一種新型短波等幅報(bào)信號(hào)的設(shè)計(jì)

【摘要】傳統(tǒng)等幅報(bào)信號(hào)大多采用模擬方式實(shí)現(xiàn)，體制落后、效率低下。本文設(shè)計(jì)了一種基于正交調(diào)制的等幅報(bào)信號(hào)實(shí)現(xiàn)方法，采用了純數(shù)字化設(shè)計(jì)架構(gòu)，可以取代傳統(tǒng)的等幅報(bào)發(fā)報(bào)終端，發(fā)送報(bào)文的報(bào)調(diào)標(biāo)準(zhǔn)、正規(guī)，節(jié)省了人力物力，提高了設(shè)計(jì)的可靠性。

【關(guān)鍵詞】等幅報(bào)；正交調(diào)制；數(shù)字混頻；短波通信

1.引言

盡管當(dāng)前各種新型無(wú)線電通信系統(tǒng)不斷涌現(xiàn)，但短波通信這種傳統(tǒng)的通信方式仍然受到各個(gè)國(guó)家的普遍重視，尤其是在軍事通信、應(yīng)急通信、突發(fā)災(zāi)害救援中，短波通信都發(fā)揮著不可替代的作用[4][5]。等幅報(bào)（CW）是短波通信中的一種簡(jiǎn)單、實(shí)用的通信制式，長(zhǎng)期以來(lái)，CW信號(hào)的收發(fā)報(bào)都靠人工通過(guò)電報(bào)機(jī)終端完成，效率十分低下。本課題研究并實(shí)現(xiàn)了CW信號(hào)的自動(dòng)發(fā)送技術(shù)，通過(guò)主控計(jì)算機(jī)設(shè)定報(bào)文內(nèi)容和報(bào)速，實(shí)現(xiàn)了CW信號(hào)的一鍵發(fā)送，可有效提高發(fā)報(bào)效率。

2.CW信號(hào)正交調(diào)制原理

通常使用的CW信號(hào)可以理解為振幅鍵控（2ASK）信號(hào)，該種信號(hào)具有典型的數(shù)字信號(hào)特征：一是在時(shí)間上是間斷、不連續(xù)的；二是在電強(qiáng)度上也是不連續(xù)的，只有有限的離散值[2]。隨著軟件無(wú)線電技術(shù)的發(fā)展以及大規(guī)模集成電路的廣泛應(yīng)用，通信系統(tǒng)逐漸開(kāi)始采用純數(shù)字化架構(gòu)處理，通過(guò)可編程器件的軟件可配置特性對(duì)載波頻率、信源和信道編碼等進(jìn)行控制，滿足不同的通信功能需求。因此可以采用數(shù)字方式取代傳統(tǒng)的模擬電路方式實(shí)現(xiàn)CW信號(hào)的設(shè)計(jì)。

理論上講，各種通信信號(hào)都可以用正交調(diào)制的方法加以實(shí)現(xiàn)，基于正交調(diào)制的發(fā)射機(jī)信號(hào)時(shí)域表達(dá)式為：

3.基于FPGA的CW信號(hào)設(shè)計(jì)

（1）CW電碼符號(hào)的組成原理

電碼符號(hào)由點(diǎn)（·）和劃（——）組成。以點(diǎn)為單位時(shí)間，則一個(gè)劃等于三個(gè)點(diǎn)的時(shí)間；點(diǎn)與點(diǎn)、點(diǎn)與劃、劃與點(diǎn)、劃與劃之間均為一個(gè)點(diǎn)的時(shí)間間隔；字與字之間為三個(gè)點(diǎn)的時(shí)間間隔；組與組之間為五個(gè)點(diǎn)的時(shí)間間隔[3]。如圖1所示：點(diǎn)與劃的區(qū)別只是持續(xù)的時(shí)間長(zhǎng)短不同，一個(gè)劃的持續(xù)時(shí)間等于三個(gè)點(diǎn)的持續(xù)時(shí)間，點(diǎn)對(duì)應(yīng)于短的電脈沖信號(hào)，劃則對(duì)應(yīng)于長(zhǎng)的電脈沖信號(hào)?；谝陨螩W信號(hào)的組成原理，本文提出如下設(shè)計(jì)思路：首先主控計(jì)算機(jī)把由英文字母A～Z和阿拉伯?dāng)?shù)字0～9組成的報(bào)文內(nèi)容依據(jù)莫爾斯電碼對(duì)照表進(jìn)行翻譯，把英文字母和數(shù)字翻譯成為點(diǎn)與劃組成的信息，并且按照?qǐng)D1所示的規(guī)則，設(shè)定點(diǎn)與點(diǎn)、點(diǎn)與劃、劃與點(diǎn)、劃與劃之間的時(shí)間間隔，按照設(shè)定的報(bào)速，計(jì)算得到CW信號(hào)的點(diǎn)、劃以及空格的對(duì)應(yīng)時(shí)間，然后給包含時(shí)間信息的字段加上特定的字頭，用來(lái)標(biāo)識(shí)點(diǎn)、劃和空格，以便于FPGA控制邏輯識(shí)別和進(jìn)行相應(yīng)的操作。

圖1 點(diǎn)、劃比例以及字與字、組與組間隔

（2）CW信號(hào)硬件設(shè)計(jì)

CW信號(hào)的硬件框架結(jié)構(gòu)如圖2所示：由主控計(jì)算機(jī)、PCI總線接口電路、大規(guī)模FPGA、數(shù)模轉(zhuǎn)換DAC以及低通濾波器組成。CW調(diào)制信號(hào)和載波信號(hào)均在FPGA內(nèi)部通過(guò)數(shù)字方式實(shí)現(xiàn)，調(diào)制信號(hào)與載波信號(hào)直接在FPGA內(nèi)部進(jìn)行混頻，混頻之后的數(shù)據(jù)再經(jīng)過(guò)DAC轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，最后經(jīng)過(guò)低通濾波之后得到CW信號(hào)。

圖2 CW信號(hào)的硬件框架結(jié)構(gòu)

主控計(jì)算機(jī)通過(guò)PCI總線接口實(shí)現(xiàn)與FPGA的數(shù)據(jù)交互，包括報(bào)文內(nèi)容的發(fā)送、載波頻率等參數(shù)設(shè)置。CW信號(hào)的數(shù)據(jù)通過(guò)PCI總線接口送到FPGA內(nèi)部FIFO，經(jīng)過(guò)基帶處理成為I、Q兩路數(shù)據(jù)，同時(shí)在FPGA內(nèi)部使用DDS信號(hào)產(chǎn)生技術(shù)產(chǎn)生相互正交的兩路載波信號(hào)，調(diào)制信號(hào)與載波信號(hào)在數(shù)字域上實(shí)現(xiàn)調(diào)制與混頻，合路得到的信號(hào)輸出到DAC進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，最后再經(jīng)過(guò)低通濾處理得到CW信號(hào)。由于CW信號(hào)的報(bào)文內(nèi)容都已經(jīng)被翻譯為代表時(shí)間長(zhǎng)度的“點(diǎn)”、“劃”信息，因此只需要改變時(shí)間長(zhǎng)度，即可實(shí)現(xiàn)CW信號(hào)的報(bào)速變化。

（3）CW信號(hào)的FPGA內(nèi)部實(shí)現(xiàn)

按照上述思路，設(shè)計(jì)了圖3所示的控制模型，主要包括：數(shù)控振蕩器、數(shù)據(jù)緩存FIFO、時(shí)間長(zhǎng)度計(jì)數(shù)器、FIFO讀寫(xiě)控制邏輯、計(jì)數(shù)器啟停以及輸出控制邏輯等。

數(shù)據(jù)緩存FIFO用來(lái)緩存經(jīng)過(guò)翻譯的CW報(bào)文信息，主要包括點(diǎn)、劃、空格的標(biāo)識(shí)以及對(duì)應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)度信息，提供給后面的時(shí)間長(zhǎng)度計(jì)數(shù)器和輸出控制邏輯使用；時(shí)間長(zhǎng)度計(jì)數(shù)器依次從數(shù)據(jù)緩存FIFO中讀取點(diǎn)、劃長(zhǎng)度的時(shí)間信息的低28位數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，從而產(chǎn)生相應(yīng)時(shí)間的點(diǎn)、劃脈沖信號(hào)。計(jì)數(shù)器啟停以及輸出控制邏輯從數(shù)據(jù)緩存FIFO中讀取點(diǎn)、劃長(zhǎng)度的時(shí)間信息的高4位數(shù)據(jù)進(jìn)行邏輯判斷與操作：包括計(jì)數(shù)器裝載控制、啟動(dòng)與停止控制等；FIFO讀寫(xiě)控制邏輯主要由TC信號(hào)（時(shí)間長(zhǎng)度計(jì)數(shù)器的溢出標(biāo)志位）和Almost_full信號(hào)（FIFO的滿標(biāo)志位）通過(guò)組合邏輯形成，當(dāng)FIFO已經(jīng)寫(xiě)滿或者計(jì)數(shù)器完成一個(gè)計(jì)數(shù)周期時(shí)，開(kāi)始從FIFO中讀取一次數(shù)據(jù)。

圖3 CW調(diào)制信號(hào)模型

4.數(shù)字本振信號(hào)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中的本振信號(hào)是在大規(guī)模FPGA內(nèi)部通過(guò)DDS方式實(shí)現(xiàn)的。直接數(shù)字頻率合成（DDS）是一種完全使用數(shù)字器件實(shí)現(xiàn)的頻率合成技術(shù)，其基本原理是利用奈奎斯特采樣定理，通過(guò)查表法產(chǎn)生正弦波[6]。目前在高速大規(guī)模FPGA內(nèi)部都集成了具有DDS功能的IP核，DDS IP核提供給用戶(hù)簡(jiǎn)單的控制接口，包括采樣時(shí)鐘、相位控制字、使能以及復(fù)位控制信號(hào)，在固定的采樣時(shí)鐘頻率下，只需要改變相位控制字，就可以得到頻率連續(xù)可變的正交載波信號(hào)。設(shè)計(jì)中采樣時(shí)鐘固定為200MHz，通過(guò)改變相位控制字，可實(shí)現(xiàn)載波頻率在250kHz～30MHz內(nèi)連續(xù)可調(diào)，滿足短波通信的頻段需求。

5.系統(tǒng)硬件性能測(cè)試

本系統(tǒng)在硬件平臺(tái)上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：其中的大規(guī)模FPGA采用Xilinx公司的Virtex 5系列XC5VLX50T，最高工作時(shí)鐘可達(dá)550MHz，高速數(shù)模轉(zhuǎn)換器采用美信公司的MAX5891，其最轉(zhuǎn)換速率可達(dá)600MSPS。測(cè)試內(nèi)容如下：

報(bào)速：100碼/分鐘

報(bào)文內(nèi)容：abcd abcd

載波頻率：20MHz

首先由計(jì)算機(jī)軟件把上述報(bào)文內(nèi)容依據(jù)莫爾斯電碼對(duì)照表進(jìn)行翻譯成對(duì)應(yīng)的點(diǎn)劃信息，然后再加上對(duì)應(yīng)的字頭，把翻譯的信息和載波頻率等參數(shù)通過(guò)PCI總線發(fā)送給FPGA，F(xiàn)PGA收到啟動(dòng)命令之后，則開(kāi)始報(bào)文發(fā)送。

使用Agilent MOS6102A型示波器對(duì)上述信號(hào)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖4所示，采用通道1，時(shí)基為500ms/格，使用示波器的時(shí)間間隔測(cè)量功能測(cè)得實(shí)際點(diǎn)的時(shí)間為：72.82ms，劃的時(shí)間為218.46ms，與理論計(jì)算時(shí)間完全一致，如果把時(shí)基調(diào)節(jié)為50ns/格，可以測(cè)得每個(gè)脈沖信號(hào)中的被調(diào)制的正弦波形，每個(gè)波形占一格，即載波頻率為20MHz。

使用頻譜儀對(duì)上述信號(hào)測(cè)試：中心頻率設(shè)為20MHz，掃寬1MHz，其結(jié)果為在頻譜儀上20MHz頻點(diǎn)處的瞬時(shí)頻譜峰值表現(xiàn)為時(shí)有時(shí)無(wú)。

圖4 CW信號(hào)時(shí)域測(cè)試結(jié)果

在某型偵收系統(tǒng)上對(duì)本設(shè)計(jì)進(jìn)行了測(cè)試：接收頻率20MHz，可以接偵聽(tīng)到的兩遍內(nèi)容為“滴答（a）答滴滴滴（b）答滴答滴（c）答滴滴（d）”的信號(hào)，“滴”（點(diǎn)）、“答”（劃）聲音清晰可辨，報(bào)文內(nèi)容可以準(zhǔn)確識(shí)別。

6.結(jié)論

本文使用現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列（FPGA）進(jìn)行CW信號(hào)設(shè)計(jì)，采用純數(shù)字化架構(gòu)在FPGA內(nèi)部建立了完整的CW信號(hào)發(fā)送機(jī)制，并在硬件平臺(tái)上進(jìn)行了設(shè)計(jì)驗(yàn)證，在保證CW信號(hào)精度的前提下，實(shí)現(xiàn)了其技術(shù)要求，可滿足報(bào)速10碼/分鐘～300碼/分鐘、載波頻率250kHz～30MHz連續(xù)可調(diào)，與傳統(tǒng)的電鍵報(bào)發(fā)報(bào)方式相比，使用主控計(jì)算機(jī)根據(jù)報(bào)速計(jì)算點(diǎn)與劃時(shí)間的發(fā)報(bào)方法快速、準(zhǔn)確，報(bào)文聲音清脆，點(diǎn)劃均勻、正規(guī)、速度平穩(wěn)，電碼信號(hào)更加容易聽(tīng)辨，提高了設(shè)計(jì)的靠性，具有較強(qiáng)的實(shí)踐意義。

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作者簡(jiǎn)介：劉魁魁（1985—），男，山東鄒城人，中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第41研究所工程師。