基于HSP50216和VC5410的短波分析接收機(jī)的設(shè)計(jì)

[摘要]基于當(dāng)前流行的軟件無線電系統(tǒng)方案，文章設(shè)計(jì)了一種采用可編程數(shù)字下變頻器(HSP50216)和通用數(shù)字信號處理器(TMS320VC5410)相結(jié)合的短波分析接收機(jī)，介紹了該機(jī)的工作原理、硬件組成結(jié)構(gòu)，分析了各功能單元的實(shí)現(xiàn)方案和軟件處理流程。

[關(guān)鍵詞]短波分析接收機(jī)干擾站DDCDSP軟件無線電

1引言

短波是指信號頻率在2MHz～30MHz的無線電波。短波通信由于具有通信距離遠(yuǎn)、信道不易被摧毀(采用地球電離層的反射)、反偵察能力強(qiáng)、通信時(shí)隱蔽性好等特點(diǎn)，所以在軍事通信領(lǐng)域被廣泛采用。

有資料反映，美軍在科索沃戰(zhàn)爭、阿富汗戰(zhàn)爭和伊拉克戰(zhàn)爭中軍事信息的傳遞90％是通過短波定頻通信方式。因此我軍要打贏未來高科技局部戰(zhàn)爭，要想有效地取得戰(zhàn)場的制信息權(quán)，就必須有能力干擾和抑制敵方的通信能力，特別是敵方短波通信能力。

隨著通信技術(shù)和電子技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代短波通信技術(shù)與傳統(tǒng)的相比有了長足的發(fā)展，按調(diào)制波形分有數(shù)字調(diào)制和模擬調(diào)制；按調(diào)制方式分有調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相、獨(dú)立邊帶、單邊帶等；按利用頻率資源分有定頻通信和跳頻通信，跳頻通信中又有不同的跳頻點(diǎn)和跳頻圖案算法。這使得本來就復(fù)雜的短波信號變得更加復(fù)雜，給快速實(shí)時(shí)地截獲、分析、干擾敵方短波信號帶來了更大的困難。

短波通信電子戰(zhàn)就是要對敵方各種戰(zhàn)術(shù)短波通信信號進(jìn)行偵察、測向和干擾。對敵方短波信號進(jìn)行有效干擾是短波通信電子戰(zhàn)的主要任務(wù)，是高科技條件下軍事戰(zhàn)爭中奪取制信息權(quán)的重要內(nèi)容。大量實(shí)踐證明，制約短波干擾的關(guān)鍵問題不是干擾信號功率的大小，而是如何能快速準(zhǔn)確地判斷出敵方信號。

根據(jù)現(xiàn)代電子戰(zhàn)的要求，我們研制了基于軟件無線電架構(gòu)的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化的實(shí)時(shí)短波信號干擾系統(tǒng)(簡稱干擾站)。它能夠快速實(shí)時(shí)地全景式搜索敵方的短波通信信號，并對可疑信號進(jìn)行分析，確認(rèn)為敵方信號后，經(jīng)過測距和測向，然后對之實(shí)施干擾。

2短波干擾站的工作機(jī)理

短波干擾站具有寬帶、大動態(tài)、高分辨率、高速、低信噪比的信號處理能力。它由中央主控臺、短波搜索接收機(jī)、短波分析接收機(jī)、短波測向接收機(jī)、短波干擾機(jī)組成，這些分機(jī)在中央主控臺的控制下構(gòu)成了局域網(wǎng)絡(luò)。圖1所示為短波干擾站的系統(tǒng)框圖：

其工作機(jī)理是：短波搜索接收機(jī)對指定頻率范圍的敵方短波信號進(jìn)行全景監(jiān)視，快速實(shí)時(shí)地捕獲可疑目標(biāo)信號并根據(jù)優(yōu)先級算法上報(bào)給中央主控臺；中央主控臺把關(guān)鍵目標(biāo)信號的頻率點(diǎn)發(fā)給短波分析接收機(jī)，通過細(xì)致分析后確定多個(gè)敵方目標(biāo)信號，下達(dá)作戰(zhàn)命令給短波測向機(jī)和干擾機(jī)；短波測向機(jī)根據(jù)分析提供的敵方目標(biāo)信號的主要參數(shù)對敵方信號進(jìn)行測距和測向，由干擾機(jī)實(shí)施信號干擾。

在工業(yè)控制計(jì)算機(jī)內(nèi)部插入不同的信道模塊和數(shù)字信號處理模塊，就構(gòu)成了短波干擾站不同功能的各分機(jī)，各分機(jī)均通過以太網(wǎng)口互連。在正常工作情況下，各分機(jī)均由中央主控臺控制；在軍事戰(zhàn)爭等特殊情況下，各分機(jī)可以在人工方式下分別進(jìn)行控制和操作；另外在緊急情況下，中央主控臺可以直接操作短波干擾機(jī)對敵方信號進(jìn)行干擾。

3短波分析接收機(jī)的工作原理

短波分析接收機(jī)是短波干擾站的一個(gè)分系統(tǒng)，它由一臺工控機(jī)、電源模塊、二道崗主板、模擬濾波模塊、頻率合成模塊、窄帶信道模塊、寬帶信道模塊、數(shù)字信號處理模塊構(gòu)成。其分系統(tǒng)框圖如圖2所示：

如圖2所示，短波分析接收機(jī)由電源模塊提供直流+24V或交流工頻220V、50Hz輸入，由天線部分接收無線短波信號，經(jīng)模擬濾波模塊限帶濾波后送入窄帶信道模塊或?qū)拵诺滥K，變換到二中頻14MHz，然后把14MHz的模擬信號送入數(shù)字信號處理模塊。由數(shù)字信號處理模塊上的AID轉(zhuǎn)換器把該模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，分別進(jìn)行快速傅立葉變換(FFT)和解調(diào)處理，最后把FFT變換的結(jié)果通過PCI橋傳送給上位的工控機(jī)，由工控機(jī)進(jìn)行分析處理。整個(gè)短波信號的處理系統(tǒng)由頻率合成模塊提供標(biāo)頻。

短波分析接收機(jī)提供了窄帶、寬帶兩種信道，窄帶信道模塊具有10kHz帶寬，可以進(jìn)行約10Hz分辨率的分析；上位工控機(jī)通過對FFT結(jié)果的分析，可以獲得該短波信號的主要參數(shù)如通信體制、工作方式、工作頻率、調(diào)制方式、相對電平等，然后把這些特征上報(bào)中央主控臺。寬帶信道模塊具有500kHz帶寬，頻率分辨率低，大約為600Hz，主要用來監(jiān)視短波頻段，僅僅是一種輔助功能。

模擬濾波模塊采用聲表面波濾波器，該模塊的濾波器均由數(shù)字信號處理模塊上的主控DSP的外部數(shù)據(jù)總線經(jīng)74HC2455E動控制，其濾波器的選通方式如表1所示。

短波分析接收機(jī)要求頻率合成模塊輸出頻率鎖定時(shí)間小于1ms，由于傳統(tǒng)的DDS+PLL方式輸出頻率鎖定時(shí)間一般都在5ms以上，不能滿足要求，所以采用DDS直接輸出所需要的頻率。考慮到最高時(shí)鐘頻率、頻率碼位數(shù)、諧波失真和無偽動態(tài)范圍這幾項(xiàng)性能指標(biāo)，DDS芯片采用AD公司的直接頻率合成器AD9852。

DDS的時(shí)鐘信號為200MHz，該時(shí)鐘采用PLL方案產(chǎn)生。AD9852輸出的頻率經(jīng)過四波段濾波器，使其輸出雜散降低，再經(jīng)過放大送到寬／窄帶信道模塊作為一本振信號，一本振信號的輸出范圍是43 4MHz～714MHz。

4數(shù)字信號處理模塊硬件實(shí)現(xiàn)

數(shù)字信號處理模塊是短波分析接收機(jī)的核心模塊，所有的戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)和功能要求都和它有關(guān)，其硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示：

本系統(tǒng)數(shù)字信號處理模塊的硬件實(shí)現(xiàn)方法和主要元器件選型如下：

(1)模／數(shù)轉(zhuǎn)換器(A/D)。輸入數(shù)字信號處理模塊的信號是限帶的14MHz中頻調(diào)制信號，經(jīng)過AD變換后，由16245進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，送入數(shù)字下變頻器?？紤]到數(shù)字信號處理的精度和速度要求，采用美國AD公司的AD9240作為AD轉(zhuǎn)換器。它是+5V單一電源供電的低功耗芯片，最大采樣率是10MSPS，轉(zhuǎn)換位是14位，動態(tài)范圍為90dB，無失真的信噪比(SNR)／>77dB。

(2)數(shù)字下變頻器(DDC)。如果直接把1.4MHz中頻調(diào)制信號送入數(shù)字信號處理器DSP，則DSP的運(yùn)算負(fù)擔(dān)將過大，無法滿足信號實(shí)時(shí)性的要求，因此采用硬件DDC的方法把1.4MHz中頻信號下變頻搬移到基帶信號并濾波。考慮到FFT通道和解調(diào)通道的濾波要求不一致，本系統(tǒng)采用了兩片數(shù)字下變頻器，分別進(jìn)行FFT通道和解調(diào)通道的下變頻。

現(xiàn)選擇美國Intersil公司的HSP50216四路可編程數(shù)字下變頻器(QPDC)，它是為高動態(tài)范圍的應(yīng)用而設(shè)計(jì)的，具有4個(gè)通道，其中每個(gè)通道包括：數(shù)字混頻器、正交載波NCO、數(shù)字濾波器、重采樣濾波器、一個(gè)笛卡爾一極性坐標(biāo)轉(zhuǎn)換器和一個(gè)自動增益控制(AGC)回路。HSP50216可以接收4路16位數(shù)字信號。每個(gè)通道載

波NCO頻率可以由微處理器分別設(shè)置?；祛l器的輸出經(jīng)過CIC和FIR濾波器的濾波，這些濾波器具有各不相同的抽取系數(shù)。數(shù)字AGC控制的增益調(diào)整范圍可以達(dá)到96dB，并且信號閾值和斜率是可編程的。笛卡爾一極性坐標(biāo)轉(zhuǎn)換器可以提供幅值和相位輸出。通過FIR濾波器，頻率鑒別器可以提供頻率值的輸出。HSP50216的輸出選項(xiàng)有：I采樣值、Q采樣值、幅度、相位、頻率值和AGC的增益。其輸出分辨率也是可選的，從4位定點(diǎn)數(shù)到32位浮點(diǎn)數(shù)，便于系統(tǒng)擴(kuò)展。

在HSP50216中對1.4MHz中頻信號進(jìn)行抗混濾波、抗鏡頻濾波、梳狀積分濾波(CIC)、抽取濾波、FIR濾波、坐標(biāo)變換，最后把信號頻率搬移到零頻。

(3)數(shù)字信號處理器(DSP)。本系統(tǒng)選擇美國TI公司的DSP TMS320VC5410，其性價(jià)比高，單片就能夠滿足實(shí)時(shí)4096點(diǎn)FFT在短波信號處理中的速度和精度。它采用雙電源供電，內(nèi)核電壓是+2.5V，外圍I／O電壓是+3.3V，并具有節(jié)電模式，大大降低了功耗。VC5410是高性能的定點(diǎn)DSP，最高速度可達(dá)100MIPS；如采用增強(qiáng)型VC5410A，則最高速度可達(dá)160MIPS。VC5410和VC5410A的管腳互相兼容，可以直接替換，便于系統(tǒng)升級。VC5410具有大容量的片上RAM和ROM 8K字的DARAM和56K字的SARAM，16K字的ROM，降低了系統(tǒng)成本，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。VC5410還擁有豐富的外設(shè)，它有3個(gè)多通道緩；中串行口、DMA控制器、主機(jī)接口(HPI)、16位預(yù)定標(biāo)定時(shí)器、軟件可編程的PLL電路，從而可以方便地和PCI接口電路、數(shù)字下變頻器HSP50216、AID轉(zhuǎn)換器(AD9240)、D／A轉(zhuǎn)換器(AD73311)連接。特別是VC5410的多通道緩沖串行口(MCBSP)的接口能力很強(qiáng)，每幀傳輸可多達(dá)128字，也即具有128個(gè)通道，每字具有6種位格式，即8位、12位、16位、20位、24位、32位，可以和HSP50216的串行口無縫連接。

(4)PCI橋接器。本系統(tǒng)選擇美國TI公司的PCI2040，它是專用的PCI-DSP橋接控制器。該芯片的性價(jià)比高，單片就能驅(qū)動4片DSP。它完全滿足PCI總線的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，并能提供C54x和C6x系列DSP的HPI口無縫連接。外部PCI總線通過HPI口可以訪問DSP所有的片上空間。PCI2040采用先進(jìn)的亞微米靜態(tài)CMOS技術(shù)，兼容+3 3V和+5V信號電壓，具有低功耗性能，其PCI總線頻率可達(dá)33MHzv。

(5)可編程邏輯器件(CPLD)。本系統(tǒng)選擇美國ALTERA公司的MAX7000系列CPLD芯片——EPM7256AE，它采用單電源+3.3V供電，兼容+3.3V和+5V信號電壓，可對每個(gè)引腳進(jìn)行擺率控制，滿足特殊的信號波形要求。EPM7256AE具有掉電自保持功能，可以多次重復(fù)燒寫。如圖3所示，本系統(tǒng)只采用了1片EPM7256AE，為整個(gè)數(shù)字信號處理模塊提供邏輯譯碼和時(shí)序，圖中是為了繪圖方便而把它分成了兩部分。

(6)電源模塊。本系統(tǒng)采用電能轉(zhuǎn)換效率高的DC-DC變換器PT6921A，它能夠把+5V電壓高效地變換為+2.5V和+3.3V，為數(shù)字信號處理模塊提供雙電源。

5數(shù)字信號分析軟件設(shè)計(jì)

短波信號實(shí)時(shí)分析模塊軟件可分為中頻處理軟件和基帶處理軟件。由于本系統(tǒng)的數(shù)字中頻輸入為1.4MHz，而DSP選擇100MIPS的VC5410，因此僅用VC5410來完成中頻處理和基帶處理是不現(xiàn)實(shí)的。本系統(tǒng)采用專用的數(shù)字下變頻器HSP50216完成中頻處理，在HSP50216中實(shí)現(xiàn)了校準(zhǔn)濾波器、數(shù)字抽取濾波器、數(shù)字插值濾波器、邊帶濾波器、自適應(yīng)陷波器，通過DSP的控制來選擇不同的濾波器。濾波后即可得到滿足系統(tǒng)處理要求的基帶信號。

基帶處理軟件又可分為信號層處理軟件和數(shù)據(jù)流處理軟件。信號層處理軟件是對原始的基帶信號進(jìn)行處理，在FFT—DSP通道中，實(shí)現(xiàn)對基帶信號的FFT變換、校準(zhǔn)、自檢、AGC等處理，其軟件流程框圖如圖4所示。在解調(diào)－DSP通道中，實(shí)現(xiàn)對基帶信號的各種數(shù)字解調(diào)算法，如AM、FM、PM、CW、USB、LSB等處理。由于硬件性能的不一致性(即同一款硬件在同樣的工作條件下其性能有略微的差異)以及濾波器通帶內(nèi)相對電平的不一致性(即模擬濾波器或數(shù)字濾波器在設(shè)計(jì)時(shí)通帶內(nèi)增益有略微的差異)，為了保證DSP在FFT變換后，在整個(gè)通帶內(nèi)相對電平幅度一致，應(yīng)該對整個(gè)濾波器通帶增益進(jìn)行校準(zhǔn)。在實(shí)際樣機(jī)中，經(jīng)過校準(zhǔn)后整個(gè)濾波器通帶增益的誤差為0.1dB，滿足總參提出的技術(shù)指標(biāo)要求(通帶波動≤0.5dB)。

基帶信號FFT變換有窄帶和寬帶兩種模式，對窄帶信號進(jìn)行5種分辨率的FFT變換，4096點(diǎn)、2048點(diǎn)、1024點(diǎn)、512點(diǎn)、256點(diǎn)，通過上位工控機(jī)的四抽一平均，使得對窄帶信號具有最小10Hz的分辨率，滿足對短波信號實(shí)時(shí)分析的要求。在短波分析接收機(jī)中對寬帶信號僅采用1024點(diǎn)的FFT變換，即對寬帶信號具有大約600Hz的分辨率，滿足對短波信號實(shí)時(shí)掃描監(jiān)視的要求。

在寬帶和窄帶工作模式下，短波分析接收機(jī)都應(yīng)具有自檢功能，對本機(jī)的模擬濾波模塊、窄帶信道模塊、寬帶信道模塊、頻率合成模塊、電源模塊以及數(shù)字信號處理模塊自身進(jìn)行檢測并給出故障提示。自檢又分為開機(jī)自檢、中央主控臺命令自檢以及工作中自檢。

數(shù)據(jù)流處理軟件主要是通過PCI2040橋接器和上位工控機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交互，根據(jù)雙方約定的控制命令數(shù)據(jù)交互表，由上位工控機(jī)向數(shù)字信號處理模塊發(fā)送DSP工作方式字、校準(zhǔn)時(shí)的頻率編號字、增益控制方式字、FFT點(diǎn)數(shù)、信道模式字、天線衰減量、準(zhǔn)聯(lián)調(diào)檢測位以及面板檢測頻率字；而數(shù)字信號處理模塊在一次FFT變換結(jié)束后向上位工控機(jī)發(fā)送規(guī)定點(diǎn)數(shù)的FFT結(jié)果，上位機(jī)根據(jù)此結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)的分析處理并上報(bào)中央主控臺。

6結(jié)束語

短波信號的實(shí)時(shí)分析技術(shù)是短波信號干擾站的關(guān)鍵技術(shù)之一，本文基于當(dāng)前流行的軟件無線電系統(tǒng)方案，成功研制出采用可編程專用集成芯片和通用數(shù)字信號處理器相結(jié)合的短波分析接收機(jī)，它是目前實(shí)現(xiàn)短波中頻軟件無線電技術(shù)的有效方案。外場試驗(yàn)表明，該機(jī)符合總參提出的各種技戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)，可以靈活且綜合地實(shí)現(xiàn)多種無線電接收機(jī)的功能，充分體現(xiàn)了軟件無線電所具備的各種優(yōu)越性。

在使用了本文所研制的短波分析接收機(jī)后，短波干擾站工作性能大為改善，它能夠從大量的、雜亂無章的短波信號中實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地捕獲敵方通信信號，并獲取敵方信號的多種基本特征，如通信體制、工作方式、工作頻率、調(diào)制方式、相對電平等，從而在復(fù)雜的情況下迅速判斷出敵我，并對敵方信號實(shí)施有效的干擾。

目前國內(nèi)基于軟件無線電思想的短波中頻數(shù)字接收系統(tǒng)正處于發(fā)展初期。在理論研究和樣機(jī)制作上，很多高校和科研院所都做了大量的工作并取得了一定的成績；但是在實(shí)際的產(chǎn)品研制中還有很多工作要做，特別是在研制出的產(chǎn)品和其他通信設(shè)備的互連互通、產(chǎn)品的成本和性價(jià)比、產(chǎn)品功耗和嵌入式等方面。

作者簡介

汪志水：工程師，現(xiàn)任職于同方電子科技有限公司裝備技術(shù)保障基地，主要從事通信裝備、指控裝備的技術(shù)研究和技術(shù)保障工作。