基于Simulink的FH／DS混合信号源的仿真设计

1 引 言

跳频(FH)和直扩(DS)系统都具有很强的抗干扰能力，是使用最多的两种扩频技术。跳频系统在抗选择性衰落、抗多径等方面的能力不强，直扩技术正好弥补了这一缺点；直扩系统受"远-近"效应影响较大，而这正是跳频技术的优点。这两种方式都具有自己的独到之处，但也存在各自的不足，将两者有机地结合在一起，可以大大改善系统性能。

Matlab／Simulink属于一种通用的科学计算和系统仿真语言，Matlab简单高效的数学语言结合Simulink的图形化设计使得从数学模型到计算机仿真模型的转换非常容易，免除了高级语言编程的繁琐。

本文使用Simulink中的Communications Blockset和Altera DSP Builder工具箱对FH／DS混合扩频信号源进行了仿真设计，采用同一PN码发生器保证了系统的同步性，并借助Altera公司推出的DSP Builder将核心模块自动转化为VHDL文件，可由QuartusⅡ软件来进一步完成编译、综合以及FPGA芯片的下载调试。其中，DSPBuilder软件的使用大大加速了工程设计从软件仿真到硬件实现的进程。

2 FH／DS混合信号源的原理及组成

2.1混合信号源的设计原理

直扩采用伪随机码进行扩频，跳频是用码序列构成跳频指令来控制频率合成器输出信号的频率。

本设计采用伪码发生器来作为直扩信号源，并使用同一伪码发生器控制直接数字频率合成器(DDS)来产生跳变的频率，作为跳频信号源。这样可以保证混合信号源的同步性，在接收端也有利于实现解扩同步处理。图1是FH／DS混合信号源的示意图。

可见，DDS技术和伪码发生器是混合扩频信号源的关键技术。

2.2 DDS技术原理及组成

DDS是从相位概念出发直接合成所需波形的一种新的频率合成技术，用数字合成技术实现。DDS主要由相位累加器、正弦查询表、D／A转换器和低通滤波器组成，如图2所示。

在参考频率fc的控制下，频率控制字K控制相位累加器得到相应的相位数据，并在正弦查询表中查询相应的幅度信息，将相位信息转化成相应的正弦幅值，经D／A转换器变成模拟信号，再经低通滤波器平滑后得到所需的信号波形。通过改变频率控制字K，可得到不同的输出频率：

市面上现有的高性能芯片虽可完成DDS功能，但在某些性能指标及价格方面并不能很好的满足设计要求。本次设计采用Matlab／Simulink+DSP Builder仿真设计DDS模块，并将模块自动转成VHDL文件，进一步使用QuartusⅡ软件来完成FPGA芯片的设计下载。这样可以获得符合自己要求的高性价比的DDS。

2.3 PN码发生器的原理及构成

本次仿真设计中，PN码采用易于产生、拥有优良自相关特性的m序列。m序列是由移位寄存器加反馈后构成的，其序列生成多项式如下：

对于r级反馈移位寄存器，可产生周期为2r-1的m序列。本设计中取m=5，产生周期为31的m序列。若有需要，伪码发生器也可采用其他码序列，如GOLD码、m序列、R-S卷积码等。

3 FH／DS混合信号源的Simulink仿真

3.1 系统仿真模型

混合扩频信号源系统的仿真模型主要由三部分组成：PN_Generator，Random_Integer及DDS，如图3所示。

信号流程：PN_Generator产生周期为31的m序列，经零阶保持器(Hold)后形成码宽为1的伪码序列作为直扩的信号源；m序列进入Random_Integer，由一列二进制码变成一列十六进制码即随机跳变的整数序列，整数幅值在[1，15]之间，经脉冲(Pulse)采样(Sample)后产生频率控制字进入DDS，在DDS中将相位信息转化成相应的正弦幅值，产生了频率随机跳变(具有15个跳频频率点)的正弦波形，作为跳频的信号源。通过示波器(Scope)可以观察输出波形。

3.2 PN Generator的仿真设计

根据反馈移位寄存器原理，采用Altera DSP Builder工具箱设计的PN_Generator仿真结构如图4所示，该模块采用5级反馈来产生周期为31的m序列。根据需要，可对反馈级数作修改。

3.3 Random_Integer的仿真设计

该模块采用Communications Blockset工具箱设计完成，其仿真结构如图5所示。参数设置为4，即每4位二进制转化成为1位十六进制，输出幅值在[1，15]之间、码持续时间为1 s的随机整数序列。

3.4 DDS的仿真设计

按照DDS的组成原理，在Simulink中采用AlteraDSP Builder工具箱建立的DDS仿真结构如图6所示。

幅值在[1，15]之间、码持续时间为1 s的随机整数序列进入DDS，控制相位累加器得到相应的相位数据，并在正弦查询表(LUT)中查询相应的幅度信息，将相位信息转化成相应的正弦幅值，从而得到频率跳变的正弦波信号。

由于受存储器容量和成本限制，正弦查询表LUT容量有限，采用10位精度，其参数Matlab Array设置为：255*sin([0：pi／(2^10)：2*pi])，即DDS模块可获得fc／210的频率分辨率。

DDS各点的仿真波形如图7所示，示波器的采样时间设置为0.01。

3.5 系统仿真结果

系统仿真步进设置为Variable Step，最大仿真步长设置为le-3，仿真时间设置为65 s。图8显示了FH／DS混合信号源的仿真波形，示波器的采样时间设置为0.01。

可以看到，该仿真模型输出了两路信号：一路是码周期为31、最小码宽为1的直扩信号，另一路是具有15个跳频点的随机跳频信号。

上述内容旨在提出一种完全由Simulink仿真实现的混合扩频信号源，而对于信号的指标没有过高要求。如有需要，通过修改仿真模型中零阶保持器的sample time和Random_Integer的参数，直扩码和跳频源的频率可进一步提高，跳频点数也可进一步增加，通过修改PN_Gener-ator的反馈级数，直扩码周期可加大。通过修改参数以满足不同需要使得本设计具有很大的灵活性。

4核心模块的FPGA实现

从前面的分析可以看到，伪码发生和DDS是混合扩频信号源的核心模块，因此采用了Altera DSP Builder工具箱对其进行仿真设计。Altera DSP Builder是DSPBuilder软件在Simulink生成的工具箱，下面对DSP Build-er的设计流程和上述两个模块的FPGA实现加以介绍。

4.1 DSP Builder设计流程

Altera公司推出的DSP Builder是一个系统级(或算法级)设计工具，他架构在多个软件工具之上，并把系统级(算法仿真建模)和RTL级(硬件实现)两个设计领域的设计工具连接起来，最大程度地发挥了两种工具的优势。DSP Builder依赖于MathWorks公司的数学分析工具Matlab／Simulink，以Simulink的Blockset出现。可以在Simulink中进行图形化设计和仿真，同时又通过Signal-Compiler把Matlab／Simulink的设计文件(.mdl)转成相应的硬件描述语言VHDL设计文件(.vhd)，以及用于控制综合和编译的tcl脚本。而对后者的处理可以由FPGA／CPLD开发工具QuartusⅡ来完成。

由于用FPGA设计一个DSP模块的复杂性、设计的性能(如面积、速度、可靠性、设计周期等)对于不同的应用目标有不同的要求，涉及的软件工具也不仅仅是Simulink和QuartusⅡ。DSP Builder针对不同情况提供了两套设计流程，即自动流程和手动流程。

自动流程包括以下几个步骤：

(1)Matlab／Simulink建模；
(2)系统仿真；
(3)DSP Builder完成VHDL转换、综合、适配、下载；
(4)嵌入式逻辑分析仪实时测试。

手动流程包括以下几个步骤：

(1)Matlab／Simulink建模；
(2)系统仿真；
(3)DSP Builder完成VHDL转换、综合、适配；
(4)ModelSim对TestBench功能仿真；
(5)QuartusⅡ直接完成适配(进行优化设置)；
(6)QuartusⅡ完成时序仿真；
(7)引脚锁定；
(8)下载／配置与嵌入式逻辑分析仪等实时测试；
(9)对配置器件编程，设计完成。

4.2 PN Generator和DDS功能模块的FPGA实现

按照图4和图6所示结构在Simulink中完成仿真模块的搭建，参数设置后进行Simulink系统级仿真。仿真成功后双击Signal Complier Block，出现如图9所示窗口。

对话框中选定Cyclone系列芯片。通过点击1，可把Simulink的模块文件(.mdl)自动转换成硬件描述语言VHDL文件：点击2，可对转换好的VHDL文件进行综合；点击3，QuartusⅡ进行编译适配，生成编程文件。也可以点击"Execute steps 1，2 and 3"让Signal Complier自动完成上述一系列操作，由QuartusⅡ自动进行综合、适配、时序分析，最终得到可供芯片下载使用的.sof文件。

打开QuartusⅡ，选择Cyclone系列的EP1C6Q240C8芯片，进行重新编译、仿真并下载到芯片，最终可在示波器中验证伪码发生和DDS的功能。

5 结语

本次仿真设计充分利用了Matlab／Simulink中DSPBuilder工具箱的图形化界面建模、系统仿真的功能，既避免了编写繁琐的硬件描述程序，又区别于以往完全图形化的仿真设计方法，设计思路十分灵活。其中，DSP Builder软件的使用大大缩短了工程设计从软件仿真到硬件实现的周期。采用同一伪码发生器，能够同步产生直扩所需的伪码序列和跳频所需的跳变频率源，保证了混合扩频信号源的稳定性，对于接收端的同步解扩也十分有利。采用DDS技术，具有分辨率高、频率变化快、频率可控等优点，很好地实现了跳频功能。和专用芯片相比，对多种功能模块进行Simulink仿真，利用DSP Builder快速转换到FPGA硬件设计，并将多种功能集成在同一FPGA芯片上，这种方法使系统具有较高的性价比。