一種高效、靈巧的多通信信號(hào)產(chǎn)生方法

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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