一种基于FPGA的自适应OFDM跳频系统及方法

本发明属于通信，特别涉及一种基于fpga的自适应ofdm跳频系统及方法。

背景技术：

1、自适应ofdm跳频系统是一种利用正交频分复用(ofdm)和跳频扩频(fhss)技术相结合的无线通信系统，能够在复杂的电磁环境中提高通信的抗干扰能力和频谱利用率。

2、正交频分复用技术(ofdm)是一种将高速数据流分成多个低速子载波并在正交的窄带信道上并行传输的多载波调制技术，具有抗多径衰落、高速传输、高效调制等优点。ofdm技术已经被广泛应用于lte、wlan等无线标准中。

3、跳频扩频(fhss)技术是一种将数据在指定的宽信道内的可用窄带频率之间跳转传输的扩频技术，具有抗窄带干扰、抗截获、低辐射等优点。fhss技术已经被应用于蓝牙、zigbee等无线标准中。

4、现场可编程门阵列，即fpga，是继pal、gal、cpld之后，发展比较成熟的可编程器件发展的产物，其低延时，高连接性，并行传输的特点，使得fpga成为实现数据高速传输的最佳平台之一。

5、在常规跳频通信系统中，跳频信号在配置好的预设跳频频率之间进行跳变，一旦跳频子信道受到干扰或频率选择性衰落，将对系统性能造成极大程度上的影响。并且当多个跳频子信道受到大范围干扰时，若通信系统依旧采用高阶调制解调方式，数据传输的可靠性将无法得到保证。特别是对于ofdm系统这种子载波数量多，占用带宽相对较大的通信方式，遇到上述干扰情况，其对系统传输性能影响将会更大。

技术实现思路

1、鉴于以上问题，本发明在对ofdm技术的抗干扰传输进行了研究和探索的基础上，提出了一种基于fpga的自适应ofdm跳频系统及方法，将ofdm技术同跳频技术相结合，并加入自适应优化方法，以满足现有ofdm系统遇到不同程度干扰情况下的传输可靠性。

2、为了解决现有技术存在的技术问题，本发明的技术方案如下：

3、一种基于fpga的自适应ofdm跳频系统，所述的所述自适应跳频系统包括发射机部分和接收机部分：

4、所述发射机部分包含有信源模块、ofdm调制模块、dac、上变频模块、发射机自适应控制模块；

5、信源数据经过ofdm调制模块，发给dac模块进行数模转换，再发给上变频模块将收到的模拟信号加载到指定的载波频率上，并通过天线发射到信道中；其中ofdm调制模块和上变频模块又受发射机自适应控制模块的控制，该模块使该通信系统组成跳频系统，并结合反馈信道中实时信道信噪比数据，控制当前符号调制解调方式和载波频率。

6、所述发射机部分包含有下变频模块、adc、ofdm解调模块、接收机自适应控制模块；

7、下变频模块将天线收到的信号去除载波频率，得到模拟信号，发给adc模块和信道检测模块，adc进行数模转换后的数字信号发送给ofdm解调模块，最后还原出原始信源数据。

8、其中ofdm解调模块和下变频模块又受接收机自适应控制模块的控制，该模块使该通信系统组成跳频系统，并结合信道检测模块中的实时信道信噪比数据，控制当前符号调制解调方式和载波频率。

9、针对上述接收机自适应控制模块和发射机子使用控制模块，这两个模块能根据当前信道状态，对跳频系统的载波频点及符号调制方式做出自适应选择，当遇到窄带信道干扰时，且干扰信道范围小于等于4时，自适应控制模块会在跳频图谱中自动跳过当前频点，避开受干扰的信道。当遇到信道干扰范围较大，干扰信道已达4个时，自适应控制模块会降低调制方式阶数，提升通信可靠性。相反的，若当前信道质量良好，则自适应控制模块会尝试提升调制方式阶数来增大传输速率。

10、优选的，所述ofdm调制模块中有扰码、卷积编码、交织、符号调制、导频插入、ifft、循环前缀与加窗等模块；

11、优选地，所述ofdm解调模块中有信道估计、同步、去循环前缀、fft、符号解调、解交织、viterbi解码、解扰等模块；

12、优选地，所述符号调制模块中有bpsk、qpsk、16qam、64qam四种符号调制方式。

13、优选地，所述符号解调模块中有bpsk、qpsk、16qam、64qam四种符号解调方式。

14、优选地，所述fpga与dac、adc、上变频模块、下变频模块采用fmc连接通信。

15、优选地，所述发射机自适应控制模块和接收机自适应控制模块又包含控制模块、跳频图案生成器模块、符号调制配置模块、跳频载波中心频点配置模块。

16、优选地，所述fpga与dac、adc、上变频模块、下变频模块采用fmc连接通信。

17、优选地，所述跳频载波中心频点配置模块对上变频模块和下变频模块采用spi协议配置。

18、优选地，所述跳频所述跳频载波中心频点配置模块内置8个预设载波中心频点配置信息。

19、本发明还公开了一种基于fpga的自适应ofdm跳频方法，至少包括以下步骤：

20、步骤s1：信源模块将初始用户侧数据信息发送给ofdm调制模块；

21、步骤s2：ofdm调制模块按照初始符号调制模式进行调制，调制后的初始ofdm基带信号发给dac；

22、步骤s3：dac将收到的初始ofdm基带信号转化成模拟信号并送给上变频模块；

23、步骤s4：发射机侧跳频图案生成器根据初始跳频图案选择初始跳频载波信息，并将该跳频载波信息发送给跳频载波中心频点配置模块，跳频载波中心频点配置模块据收到的跳频载波信息，将对应的跳频载波中心频点配置信息传送给上变频模块，将上变频模块的载波频率设定为初始频率；

24、步骤s5：上变频模块将来自dac的模拟信息采用初始频率发射出去；

25、步骤s6：接收机侧跳频图案生成器根据初始跳频图案同样选择初始跳频载波信息，同发射侧流程相同，最终在接收机侧跳频载波中心频点配置模块生成对应的跳频载波中心频点配置信息，传送给下变频模块，将下变频模块的载波频率设定为初始频率；

26、步骤s7：接收机下变频模块根据初始频率接收并去除载波，将得到的模拟信号发送给adc；

27、步骤s8：adc将收到的模拟信号进行转换为数字信号，将收到的数字信号发给ofdm解调模块和信道检测模块；

28、步骤s9：信道检测模块计算出当前信道的实时信道信噪比数据，并发给接收机自适应控制模块中的控制模块；

29、步骤s10：ofdm解调模块按照初始符号调制模式进行解调并还原出信源侧数据；

30、步骤s11：接收机自适应控制模块中的控制模块根据接收信号，将接收侧时序与发射端同步，并结合实时信道信噪比数据，根据预设阈值判定是否需要在跳频图案中跳过该载波频率，输出跳频图案控制信令给跳频图案生成器模块，若已跳过预设数量载波频率，则输出符号调制升降阶信令给符号调制配置模块；

31、步骤s12：跳频图案生成器模块根据收到的跳频图案控制信令，输出下一次接收的跳频载波信息，若信令要求跳过哪些载波频率，当跳频图案切换至该频率时，则自动跳过，切换至后续载波频率并输出跳频载波信息；跳频载波中心频点配置模块根据收到的跳频载波信息，根据预设载波频点配置，发送跳频载波中心频点配置信息至下变频模块，完成载波频率设定；

32、步骤s13：符号调制配置模块根据收到的符号调制升降阶信令，选择适合下一次接收时的符号调制模式，并发送符号调制配置信令给ofdm解调模块中的符号解调模块，完成下一次接收时的符号解调模式配置；

33、步骤s14：发射机自适应控制模块通过反馈信道收到实时信道信噪比数据后，执行步骤s11、s12、s13类似操作，完成下一次发射时，上变频模块的载波频率设定，和下一次发射时符号调制模式的设定；

34、步骤s15：进行后续数据发射，循环执行s1～s14流程。

35、作为进一步的改进方案，步骤s11中，接收机自适应控制模块能根据当前信道状态，对跳频系统的载波频点及符号调制方式做出自适应选择，当遇到窄带信道干扰时，且干扰信道范围小于等于4时，自适应控制模块会在跳频图谱中自动跳过当前频点，避开受干扰的信道；当遇到信道干扰范围较大，干扰信道已达4个时，自适应控制模块会降低调制方式阶数，提升通信可靠性；相反的，若当前信道质量良好，则自适应控制模块会尝试提升调制方式阶数来增大传输速率。

36、作为进一步的改进方案，接收机自适应控制模块和发射机自适应控制模块的具体控制方式包括以下步骤：

37、步骤d1：控制模块根据收到的信道信噪比数据，判断当前信道质量好坏，如信道质量好则进行步骤d2，信道质量差则进行步骤d3；

38、步骤d2：控制模块判断当前调制方式是否为64qam，若是，则下一阶段载波频率不变，调制方式不变；若不是，则下一阶段载波频率不变，调制方式升阶；

39、步骤d3：判断当前已跳过频点数是否达到3个，若是进行步骤d4，若不是，进行步骤d5；

40、步骤d4：判断当前调制方式是否为bpsk，若是，则下一阶段载波频率不变，调制方式降阶；若不是，则下一阶段载波频率不变，调制方式不变；

41、步骤d5：下一阶段时，如跳频图谱遇到当前载波频率，则跳过，调制方式保持不变；

42、步骤d6：控制模块根据d1-d5所选下一阶段载波频率和调制方式情况，输出对应控制信令。

43、与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

44、本发明的接收机部分能够对信道的质量进行实时检测，对小范围信道干扰，可自适应更换跳频载波频率来避开干扰信道，增加传输稳定性；对大范围信道干扰，可自适应改变ofdm中符号调制解调方式来增大传输可靠性。通过两种方式相结合，可有效解决信道干扰情况下传输信息的能力下降的问题，从而提高跳频系统的抗干扰能力。