基于相位編碼體制的電離層垂測(cè)儀系統(tǒng)設(shè)計(jì)

沈紹祥 ， 王 順 ， 方廣有

（1.中國(guó)科學(xué)院電子學(xué)研究所 電磁輻射與探測(cè)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100190；2.中國(guó)科學(xué)院研究生院 北京 100049）

電離層主要分布在距離地面60～1 000 km的高度空間內(nèi)[1]。電離層垂測(cè)儀從地面垂直向上發(fā)射掃頻高頻脈沖波，測(cè)量從電離層反射回波到達(dá)接收機(jī)的延時(shí)，獲得不同頻率電波被電離層反射的高度隨頻率的變化圖，即頻高圖。通過(guò)對(duì)頻高圖的分析計(jì)算，得到電離層的特征參數(shù)，如電離層的折射系數(shù)n。目前國(guó)內(nèi)所部署的電離層觀測(cè)站大多數(shù)均采用國(guó)外電離層觀測(cè)設(shè)備，如美國(guó)的Dynasonde，加拿大的CADI，俄羅斯的BIZON等[2]。其價(jià)格高，設(shè)備體積大，維護(hù)安裝費(fèi)用高，這對(duì)新建電離層觀測(cè)站提出了較高的要求。

該文介紹了一種相位編碼體制的電離層垂測(cè)儀系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。它利用FPGA內(nèi)部的DDS模塊構(gòu)建信號(hào)產(chǎn)生單元，形成起始頻率為1 MHz，終止頻率為15 MHz，頻率步進(jìn)間隔為100 kHz的信號(hào)。該信號(hào)經(jīng)barker碼進(jìn)行相位編碼調(diào)制后，通過(guò)DAC與功率放大器輸出到發(fā)射天線，并由其對(duì)空輻射出去。接收機(jī)前端采用射頻隔離開(kāi)關(guān)和直接ADC實(shí)時(shí)采樣技術(shù)，有效避免了硬件IQ解調(diào)時(shí)兩通道的相位不一致性問(wèn)題。該設(shè)計(jì)方法可以靈活配置發(fā)射信號(hào)形式，做到實(shí)時(shí)在線修改。經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)試，表明本方案切實(shí)可行，為設(shè)備的小型化，便利化提供基礎(chǔ)。

1 系統(tǒng)概述

電離層垂測(cè)儀系統(tǒng)框圖如圖1所示，主要由天線、功放、主控板，接收機(jī)前端調(diào)理電路、接口電路和PC組成，其中主控板的晶振產(chǎn)生同源時(shí)鐘提供給DAC、FPGA和ADC使用.

圖1 電離層垂測(cè)儀系統(tǒng)功能框圖Fig.1 Diagram of sounding of ionosphere

1.1 工作流程

PC機(jī)通過(guò)USB接口發(fā)送參數(shù)到主控板。主控板上的FPGA接收參數(shù)并按照設(shè)計(jì)的邏輯時(shí)序進(jìn)行工作，啟動(dòng)內(nèi)部DDS產(chǎn)生起始頻率和終止頻率分別為1 MHz和15 MHz、步進(jìn)頻率間隔為100 kHz的數(shù)字正弦信號(hào)，該信號(hào)通過(guò)巴克碼（0，π）調(diào)相，經(jīng) DAC和LPF濾波后，送入功率放大器得到發(fā)射信號(hào).該發(fā)射信號(hào)饋入天線并輻射出去。

接收機(jī)通路中，調(diào)理電路的射頻開(kāi)關(guān)用來(lái)去除強(qiáng)反射的直達(dá)波并保護(hù)接收機(jī)電路。接收信號(hào)經(jīng)可控放大后，由ADC直接采樣并存儲(chǔ)于SRAM中。當(dāng)所有頻點(diǎn)發(fā)射完成后，存儲(chǔ)在SRAM中的全部數(shù)據(jù)通過(guò)USB上傳到PC機(jī)后進(jìn)行處理分析。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 發(fā)射信號(hào)分析

一般相位編碼信號(hào)的復(fù)數(shù)表達(dá)式可寫(xiě)為：

其中，u（t）=a（t）exp（jφ（t））為信號(hào)的復(fù)包絡(luò)函數(shù)，φ（t）是相位調(diào)制函數(shù)。

當(dāng)M等于2時(shí)，s（t）即為二相編碼信號(hào)。此時(shí)，二進(jìn)相位序列 φ（t）只有0或 π 兩個(gè)取值，也可用二進(jìn)序列{ck=exp（jφ（t））=1，-1}表示[3]。

設(shè)二相編碼信號(hào)的包絡(luò)為矩形，P為碼長(zhǎng)，T為子脈沖寬度，v（t）為子脈沖函數(shù)，則包絡(luò)函數(shù) a（t）可表示為：二相編碼信號(hào)的復(fù)包絡(luò)可寫(xiě)成：

二相編碼信號(hào)復(fù)包絡(luò)的頻譜為：

從上面分析可知，提高二相碼的碼長(zhǎng)P可以得到更高的脈壓比，獲得好的探測(cè)效果。電離層垂測(cè)儀需要探測(cè)深空距離，故對(duì)發(fā)射信號(hào)能量有一定的要求。采用功放是提高發(fā)射信號(hào)能量的最直接方式，此外還可以考慮碼元的寬度和碼長(zhǎng)長(zhǎng)度，碼長(zhǎng)越長(zhǎng)其信號(hào)能量也會(huì)越高。綜合以上兩種方法，本設(shè)計(jì)為簡(jiǎn)化信號(hào)產(chǎn)生單元，采用了13位碼長(zhǎng)的巴克碼序列。設(shè)計(jì)采用碼元寬度為40 μs，碼長(zhǎng)為 520 μs。從而使得CADI功放在發(fā)射信號(hào)時(shí)，可以近似滿功率輸出。

2.2 硬件電路設(shè)計(jì)

電離層垂測(cè)儀主要由主控板、功放、接收機(jī)調(diào)理電路組成。本系統(tǒng)的功放選用加拿大CADI系統(tǒng)的功率放大器。

2.2.1 發(fā)射信號(hào)通路

考慮到發(fā)射信號(hào)產(chǎn)生可以采用DDS形成，也可以利用數(shù)值計(jì)算的方法預(yù)先獲得波形數(shù)據(jù)。后者是將存儲(chǔ)在FLASH中的波形數(shù)據(jù)直接通過(guò)DAC刷出，并經(jīng)過(guò)低通濾波產(chǎn)生。系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，兼顧了該方法的使用要求。主控板上放置了一片在線電可擦除的FLASH芯片AT49BV160D，容量1M×16 bit。一般而言，若所需發(fā)射信號(hào)的碼字過(guò)長(zhǎng)，且頻點(diǎn)很多，則無(wú)法將全部頻點(diǎn)的波形數(shù)據(jù)都存放在一片flash中，此時(shí)要采取別的措施來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。

該系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，發(fā)射信號(hào)采用了FPGA內(nèi)部DDS形成方式。設(shè)DDS工作時(shí)鐘為fclk，相位累加器位寬為B（θ），則頻率分辨率為[4]：

若輸出頻率為fout，則相位累加值為：

設(shè)計(jì)時(shí)需首先設(shè)定系統(tǒng)的頻率分辨率，再由式（6）可計(jì)算相位累加器位寬B（θ），從而由式（7）可計(jì)算出每個(gè)頻率所對(duì)應(yīng)的相位累加字Δθ，因此控制輸入Δθ就能獲得不同的頻率點(diǎn)輸出。DDS僅產(chǎn)生了所需的1～15 MHz、以100 kHz頻率步進(jìn)的正弦信號(hào)數(shù)字波形。在構(gòu)成發(fā)射信號(hào)之前，需要對(duì)DDS產(chǎn)生的正弦信號(hào)按照巴克碼進(jìn)行調(diào)制后輸出。0相位的碼元調(diào)相時(shí)保持DDS信號(hào)原值輸出，而π相位調(diào)相時(shí)DDS信號(hào)輸出值取反。該方法稱為直接變換法。另外一種控制方式是通過(guò)控制DDS輸出信號(hào)的相位偏移量，按0相位和π相位進(jìn)行設(shè)置。但通過(guò)仿真發(fā)現(xiàn)，從0相位到π相位調(diào)相時(shí)，會(huì)有2個(gè)時(shí)鐘周期延遲，導(dǎo)致0相位到π相位變化時(shí)，信號(hào)調(diào)相相位不連續(xù)，且經(jīng)過(guò)實(shí)際實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，后者的脈壓結(jié)果有問(wèn)題。

DDS信號(hào)經(jīng)巴克碼調(diào)相，送入DAC輸出相應(yīng)模擬波形，再經(jīng)過(guò)LPF濾波、功放，最終從天線輻射出去。DAC芯片選用了AD公司的14 bit AD9744，其工作時(shí)鐘與DDS時(shí)鐘同頻同源。

2.2.2 接收機(jī)調(diào)理電路

接收機(jī)調(diào)理電路實(shí)現(xiàn)對(duì)直達(dá)波信號(hào)及強(qiáng)耦合信號(hào)的隔離，保護(hù)接收機(jī)電路。當(dāng)發(fā)射天線輻射大功率信號(hào)時(shí)，該大功率發(fā)射信號(hào)通過(guò)發(fā)射天線直接近距離反射并耦合到接收天線，形成過(guò)高幅度的回波信號(hào)，對(duì)接收機(jī)鏈路形成巨大沖擊，因此需要避開(kāi)。在強(qiáng)直達(dá)波去除后，回波信號(hào)需進(jìn)行放大和濾波調(diào)理，最后送入ADC進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣。其基本框圖結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2所示。

圖2 調(diào)理電路框圖Fig.2 Diagram of signal conditioning circuit

該調(diào)理電路中，射頻開(kāi)關(guān)選用mini-circuit公司的ZYSWA-2-50R，具備DC-5 GHz的帶寬，插入損耗1 dB，6 ns響應(yīng)速度[5]，開(kāi)關(guān)的開(kāi)合狀態(tài)控制以TTL電平驅(qū)動(dòng)。本系統(tǒng)的模擬信號(hào)頻段為低于30 MHz，故該射頻開(kāi)關(guān)能夠滿足要求?？煽胤糯笃鬟x用DAT-31-PP，完成回波信號(hào)的可控放大，將其調(diào)理到適合ADC量化采集。

2.2.3 主控板設(shè)計(jì)

主控板的功能是負(fù)責(zé)完成電離層垂測(cè)儀的發(fā)射信號(hào)產(chǎn)生、調(diào)理電路控制、ADC采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、與PC機(jī)交互工作，是垂測(cè)儀硬件設(shè)計(jì)的核心部分。主控板的FPGA芯片選用的是Xilinx公司spartan系列的XC3S2000-FGG456，該芯片的等效系統(tǒng)門(mén)數(shù)（System Gates）是2M門(mén)[6]，引腳資源、邏輯資源和片內(nèi)BLOCKRAM，DCM資源等都比較豐富。設(shè)計(jì)中直接利用IP核產(chǎn)生DDS資源.

2.2.4 直接ADC數(shù)字化

接收信號(hào)經(jīng)過(guò)調(diào)理電路后，由ADC直接采樣數(shù)字化。數(shù)字化之后的原始數(shù)據(jù)保存在SRAM中。當(dāng)全部的頻點(diǎn)數(shù)據(jù)都采集完成后，將這些保存的數(shù)據(jù)回傳到PC機(jī)。在PC機(jī)端通過(guò)數(shù)字方法進(jìn)行I、Q兩路解調(diào)，經(jīng)過(guò)脈沖壓縮變換后得到處理結(jié)果。系統(tǒng)設(shè)計(jì)的最大發(fā)射信號(hào)頻率為15 MHz，可取ADC的采樣率為60 MHz，與DAC和DDS時(shí)鐘相同。ADC選用TI公司14 bit模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS6143.

該設(shè)計(jì)中接收信號(hào)通路未采用硬件I，Q解調(diào)方式。主要考慮到硬件I，Q解調(diào)很難保證IQ相位正交的要求，造成假頻現(xiàn)象，導(dǎo)致脈壓結(jié)果不真實(shí)。設(shè)離散后的回波信號(hào)為e（n），發(fā)射信號(hào)為c（n）。本文對(duì)回波信號(hào)的處理過(guò)程采用頻域的處理方法，見(jiàn)式（8）。即通過(guò)FFT，復(fù)乘，IFFT以及濾波等算法實(shí)現(xiàn)兩個(gè)信號(hào)的相關(guān)運(yùn)算[7]。

3 系統(tǒng)測(cè)試

垂測(cè)儀的天線采用delta結(jié)構(gòu)，底邊離地2.5 m，三角形高8 m，底邊長(zhǎng)20 m。因場(chǎng)地受限，天線通過(guò)升桿固定于樓頂，收與發(fā)天線delta形正交放置且固定于同一升桿上。系統(tǒng)電路部分放置于室內(nèi)。信號(hào)通過(guò)長(zhǎng)電纜進(jìn)行饋送。2011年6月24日，下午2：00測(cè)試獲得相關(guān)探測(cè)結(jié)果，如圖3所示。

4 結(jié) 論

文中給出了一種基于二相碼體制的電離層垂測(cè)儀設(shè)計(jì)方案，對(duì)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，發(fā)射信號(hào)進(jìn)行了分析介紹。最后進(jìn)行了系統(tǒng)外場(chǎng)測(cè)試，結(jié)果表明：該設(shè)計(jì)方案可行，具有較好的實(shí)用價(jià)值。

圖3 系統(tǒng)探測(cè)頻高圖Fig.3 Sounding of Ionogram

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