基于混沌理论跳频引信技术的研究*

高祥，王利，王露露，张志

(中北大学 机电工程学院，山西 太原 030051)

0 引言

跳频引信技术应用跳频通信的原理，其属于扩频通信的应用范畴，具有抗干扰抗截获能力，并能做到频谱资源共享，在现代化电子战中跳频通信已显示出巨大的优越性[1]。

在跳频引信通信技术中最为关键的是载波频率的控制。目前，常用的载波信号是随机信号和伪随机信号，理想的随机信号实现起来非常困难，对于确定的伪随机信号线性复杂度较低，随机码产生和存储不易及伪随机数量较少等不足之处，所以抗干扰性不能满足要求。因此，本文提出了基于混沌理论跳频引信技术的研究。

1 混沌跳频引信系统简介

1.1 混沌理论

在跳频引信通信中采用一维Logistic混沌理论产生的混沌信号作为载波信号，混沌信号是一种良好的伪随机信号，其随机性强、样本容量大等特点，混频序列在扩频通信等领域取得了众多成果[2]。一维Logistic混沌映射为

Xn+1=uXn(1-Xn),

式中：当u的取值范围为3.95～4.00之间，Xn取值范围为0～1之间，此时产生的随机序列为混沌序列，可以产生符合要求的混沌信号。

1.2 直接数字合成技术

近年来DDS(direct digital synthesizer)技术得到了飞速的发展，它可以通过数字控制电路对输出信号的频率进行精确的控制，具有极高的频率分辨率和极短的频率转换时间，能保证频率捷变的连续性[3]。

DDS芯片由相位累加器、波形存储器和数/模转换器等部分组成，本文选取的DDS芯片是AD9850，其相位累加器的字长N=32，输出信号的瞬时频率可以表示为

f=Kfc/232,

式中：fc为时钟频率；K为频率控制字。

以DDS技术为基础，以混沌信号为调制信号，实现频率捷变[4]。

2 系统硬件的工作原理

跳频引信系统方案利用频率快速跳变的信号进行引信信息传输的原理进行设计，其主要由单片机C8051F340和直接数字合成芯片AD9850组成，其C8051F340单片机控制AD9850芯片的频率控制字实现信号源频率的快速跳变，从而实现引信跳频设计[5]。

2.1 DDS芯片共工作原理

AD9850是引信跳频系统的核心部分，并运用了先进的DDS技术，结合一个片内高速、高性能DAC(digital-analog conversion)和比较器构成一个完全数控可编程频率合成器，具有时钟产生功能的高度集成芯片[6]。DDS芯片以高精度的时钟作为时钟参考源，精确控制芯片内部的时钟基准。利用单片机作为输入控制端，可产生一个频谱纯净、频率和相位都可编程控制的模拟正弦信号，此正弦信号可直接用作频率信号源或转换成方波而用作时钟脉冲[7]。

2.2 DDS的外接时钟

本设计中利用外部有源晶振对DDS芯片提供系统时钟，DDS芯片9850允许外接的晶振频率最大为125 MHz。本设计选用频率为100 MHz有源晶振提供时钟参考源，DDS的输出频率约为系统时钟的50%，DDS输出的信号最大频率可达到50 MHz。

2.3 系统基本工作原理

系统基本结构框图如图1所示， C8051F340单片机控制AD9850芯片进行频率控制字的设定并将相应的频率值存入相位累加器中，相位累加器在内部进行相关频率的变换，其输出的地址由波形存储器取出波形量化数据，经过数/模转换器换成模拟电流，最后输出相应的波形信号[8]。单片机通过AD9850芯片控制接口输入不同的频率控制字，就输出不同波形信号，从而实现信号频率的跳变。

3 系统软件设计

在跳频引信系统方案设计中，AD9850选取并行的工作方式通过C8051F340对其进行控制。其工作流程图如图2所示。

单片机对AD9850进行初始化, 即根据按键信息由单片机通过对应的端口控制AD9850向其发送频率控制字和相位控制字, 产生相应的频率信号和相位信号。程序初始化可将系统设定为默认工作状态，然后通过扫描键盘来判断是否有按键按下以此确定用户要执行任务的初始值。当i<100时，系统工作在计算频率的方式下,同时当N!=0时，计算频率控制字并输入数据，当执行完后返回键盘扫描值并以此循环，从而实现频率跳变的功能[9]。

图1 系统基本结构框图Fig.1 System structure diagram

图2 主程序流程图Fig.2 Main program flow chart

3.1 频率控制字的计算

DDS芯片AD9850输出信号频率可由下列公式计算：

f=KFclk/232，

式中：K为频率控制字；Fclk为基准时钟频率。

例如，Fclk=100 MHz，输出信号的频率30 MHz，则向AD9850写入的频率控制字

K=f×232/Fclk=30×106×232/(100×106)=

1 288 490 188.8≈0X4CCCCCCC,

令k=232/Fclk=42.949 672 96，频率控制字的计算公式可简化为K=42.949 672 96f。

3.2 并行方式加载频率控制字

DDS芯片AD9850频率/相位控制字一共有40位，其中32位为频率控制字，5位为相位控制字，1位是电源休眠控制，2位是工作方式控制。

在并行方式加载中，每次通过8位数据线进行加载，连续5次将40位数据写入AD9850中。WCLK和FQUD信号用来确定地址和加载数据的次数，在WCLK信号上升沿时，加载数据转备好并保持稳定，在FQUD上升沿时将40位数据写入频率/相位数据寄存器，同时地址指针复位到第1个寄存器。

3.3 跳变频率点的计算

在跳频引信系统中要根据一维Logistic映射原理，编写便于控制的混沌序列信号。混沌序列其初始条件有极微小的变化即可导致大范围内不同的结果，这使得混沌序列非常适于作抗干扰和保密通信的码序列[10]。

本系统所需要的频率跳变点正是基于此映射。Logistic映射混沌产生电路是由单片机C8051F340通过编程完成Logistic迭代，从而生成所需的频率跳变点。Logistic一维映射的数学表达公式为

Xn+1=Xnμ(1-Xn)，μ∈[0,4]，

X∈[0,1].

基于Logistic一维映射的特性，本系统选定μ=3.95，Xn的值通过键盘随机输入。从而频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 实验及结果分析

本文将调试好的系统进行了实验，通过示波器单次对载波波形进行捕捉，采集到的波形图如图3所示。

图组是示波器采集到的载波信号的跳频波形图，通过示波器可以看到载波信号的频率连续变化，DDS芯片产生的混沌信号其频率范围为0～500 kHz的频率跳变点，混沌序列的长度较宽，此混沌信号作为引信通信的载体起到了抗干扰抗截获的作用[11-12]。载波信号的频率在这个范围内变化可以达到跳频引信系统的设计要求。

图3 电路调试波形图Fig.3 Circuit debugging oscillograph

5 结束语

本文提出了基于混沌理论跳频引信技术的研究。跳频引信技术中利用一维Logistic混沌理论经过程序优化改进作为DDS芯片的控制字。实验结果表明：DDS芯片产生信号的频率最高可以达到150 MHz，下一步的工作就是在混沌理论的基础上进行软件优化，使产生的混沌信号的频率可以达到75 MHz，使载波信号的频带范围更宽，更有利于引信信号的通信传输。

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