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    一種高效、靈巧的多通信信號(hào)產(chǎn)生方法

    2014-03-16 09:21:46黃雅崢
    電子設(shè)計(jì)工程 2014年8期
    關(guān)鍵詞:基帶信號(hào)處理戰(zhàn)場(chǎng)

    常 琪 , 韓 煜 , 黃雅崢 , 王 飛

    (1.通信信息控制和安全技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 浙江 嘉興 314033;2.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十六研究所 浙江 嘉興 314033;3.解放軍93575部隊(duì) 河北 承德 067406)

    在現(xiàn)代通信對(duì)抗裝備試驗(yàn)中,只有在真實(shí)或者逼近真實(shí)的復(fù)雜戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境下才能如實(shí)地檢驗(yàn)出被測(cè)通信對(duì)抗裝備的實(shí)戰(zhàn)性能,從而為裝備的研制及部隊(duì)的作戰(zhàn)需求提供真實(shí)可信的技術(shù)依據(jù)。隨著新通信技術(shù)的快速發(fā)展、新的通信體制不斷涌現(xiàn),真實(shí)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中的通信信號(hào)呈現(xiàn)出信號(hào)密度增加,常規(guī)、擴(kuò)頻、跳頻和數(shù)據(jù)鏈信號(hào)并存的趨勢(shì),戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境變得愈來愈復(fù)雜。在這種情況下,用實(shí)體電臺(tái)來模擬戰(zhàn)場(chǎng)通信信號(hào),不僅會(huì)浪費(fèi)大量的人力、物力和財(cái)力,而且根本無法滿足新體制通信對(duì)抗裝備的試驗(yàn)要求。因此,對(duì)模擬真實(shí)的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境及兼容多種體制通信信號(hào)技術(shù)進(jìn)行研究具有一定的現(xiàn)實(shí)性和迫切性。

    通信信號(hào)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境模擬作為通信對(duì)抗裝備試驗(yàn)中不可或缺的組成部分,其功能取決于被測(cè)通信裝備及通信對(duì)抗裝備的試驗(yàn)要求。文中通信信號(hào)產(chǎn)生方法具有通用性,其信號(hào)樣式靈活、參數(shù)可控,能夠根據(jù)不同戰(zhàn)術(shù)背景和試驗(yàn)條件的要求,生成所需的瞬時(shí)寬頻段、多種信號(hào)樣式、大信號(hào)密度、動(dòng)態(tài)可控的戰(zhàn)場(chǎng)背景信號(hào)環(huán)境和標(biāo)準(zhǔn)可偵測(cè)、可解調(diào)通信信號(hào)。

    1 信號(hào)產(chǎn)生原理及結(jié)構(gòu)

    1.1 通用基帶數(shù)字正交調(diào)制

    信號(hào)模擬產(chǎn)生方法的優(yōu)點(diǎn)是易于產(chǎn)生多樣式、靈活可控、可重復(fù)的復(fù)雜信號(hào)環(huán)境。一般說來,信號(hào)產(chǎn)生不外乎兩種方法[1]。

    一種是各路信號(hào)單獨(dú)用硬件產(chǎn)生,然后合成一路輸出。該方法采用“虛擬儀器”的模式,通過自定義腳本,在通用計(jì)算機(jī)和信號(hào)處理板卡實(shí)現(xiàn)互操作,使用戶操作信號(hào)產(chǎn)生設(shè)備就像操作一臺(tái)自己專門設(shè)計(jì)的儀器一樣,在使用現(xiàn)場(chǎng),能夠?qū)崟r(shí)置入和動(dòng)態(tài)修改參數(shù)。這種模式貫徹“軟件就是儀器”的思想,具有極強(qiáng)的靈活性和適應(yīng)性,特別適用于現(xiàn)代愈來愈復(fù)雜的信號(hào)模擬應(yīng)用場(chǎng)合??梢允沟盟a(chǎn)生的每一個(gè)信號(hào)的信息碼、信息格式、信號(hào)調(diào)制樣式、幅度、頻率偏移等參數(shù)均可實(shí)現(xiàn)靈活變化、實(shí)時(shí)可控。但其缺點(diǎn)是受硬件資源所限,所產(chǎn)生的信號(hào)不可能非常多。

    另一種方法則是任意波形發(fā)生(AWG)方法,即直接由通用計(jì)算機(jī)軟件產(chǎn)生多路信號(hào)合成后的信號(hào)波形,利用硬件進(jìn)行循環(huán)播放恢復(fù)出模擬信號(hào)。首先,用數(shù)學(xué)公式表示各類需要產(chǎn)生信號(hào)的波形,確定有關(guān)參數(shù);然后,采用先進(jìn)的算法計(jì)算出合成波形的數(shù)字流,將其存儲(chǔ)在FLASH介質(zhì)中,在信號(hào)處理模塊的控制下,用適當(dāng)?shù)乃俾首x出,經(jīng)上變頻、D/A變換后,即可得到所需頻率、相應(yīng)帶寬的多路信號(hào)。它的主要特點(diǎn)是產(chǎn)生的信號(hào)密集、路數(shù)巨大、調(diào)制樣式多,幾乎不受硬件資源限制。信號(hào)產(chǎn)生統(tǒng)一模型可如圖1表示。

    圖1 信號(hào)產(chǎn)生統(tǒng)一模型Fig.1 Unifiedmodel of signal generation

    對(duì)于模擬調(diào)制 AM、FM,數(shù)字調(diào)制 FSK、BPSK、QPSK、DQPSK、OQPSK、π/4-DQPSK、GMSK、QAM 等,以及數(shù)據(jù)鏈LINK4A、LINK11、LINK16信號(hào)等,統(tǒng)一進(jìn)行基帶建模,正交調(diào)制,生成I/Q基帶數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)率選擇為基帶信號(hào)帶寬的4倍。

    在此信號(hào)處理平臺(tái)基礎(chǔ)上,根據(jù)各種信號(hào)的結(jié)構(gòu),編寫相應(yīng)代碼,并通過腳本文件與人機(jī)界面相結(jié)合,即可實(shí)現(xiàn)各種通信信號(hào)的模擬。選取BPSK為例分析常規(guī)信號(hào)的產(chǎn)生方法[2]。

    BPSK信號(hào)的數(shù)學(xué)表示式為[2]:

    由上式可見,BPSK信號(hào)之帶寬約為:

    而且當(dāng)P=0.5,即+1,-1碼元等概出現(xiàn)時(shí),PSK信號(hào)的功率譜密度中無離散譜。

    圖2為matlab生成的BPSK信號(hào),圖3為BPSK信號(hào)的頻譜圖。

    1.2 . 基于片上系統(tǒng)(SoC)的軟硬件框架

    利用Xilinx FPGA片內(nèi)軟核處理器MicroBlaze,構(gòu)建靈活的系統(tǒng)軟硬件框架,通過以太網(wǎng)(TCP/IP)與外部控制計(jì)算機(jī)相聯(lián),DDR2作為緩存,AD9516-1產(chǎn)生時(shí)鐘、DAC5688實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換輸出。FPGA片內(nèi)構(gòu)成框圖[3]如下。

    圖2 BPSK信號(hào)的I路數(shù)據(jù)和Q路數(shù)據(jù)Fig.2 I-channel data and Q-channel data of BPSK signal

    圖3 BPSK基帶信號(hào)的頻譜圖Fig.3 Spectrum of baseband BPSK signal

    首先,控制計(jì)算機(jī)將IQ基帶數(shù)據(jù)傳送至DDR2中,同時(shí)將這些數(shù)據(jù)寫入Flash中作存儲(chǔ);然后,啟動(dòng)序號(hào)為0至9的某一個(gè)或多個(gè)通道,通過IPIF核發(fā)送通道號(hào)、通道使能、碼速率及幅度衰減、頻率偏移等控制字,此時(shí)DDR便會(huì)將IQ基帶數(shù)據(jù)搬送至10個(gè)通道的FIFO中,供后續(xù)信號(hào)處理使用。利用FIFO中almost full和 almostempty控制讀DDR的操作,使得每個(gè)通道FIFO的數(shù)據(jù)以60MHz的時(shí)鐘進(jìn)行處理。

    2 基于System generator建模的Farrow濾波器

    利用Farrow濾波器可以實(shí)現(xiàn)任意數(shù)據(jù)率內(nèi)插功能[5-6],實(shí)現(xiàn)信號(hào)碼率平滑變化?;诙囗?xiàng)式插值的公式為:

    其中 x(m-i)為輸入樣本,y(m,μ)為輸出樣本,hi(μ)沖激響應(yīng)函數(shù)為

    將(2)式帶入(1)式,得到:

    (3)式的系統(tǒng)框圖如圖5所示。

    從圖中不難看出該系統(tǒng)基本都是由一些乘、加模塊構(gòu)成,很方便利用 Sysgen 來建模,共需要(N+1)*(I+1)個(gè)乘、加模塊,直接可以利用DSP48計(jì)算模塊來實(shí)現(xiàn);而bn(i)為固定的矩陣系數(shù),在本設(shè)計(jì)中,bn(i)選取

    圖4 FPGA內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖Fig.4 FPGA internal structure

    圖5 Farrow濾波器的系統(tǒng)框圖Fig.5 Block diagram of Farrow filter

    3 實(shí)現(xiàn)結(jié)果

    在本節(jié)中,將會(huì)介紹該信號(hào)模擬器的性能及測(cè)試結(jié)果。在此我們產(chǎn)生10路帶寬為200 kHz的QPSK信號(hào),圖6和圖7分別為控制計(jì)算機(jī)下發(fā)指令的界面及在頻譜儀上觀測(cè)到的10路QPSK信號(hào),信噪比優(yōu)于40 dBm。

    圖8為用89600S對(duì)其中一路QPSK進(jìn)行解調(diào)的結(jié)果,從圖中不難看出信號(hào)解調(diào)結(jié)果比較理想,有著很低的誤碼率,滿足性能要求。由于篇幅的限制,測(cè)試結(jié)果不能一一列舉。

    4 結(jié) 論

    圖6 控制計(jì)算機(jī)下發(fā)指令產(chǎn)生10路QPSK信號(hào)Fig.6 Control interface of the signalmonitor

    圖7 利用89600S采集到的10路QPSK信號(hào)Fig.7 10 channel QPSK signals acquired by 89600S

    圖8 QPSK解調(diào)的結(jié)果Fig.8 Demodulated result of QPSK signal

    本文提出了一種高效、靈巧、實(shí)時(shí)的多通道、多樣式的信號(hào)產(chǎn)生方法。該設(shè)計(jì)資源高效利用、樣式靈活多變、參數(shù)實(shí)時(shí)可控,然后對(duì)模擬器的FPGA內(nèi)部結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析。對(duì)于模擬現(xiàn)代復(fù)雜的戰(zhàn)場(chǎng)電磁[7]環(huán)境,具有很高的應(yīng)用價(jià)值。

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