設(shè)計(jì)，采用同一PN碼發(fā)生器保證了系統(tǒng)的同步性，并借助Altera公司推出的DSP Builder將核心模塊自動(dòng)轉(zhuǎn)化為VHDL文件，可由QuartusⅡ軟件來(lái)進(jìn)一步完成編譯、綜合以及FPGA芯片的下載調(diào)試。其中，DSPBuilder軟件的使用大大加速了工程設(shè)計(jì)從軟件仿真到硬件實(shí)現(xiàn)的進(jìn)程。

2 FH／DS混合信號(hào)源的原理及組成

2.1混合信號(hào)源的設(shè)計(jì)原理

直擴(kuò)采用偽隨機(jī)碼進(jìn)行擴(kuò)頻，跳頻是用碼序列構(gòu)成跳頻指令來(lái)控制頻率合成器輸出信號(hào)的頻率。

本設(shè)計(jì)采用偽碼發(fā)生器來(lái)作為直擴(kuò)信號(hào)源，并使用同一偽碼發(fā)生器控制直接數(shù)字頻率合成器(DDS)來(lái)產(chǎn)生跳變的頻率，作為跳頻信號(hào)源。這樣可以保證混合信號(hào)源的同步性，在接收端也有利于實(shí)現(xiàn)解擴(kuò)同步處理。圖1是FH／DS混合信號(hào)源的示意圖。

可見(jiàn)，DDS技術(shù)和偽碼發(fā)生器是混合擴(kuò)頻信號(hào)源的關(guān)鍵技術(shù)。

2.2 DDS技術(shù)原理及組成

DDS是從相位概念出發(fā)直接合成所需波形的一種新的頻率合成技術(shù)，用數(shù)字合成技術(shù)實(shí)現(xiàn)。DDS主要由相位累加器、正弦查詢表、D／A轉(zhuǎn)換器和低通濾波器組成，如圖2所示。

在參考頻率fc的控制下，頻率控制字K控制相位累加器得到相應(yīng)的相位數(shù)據(jù)，并在正弦查詢表中查詢相應(yīng)的幅度信息，將相位信息轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的正弦幅值，經(jīng)D／A轉(zhuǎn)換器變成模擬信號(hào)，再經(jīng)低通濾波器平滑后得到所需的信號(hào)波形。通過(guò)改變頻率控制字K，可得到不同的輸出頻率：

2.3 PN碼發(fā)生器的原理及構(gòu)成

本次仿真設(shè)計(jì)中，PN碼采用易于產(chǎn)生、擁有優(yōu)良自相關(guān)特性的m序列。m序列是由移位寄存器加反饋后構(gòu)成的，其序列生成多項(xiàng)式如下：

3 FH／DS混合信號(hào)源的Simulink仿真

3.1 系統(tǒng)仿真模型

混合擴(kuò)頻信號(hào)源系統(tǒng)的仿真模型主要由三部分組成：PN_Generator，Random_Integer及DDS，如圖3所示。

3.2 PN Generator的仿真設(shè)計(jì)

根據(jù)反饋移位寄存器原理，采用Altera DSP Builder工具箱設(shè)計(jì)的PN_Generator仿真結(jié)構(gòu)如圖4所示，該模塊采用5級(jí)反饋來(lái)產(chǎn)生周期為31的m序列。根據(jù)需要，可對(duì)反饋級(jí)數(shù)作修改。

該模塊采用Communications Blockset工具箱設(shè)計(jì)完成，其仿真結(jié)構(gòu)如圖5所示。參數(shù)設(shè)置為4，即每4位二進(jìn)制轉(zhuǎn)化成為1位十六進(jìn)制，輸出幅值在[1，15]之間、碼持續(xù)時(shí)間為1 s的隨機(jī)整數(shù)序列。

按照DDS的組成原理，在Simulink中采用AlteraDSP Builder工具箱建立的DDS仿真結(jié)構(gòu)如圖6所示。

由于受存儲(chǔ)器容量和成本限制，正弦查詢表LUT容量有限，采用10位精度，其參數(shù)Matlab Array設(shè)置為：255*sin([0：pi／(2^10)：2*pi])，即DDS模塊可獲得fc／210的頻率分辨率。

DDS各點(diǎn)的仿真波形如圖7所示，示波器的采樣時(shí)間設(shè)置為0.01。

系統(tǒng)仿真步進(jìn)設(shè)置為Variable Step，最大仿真步長(zhǎng)設(shè)置為le-3，仿真時(shí)間設(shè)置為65 s。圖8顯示了FH／DS混合信號(hào)源的仿真波形，示波器的采樣時(shí)間設(shè)置為0.01。

上述內(nèi)容旨在提出一種完全由Simulink仿真實(shí)現(xiàn)的混合擴(kuò)頻信號(hào)源，而對(duì)于信號(hào)的指標(biāo)沒(méi)有過(guò)高要求。如有需要，通過(guò)修改仿真模型中零階保持器的sample time和Random_Integer的參數(shù)，直擴(kuò)碼和跳頻源的頻率可進(jìn)一步提高，跳頻點(diǎn)數(shù)也可進(jìn)一步增加，通過(guò)修改PN_Gener-ator的反饋級(jí)數(shù)，直擴(kuò)碼周期可加大。通過(guò)修改參數(shù)以滿足不同需要使得本設(shè)計(jì)具有很大的靈活性。

4核心模塊的FPGA實(shí)現(xiàn)

從前面的分析可以看到，偽碼發(fā)生和DDS是混合擴(kuò)頻信號(hào)源的核心模塊，因此采用了Altera DSP Builder工具箱對(duì)其進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)。Altera DSP Builder是DSPBuilder軟件在Simulink生成的工具箱，下面對(duì)DSP Build-er的設(shè)計(jì)流程和上述兩個(gè)模塊的FPGA實(shí)現(xiàn)加以介紹。

4.1 DSP Builder設(shè)計(jì)流程

Altera公司推出的DSP Builder是一個(gè)系統(tǒng)級(jí)(或算法級(jí))設(shè)計(jì)工具，他架構(gòu)在多個(gè)軟件工具之上，并把系統(tǒng)級(jí)(算法仿真建模)和RTL級(jí)(硬件實(shí)現(xiàn))兩個(gè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的設(shè)計(jì)工具連接起來(lái)，最大程度地發(fā)揮了兩種工具的優(yōu)勢(shì)。DSP Builder依賴于MathWorks公司的數(shù)學(xué)分析工具M(jìn)atlab／Simulink，以Simulink的Blockset出現(xiàn)?？梢栽赟imulink中進(jìn)行圖形化設(shè)計(jì)和仿真，同時(shí)又通過(guò)Signal-Compiler把Matlab／Simulink的設(shè)計(jì)文件(.mdl)轉(zhuǎn)成相應(yīng)的硬件描述語(yǔ)言VHDL設(shè)計(jì)文件(.vhd)，以及用于控制綜合和編譯的tcl腳本。而對(duì)后者的處理可以由FPGA／CPLD開(kāi)發(fā)工具QuartusⅡ來(lái)完成。

由于用FPGA設(shè)計(jì)一個(gè)DSP模塊的復(fù)雜性、設(shè)計(jì)的性能(如面積、速度、可靠性、設(shè)計(jì)周期等)對(duì)于不同的應(yīng)用目標(biāo)有不同的要求，涉及的軟件工具也不僅僅是Simulink和QuartusⅡ。DSP Builder針對(duì)不同情況提供了兩套設(shè)計(jì)流程，即自動(dòng)流程和手動(dòng)流程。

自動(dòng)流程包括以下幾個(gè)步驟：

(1)Matlab／Simulink建模；
(2)系統(tǒng)仿真；
(3)DSP Builder完成VHDL轉(zhuǎn)換、綜合、適配、下載；
(4)嵌入式邏輯分析儀實(shí)時(shí)測(cè)試。

手動(dòng)流程包括以下幾個(gè)步驟：

(1)Matlab／Simulink建模；
(2)系統(tǒng)仿真；
(3)DSP Builder完成VHDL轉(zhuǎn)換、綜合、適配；
(4)ModelSim對(duì)TestBench功能仿真；
(5)QuartusⅡ直接完成適配(進(jìn)行優(yōu)化設(shè)置)；
(6)QuartusⅡ完成時(shí)序仿真；
(7)引腳鎖定；
(8)下載／配置與嵌入式邏輯分析儀等實(shí)時(shí)測(cè)試；
(9)對(duì)配置器件編程，設(shè)計(jì)完成。

4.2 PN Generator和DDS功能模塊的FPGA實(shí)現(xiàn)

按照?qǐng)D4和圖6所示結(jié)構(gòu)在Simulink中完成仿真模塊的搭建，參數(shù)設(shè)置后進(jìn)行Simulink系統(tǒng)級(jí)仿真。仿真成功后雙擊Signal Complier Block，出現(xiàn)如圖9所示窗口。

對(duì)話框中選定Cyclone系列芯片。通過(guò)點(diǎn)擊1，可把Simulink的模塊文件(.mdl)自動(dòng)轉(zhuǎn)換成硬件描述語(yǔ)言VHDL文件：點(diǎn)擊2，可對(duì)轉(zhuǎn)換好的VHDL文件進(jìn)行綜合；點(diǎn)擊3，QuartusⅡ進(jìn)行編譯適配，生成編程文件。也可以點(diǎn)擊"Execute steps 1，2 and 3"讓Signal Complier自動(dòng)完成上述一系列操作，由QuartusⅡ自動(dòng)進(jìn)行綜合、適配、時(shí)序分析，最終得到可供芯片下載使用的.sof文件。

打開(kāi)QuartusⅡ，選擇Cyclone系列的EP1C6Q240C8芯片，進(jìn)行重新編譯、仿真并下載到芯片，最終可在示波器中驗(yàn)證偽碼發(fā)生和DDS的功能。

5 結(jié)語(yǔ)

本次仿真設(shè)計(jì)充分利用了Matlab／Simulink中DSPBuilder工具箱的圖形化界面建模、系統(tǒng)仿真的功能，既避免了編寫(xiě)繁瑣的硬件描述程序，又區(qū)別于以往完全圖形化的仿真設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)思路十分靈活。其中，DSP Builder軟件的使用大大縮短了工程設(shè)計(jì)從軟件仿真到硬件實(shí)現(xiàn)的周期。采用同一偽碼發(fā)生器，能夠同步產(chǎn)生直擴(kuò)所需的偽碼序列和跳頻所需的跳變頻率源，保證了混合擴(kuò)頻信號(hào)源的穩(wěn)定性，對(duì)于接收端的同步解擴(kuò)也十分有利。采用DDS技術(shù)，具有分辨率高、頻率變化快、頻率可控等優(yōu)點(diǎn)，很好地實(shí)現(xiàn)了跳頻功能。和專用芯片相比，對(duì)多種功能模塊進(jìn)行Simulink仿真，利用DSP Builder快速轉(zhuǎn)換到FPGA硬件設(shè)計(jì)，并將多種功能集成在同一FPGA芯片上，這種方法使系統(tǒng)具有較高的性價(jià)比。