基于相位編碼體制的電離層垂測儀系統設計

沈紹祥 ， 王 順 ， 方廣有

（1.中國科學院電子學研究所 電磁輻射與探測技術重點實驗室，北京 100190；2.中國科學院研究生院 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[1]。電離層垂測儀從地面垂直向上發射掃頻高頻脈沖波，測量從電離層反射回波到達接收機的延時，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。通過對頻高圖的分析計算，得到電離層的特征參數，如電離層的折射系數n。目前國內所部署的電離層觀測站大多數均采用國外電離層觀測設備，如美國的Dynasonde，加拿大的CADI，俄羅斯的BIZON等[2]。其價格高，設備體積大，維護安裝費用高，這對新建電離層觀測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儀系統設計方法。它利用FPGA內部的DDS模塊構建信號產生單元，形成起始頻率為1 MHz，終止頻率為15 MHz，頻率步進間隔為100 kHz的信號。該信號經barker碼進行相位編碼調制后，通過DAC與功率放大器輸出到發射天線，并由其對空輻射出去。接收機前端采用射頻隔離開關和直接ADC實時采樣技術，有效避免了硬件IQ解調時兩通道的相位不一致性問題。該設計方法可以靈活配置發射信號形式，做到實時在線修改。經過實際測試，表明本方案切實可行，為設備的小型化，便利化提供基礎。

1 系統概述

電離層垂測儀系統框圖如圖1所示，主要由天線、功放、主控板，接收機前端調理電路、接口電路和PC組成，其中主控板的晶振產生同源時鐘提供給DAC、FPGA和ADC使用.

圖1 電離層垂測儀系統功能框圖Fig.1 Diagram of sounding of ionosphere

1.1 工作流程

PC機通過USB接口發送參數到主控板。主控板上的FPGA接收參數并按照設計的邏輯時序進行工作，啟動內部DDS產生起始頻率和終止頻率分別為1 MHz和15 MHz、步進頻率間隔為100 kHz的數字正弦信號，該信號通過巴克碼（0，π）調相，經 DAC和LPF濾波后，送入功率放大器得到發射信號.該發射信號饋入天線并輻射出去。

接收機通路中，調理電路的射頻開關用來去除強反射的直達波并保護接收機電路。接收信號經可控放大后，由ADC直接采樣并存儲于SRAM中。當所有頻點發射完成后，存儲在SRAM中的全部數據通過USB上傳到PC機后進行處理分析。

2 系統設計

2.1 發射信號分析

一般相位編碼信號的復數表達式可寫為：

其中，u（t）=a（t）exp（jφ（t））為信號的復包絡函數，φ（t）是相位調制函數。

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

設二相編碼信號的包絡為矩形，P為碼長，T為子脈沖寬度，v（t）為子脈沖函數，則包絡函數 a（t）可表示為：二相編碼信號的復包絡可寫成：

二相編碼信號復包絡的頻譜為：

從上面分析可知，提高二相碼的碼長P可以得到更高的脈壓比，獲得好的探測效果。電離層垂測儀需要探測深空距離，故對發射信號能量有一定的要求。采用功放是提高發射信號能量的最直接方式，此外還可以考慮碼元的寬度和碼長長度，碼長越長其信號能量也會越高。綜合以上兩種方法，本設計為簡化信號產生單元，采用了13位碼長的巴克碼序列。設計采用碼元寬度為40 μs，碼長為 520 μs。從而使得CADI功放在發射信號時，可以近似滿功率輸出。

2.2 硬件電路設計

電離層垂測儀主要由主控板、功放、接收機調理電路組成。本系統的功放選用加拿大CADI系統的功率放大器。

2.2.1 發射信號通路

考慮到發射信號產生可以采用DDS形成，也可以利用數值計算的方法預先獲得波形數據。后者是將存儲在FLASH中的波形數據直接通過DAC刷出，并經過低通濾波產生。系統設計時，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，若所需發射信號的碼字過長，且頻點很多，則無法將全部頻點的波形數據都存放在一片flash中，此時要采取別的措施來解決這個問題。

該系統設計中，發射信號采用了FPGA內部DDS形成方式。設DDS工作時鐘為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：

設計時需首先設定系統的頻率分辨率，再由式（6）可計算相位累加器位寬B（θ），從而由式（7）可計算出每個頻率所對應的相位累加字Δθ，因此控制輸入Δθ就能獲得不同的頻率點輸出。DDS僅產生了所需的1～15 MHz、以100 kHz頻率步進的正弦信號數字波形。在構成發射信號之前，需要對DDS產生的正弦信號按照巴克碼進行調制后輸出。0相位的碼元調相時保持DDS信號原值輸出，而π相位調相時DDS信號輸出值取反。該方法稱為直接變換法。另外一種控制方式是通過控制DDS輸出信號的相位偏移量，按0相位和π相位進行設置。但通過仿真發現，從0相位到π相位調相時，會有2個時鐘周期延遲，導致0相位到π相位變化時，信號調相相位不連續，且經過實際實驗驗證，后者的脈壓結果有問題。

DDS信號經巴克碼調相，送入DAC輸出相應模擬波形，再經過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，其工作時鐘與DDS時鐘同頻同源。

2.2.2 接收機調理電路

接收機調理電路實現對直達波信號及強耦合信號的隔離，保護接收機電路。當發射天線輻射大功率信號時，該大功率發射信號通過發射天線直接近距離反射并耦合到接收天線，形成過高幅度的回波信號，對接收機鏈路形成巨大沖擊，因此需要避開。在強直達波去除后，回波信號需進行放大和濾波調理，最后送入ADC進行實時采樣。其基本框圖結構見圖2所示。

圖2 調理電路框圖Fig.2 Diagram of signal conditioning circuit

該調理電路中，射頻開關選用mini-circuit公司的ZYSWA-2-50R，具備DC-5 GHz的帶寬，插入損耗1 dB，6 ns響應速度[5]，開關的開合狀態控制以TTL電平驅動。本系統的模擬信號頻段為低于30 MHz，故該射頻開關能夠滿足要求。可控放大器選用DAT-31-PP，完成回波信號的可控放大，將其調理到適合ADC量化采集。

2.2.3 主控板設計

主控板的功能是負責完成電離層垂測儀的發射信號產生、調理電路控制、ADC采集、數據存儲、與PC機交互工作，是垂測儀硬件設計的核心部分。主控板的FPGA芯片選用的是Xilinx公司spartan系列的XC3S2000-FGG456，該芯片的等效系統門數（System Gates）是2M門[6]，引腳資源、邏輯資源和片內BLOCKRAM，DCM資源等都比較豐富。設計中直接利用IP核產生DDS資源.

2.2.4 直接ADC數字化

接收信號經過調理電路后，由ADC直接采樣數字化。數字化之后的原始數據保存在SRAM中。當全部的頻點數據都采集完成后，將這些保存的數據回傳到PC機。在PC機端通過數字方法進行I、Q兩路解調，經過脈沖壓縮變換后得到處理結果。系統設計的最大發射信號頻率為15 MHz，可取ADC的采樣率為60 MHz，與DAC和DDS時鐘相同。ADC選用TI公司14 bit模數轉換器ADS6143.

該設計中接收信號通路未采用硬件I，Q解調方式。主要考慮到硬件I，Q解調很難保證IQ相位正交的要求，造成假頻現象，導致脈壓結果不真實。設離散后的回波信號為e（n），發射信號為c（n）。本文對回波信號的處理過程采用頻域的處理方法，見式（8）。即通過FFT，復乘，IFFT以及濾波等算法實現兩個信號的相關運算[7]。

3 系統測試

垂測儀的天線采用delta結構，底邊離地2.5 m，三角形高8 m，底邊長20 m。因場地受限，天線通過升桿固定于樓頂，收與發天線delta形正交放置且固定于同一升桿上。系統電路部分放置于室內。信號通過長電纜進行饋送。2011年6月24日，下午2：00測試獲得相關探測結果，如圖3所示。

4 結 論

文中給出了一種基于二相碼體制的電離層垂測儀設計方案，對系統的硬件設計，發射信號進行了分析介紹。最后進行了系統外場測試，結果表明：該設計方案可行，具有較好的實用價值。

圖3 系統探測頻高圖Fig.3 Sounding of Ionogram

[1]蕭佐.50年來的中國電離層物理研究 [J].物理，1999，28（11）：661-667.

XIAO Zuo.Ionoshperic research in china over the past 50 years[J].Physics，1999，28（11）：661-667.

[2]陳琨.電離層數字測高儀的硬件研制[D].武漢：中南民族大學，2009.

[3]艾名舜，馬紅光，王令歡.混沌二相編碼的雷達脈沖壓縮信號[J].火控雷達技術，2007，36（1）：26-29.

AI Ming-shun，MA Hong-guang，WANG Ling-huan.Chaotic binary-phase coded radar pulse compression signal[J].Fire Control Radar Technology，2007，36（1）：26-29.

[4]Xilinx Inc.DDS V5.0[Z]，2005.

[5]Coaxial Switch 50ΩSPDT，TTL Driver，Absorptive DC to 5 GHz[Z].Mini-Circuits，2006.

[6]Xilinx Inc.Spartan-3 FPGA Family[Z].Complete Data Sheet，2005.

[7]張群英，方廣有.偽隨機序列編碼脈沖信號在探地雷達中的應用研究[J].電子與信息學報，2011，33（2）：424-428.

ZHANG Qun-ying，FANG Guang-you.The study of pseudo random sequence’s application to GPR[J].Journal of Electronics&Information Technology，2011，33（2）：424-428.