摘    要：本文分析了無人機綜合無線電系統(tǒng)中的擴頻原理，介紹了一種基于CPLD的擴頻電路。該電路多應用于遙控指令的頻譜擴展，結(jié)構(gòu)簡單、保密性強。
　　關鍵詞：無人機；綜合無線電；擴頻通信；ｍ序列

1 引言

    　擴展頻譜通信（簡稱擴頻通信）與常規(guī)通信系統(tǒng)相比，具有較強的抗人為干擾、窄帶干擾和多徑干擾能力，和信息隱蔽、低空間無線電波“通量密度”以及多址保密通信等優(yōu)點。因此，其在軍事通信領域得到了廣泛的應用，同時成為無人機綜合無線電系統(tǒng)的重要組成部分。
    　無人機的綜合無線電系統(tǒng)采用了遙控、遙測、定位和圖像傳輸四合一的信道綜合體制，上行信道（指由地面控制系統(tǒng)向無人機發(fā)送信號的信道）傳輸遙控信號，圖像信號、遙測信號和測距信號合用下行信道（指由無人機向地面發(fā)送信號的信道）傳輸，并利用這個下行信道進行天線跟蹤和測角。
    　其中，主、副通道遙控指令發(fā)送都采用了擴頻技術。其擴頻方法是直接序列擴頻，即將加密指令數(shù)據(jù)流與偽噪聲數(shù)據(jù)流系列進行?！?”相加（兩者的初始相位應當同步）。其中加密指令碼速率3.2K，偽碼速率分別為：6.4512M和102.4K。
    　本文介紹的只是基于CPLD芯片EPM7128S設計的加密擴頻板中的遙控指令編碼的擴頻部分，與其一體的指令加密部分沒有涉及。

2  無人機綜合無線電系統(tǒng)中的頻譜擴展技術

    　無人機的綜合無線電系統(tǒng)中，主通道遙控部分的指令擴頻和副通道的遙控載波調(diào)制、遙測部分的偽碼調(diào)制和測距部分的偽碼測距都要用到擴頻碼——m序列碼。
    　其中，主通道遙控部分的指令擴頻，用到兩個m序列，一個周期為127位，另一個為63位。兩者?！?”（即異或運算）后生成8001位的復合碼。雖然復合碼的偽噪聲特性比起單碼的特性稍差些，但有同步時間短，便于與下行測距碼同生的優(yōu)點。復合碼通過與指令數(shù)據(jù)流進行?！?”，完成頻譜擴展，擴頻后指令碼速為：6.4512M。
    　副通道的遙控載波調(diào)制，并不采用主通道的擴頻方式，而是將遙控碼序列調(diào)制（實際也是擴頻）在主通道產(chǎn)生的周期為127位的m序列（也叫測距碼）上，碼速為：102.4K。并利用周期為63位的m序列的全“1”狀態(tài)對輸入的6.4512M的時鐘進行63分頻。

    　遙測部分的偽碼調(diào)制和測距部分的偽碼測距用到的m序列編碼都是周期為127位m序列。其要么復制上行信道的測距碼，要么由本地產(chǎn)生，碼速為：102.4K。
    　這里我們討論的上行信道中的擴頻電路的構(gòu)造，對于下行信道而言，要么復制上行信道中的m序列碼，要么采用上行信道中周期為127位的m序列發(fā)生電路。

3 采用CPLD設計擴頻電路的優(yōu)點

    　CPLD(Complex Programmable Logic Device)是復雜可編程邏輯器件的縮寫，它同現(xiàn)場可編程門陣列FPGA（Field Programmable Gate Array）一樣，屬于近年發(fā)展起來的大規(guī)?？删幊虒Ｓ?a target="_blank">集成電路ASIC。由于具有集成度高、可靠性好、速度快、靈活性強、設計周期短、保密性強和成本低等優(yōu)點，其日益受到廣大電子工程師的親睞。
    　無人機綜合無線電系統(tǒng)的擴頻電路中，采用CPLD設計，具有以下突出優(yōu)點：
        電路的抗干擾能力增強，尤其是對于戰(zhàn)場環(huán)境下的電磁干擾。
        電路的保密性提高，電路不容易被對手分析和復制。
        電路的靈活性增強，可以在不修改電路的基礎上，通過對CPLD內(nèi)部邏輯的更改，修改PN碼產(chǎn)生電路，從而產(chǎn)生不同的PN碼；或者在CPLD內(nèi)部構(gòu)造幾組不同的PN碼發(fā)生電路，每次由軟件選擇一組PN碼作為當前的擴頻碼或測距碼。
        可以簡化電路的邏輯，由于CPLD的時延較短，一般為：幾到十幾納秒，因此有些同步電路可以被去除或減少。
    本設計選用美國Altera公司的CPLD器件EPM7128SLC84-5，這種芯片是該公司生產(chǎn)的MAX 7000S系列器件中的一種，它有128個宏單元，2500個可用門，用戶Ｉ/Ｏ腳為60個,頻率可達175.4MHz，封裝為84腳PLCC形式，時延為5ns。

4基于CPLD 的擴頻電路設計

4.1 m序列發(fā)生電路的設計
    　構(gòu)造一個產(chǎn)生m序列的線性移位寄存器，首先要確定本原多項式，通常我們根據(jù)不可約多項式表查找本原多項式系數(shù)。
    　在無人機綜合無線電系統(tǒng)中，根據(jù)不同的條件可選擇不可約多項式。這里考慮各方面綜合因素， n=6時，我們選擇其不可約多項式為：1   103F（1000011），周期為：p=63； n=7時，不可約多項式取  1  211E（10001001），周期為：p=127。當然，我們還可以采用其他的不可約多項式，但是我們一定要保證上、下行信道的周期為127位的m序列的不可約多項式的一致。
    　例如，周期為63位的m序列，本原多項式為：f (x) = x ＋x ＋ 1，電路原理圖如圖2所示。周期為127位的m序列本原多項式和電路與其類似，這里不再贅述。

4.2 CPLD擴頻部分的內(nèi)部邏輯
    　其中模塊74HC164構(gòu)成串入并出移位寄存器，并與74HC86模塊和模塊NOR6、NOR8構(gòu)成63位和127位的m序列。

   　 6.4512M的時鐘信號分為兩路，一路作為63位PN碼的時鐘推動PN碼產(chǎn)生器工作，另一路送主、副選擇電路模塊74HC157。
    　63位PN碼使用了6位的移位寄存器，在一個周期內(nèi)，全“1”狀態(tài)出現(xiàn)，當全“1”出現(xiàn)時，把移位模塊的并行輸出（6位）送模塊74HC30，將檢測到一個全“1”脈沖，該脈沖對6.4512M進行63頻，頻率為102.4K。
    　該102.4K的信號也分為兩路，一路102.4K與6.4512M的時鐘信號一起送模塊157，當通道選擇信號選擇主通道工作時，選擇6.4512M的信號作為127位的PN碼產(chǎn)生器的時鐘；當通道選擇信號選擇副通道工作時，選擇102.4K的信號作為127位的PN碼產(chǎn)生器的時鐘。另一路102.4K的信號經(jīng)過2分頻和16分頻，作為同步時鐘送飛行控制柜。
    　當通道選擇信號選擇主通道工作時，擴頻碼為63位和127位的PN碼?！?”后的8001位的復合碼，碼速：6.4512M；當通道選擇信號選擇副通道工作時，擴頻碼只為127位的單碼，碼速：102.4K。
   　 同步電路的作用是，使擴頻碼和6.4512的時鐘電路嚴格同步，從而保證加密指令和擴頻碼的同步。同步電路通常由74HC74觸發(fā)模塊實現(xiàn)。
    　由于，EPM7128SLC84-5輸入、輸出引腳的時延為5ns，所以，實際應用時，同步電路可以去除。而為了減少時延，可以將全局時鐘引腳，作為6.4512M時鐘輸入端。 

5總結(jié)

    　在無人機的綜合無線電系統(tǒng)擴頻電路設計中采用CPLD器件，并借助MAX+PLUS 軟件，減少了機載機密擴頻板的尺寸、提高了整個無線電系統(tǒng)的可靠性，為未來無人機綜合無線電系統(tǒng)的電路設計，提供了新的思路和途徑。

參考文獻:

[1]. CPLD datasheet http://m.58mhw.cn/datasheet/CPLD_1136600.html.
[2]. EPM7128S datasheet http://m.58mhw.cn/datasheet/EPM7128S_301040.html.
[3]. 74HC164 datasheet http://m.58mhw.cn/datasheet/74HC164_99185.html.
[4]. 74HC86 datasheet http://m.58mhw.cn/datasheet/74HC86_1811873.html.
[5]. 74HC157 datasheet http://m.58mhw.cn/datasheet/74HC157_99094.html.
[6]. 74HC30 datasheet http://m.58mhw.cn/datasheet/74HC30_1811652.html.
[7]. 74HC74 datasheet http://m.58mhw.cn/datasheet/74HC74_1811858.html.