跳频信号频率测量技术研究及实现

重庆通信学院信息栅格实验室 郑 鹤 李高峰 杨 尹

跳频信号频率测量技术研究及实现

重庆通信学院信息栅格实验室 郑 鹤 李高峰 杨 尹

跳频通信在军事和民用领域都有着广泛的应用。本文详细阐述了对跳频通信设备的频率测量的原理、工作流程以及频率检测设备的设计，对测量精度及检测设备参数进行了分析，并在CPLD上实现了检测算法，实现了一个低成本、高精度、可控性强的跳频信号频率测量设备。

跳频；CPLD；频率测量

1 引言

跳频通信由于具有抗干扰、多址组网等特点,在战术通信中得到广泛的应用[1]。因此,对跳频信号频率的测量至关重要。一般可以借助频谱仪来测量频率,但是频谱仪价格高昂,而且不易携带。本文提出了一种跳频信号频率测量方法,给出了测量原理,流程以及分析了测量精度,在此基础上编写硬件程序,在CPLD上实现,做到成本低廉,体积小巧,灵活可控。

2 单一频率测量原理

跳频信号频率测量是以单频信号频率测量为基础的。单频频率测量系统如图1所示:

图1 单频频率测量系统示意图

图中系统时钟作为基准时钟,频率为Fsys,用一个计数器(计数器1)基于系统基准时钟计数;将待测的单频信号进过施密特触发器后连接至CPLD的全局时钟管脚,作为系统的另一个时钟,用另一个计数器(计数器2)基于此时钟计数。两个计数器由同一个RESET信号控制,满足同时从0开始计数的条件,这样才能保证计数值有效。当计数器1记到一个特定值C1时,同时记录计数器2当前的计数值C2。由简单的换算关系可以得出此时的输入单频信号的频率Fin为:

可以看出,此系统仅需要一块CPLD、一个系统时钟和一个施密特触发器,电路连接简单,易于实现,且可以控制成本和设备体积。

在通用的频率测试系统中,需要用AD对输入频率进行采样。在本设计中,用施密特触发器来对输入信号进行整形,然后将整形后的信号接入CPLD的全局时钟管脚。施密特触发器芯片的价格比AD芯片的价格低廉,这样设计能够节约成本,并且能够达到很好的效果。

本系统的单次检测时间T为:

假设系统所采用的基准时钟准确,则单次检测误差E为:

检测系统的频率分辨率S为:

由式可知,如果想提高频率分辨率,降低误差,可以进一步提高基准时钟计数器的计数阈值C1,或者降低系统时钟频率Fsys。但是由式可知,这样带来的后果是单次检测时间变长,在检测跳频信号的时候容易漏检、错检。因此,在设计系统参数的时候,需要综合考虑,设定合适的参数。

3 跳频频率测量

跳频系统的频率测量可以分解为多个单一频率测量的问题。和单一频率不同的是,跳频系统的频率在跳变,某一跳频率的持续时间有限。跳频频率测量必须保证在一跳的持续时间内将频率测量准确。

图2 单次测量跨越了两跳频率

图3 每跳必须包含至少两次测量

对于跳频系统来说,得到某一跳的频率往往不能满足需求。因此,系统设计为每一次测量得到2个或2个以上跳频频率(得到更多频率的原理与得到2个频率的原理是一致的,只是工作流程和程序编写的复杂度要增加)。

跳频频率检测的流程如图4所示。下面以图2为例来说明得到两个跳频频率的流程。设某一时刻,测量1得到的测量值为m1,下一时刻,测量2得到的测量值为m2,依此类推,得到6个测量值,存入6个寄存器以供比较判断。

图4 跳频频率检测流程

进行比较的步骤如下:

4 参数设计及系统实现

由上面的测量原理和步骤可知,如果参数设计不当,很可能得不到正确的测量值。

本设计采用的CPLD为Xilinx公司的XA95144XL[2],价格较低,采用的系统时钟为100MHz,C1取值为100000,测量精度为,在此参数下,能够测量最高500跳/秒的调频通信设备的频率。在实际应用中,对军用短波电台(151,154)进行测量,误差值都在理论范围之内。

5 结束语

本文提出了一种跳频信号频率的测量方法,探讨了设计系统时需要注意的参数,完成了基于CPLD的跳频信号频率测量系统的设计,并编程实现。在实际应用中取得了良好的效果。本检测算法可以针对不同的设备和要求对参数进行调整,在取适当参数的情况下,本算法能够达到很高的频率分辨率,满足高精度测量的要求。

［1］梅文华,王淑波.跳频通信［M］.北京:国防工业出版社,2005,8-22.

［2］Xilinx DS600:XA95144XL Automotive CPLD Data Sheet.Xilinx公司,2007,4-3.

郑鹤（1982—），男，江西婺源人，重庆通信学院信息栅格实验室讲师，主要研究方向：数字调制、解调技术及其硬件实现方法。