基于FPGA的壓制性干擾源的研究與設(shè)計

苗新法，張小磊

（蘭州交通大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070）

無線通信技術(shù)的迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用給人們的生活帶來了極大的便利,但同時也會被違法犯罪分子所利用，使失密、泄密的渠道更加難以控制。通過無線通信手段的失密、泄密問題日益嚴(yán)峻,同時也向保密技術(shù)和電子對抗技術(shù)提出了極大的挑戰(zhàn)。無線通信是一個開放的電子通信系統(tǒng),防止通過無線通信手段的失密行為最直接的方法就是在必要時對一定空間范圍內(nèi)的無線接收機(jī)進(jìn)行壓制式干擾,使其無法正常接收發(fā)射機(jī)發(fā)射的信號[1]。

壓制性干擾的定義為用噪聲或噪聲樣的干擾信號遮蓋或淹沒有用信號,阻止對方用電磁波獲取目標(biāo)信息。壓制性干擾按頻譜特性一般可分為寬帶阻塞式、瞄準(zhǔn)式和掃頻式三大類。每種方式都有其特點(diǎn)和應(yīng)用場合[2-4]。

傳統(tǒng)的壓制系統(tǒng)壓制方式單一，頻率范圍小，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜。本文提出一種結(jié)合模擬和數(shù)字方式，由FPGA作為主控，基于DDS原理的壓制系統(tǒng)。本壓制系統(tǒng)同時具備三種壓制方式，頻率范圍大，中心頻率和帶寬步進(jìn)可調(diào)。

1 系統(tǒng)基本原理

系統(tǒng)方案框圖如圖1所示。

高斯分布的基帶噪聲由噪聲二極管齊納擊穿產(chǎn)生，經(jīng)調(diào)理電路放大后，由ADC采樣后送入核心處理器進(jìn)行處理。在FPGA中構(gòu)建偽隨機(jī)序列雖然相對不復(fù)雜，但序列長度有限，實(shí)時性不好，所以本文仍然采用模擬的方式產(chǎn)生真正的噪聲。在FPGA中構(gòu)建的DDS模塊為本系統(tǒng)的核心。DDS的基本原理如圖2所示[5-6]。其輸出頻率fout=M×fclk/2N。其中，M為頻率控制字，N為波形查找表的位數(shù),本系統(tǒng)使用 20 bit；fclk為參考時鐘，是本設(shè)計的DDS模塊實(shí)際工作的等效時鐘。FPGA選用Altera公司Stratix II系列芯片，系統(tǒng)倍頻后的工作頻率為140 MHz，四通道并行處理等效時鐘為560 MHz[7-8]，故輸出信號的頻率分辨率為△f=fclk/2N=534 Hz。為了與標(biāo)準(zhǔn)射頻設(shè)備兼容，本系統(tǒng)輸出fout是中心頻率為70 MHz的中頻信號，對應(yīng)的中心頻率控制字為M0=217（0x20000）。以寬帶阻塞式壓制為例，介紹頻率控制字的生成方法。

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，寬帶阻塞式壓制一般選用噪聲調(diào)頻信號。噪聲調(diào)頻信號的時域表達(dá)式為：

其瞬時頻率為：ω=ωc+kfm(t)，其中 ，m(t)為均值為0、均方差即功率為σ2的高斯白噪聲，kf為調(diào)頻指數(shù)。

由此可知，噪聲調(diào)頻信號的帶寬僅與調(diào)頻指數(shù)和信號功率有關(guān)，即僅與kfδ有關(guān)。

假設(shè)圖1中基帶噪聲控制電路中所使用的ADC寬度為 N1位，DAC寬度為 N2位，取 N1≥N2，則采樣最大值由壓控放大器分級控制，均勻分為2N2級。若定義分級系數(shù) k=1～2N2，則每級采樣值，此值即對應(yīng)的調(diào)制信號功率σ。使用FPGA內(nèi)部的乘法器與ADC采樣值ks相乘，得到頻偏控制字Mf1，乘法器系數(shù)對應(yīng)調(diào)制指數(shù) kf，由于 Mf1始終為正，為了保證信號中心頻率在70 MHz，還要減去頻偏中心控制字M0+Mf1-Mf2即為最終的噪聲調(diào)頻信號的頻率控制字，其實(shí)現(xiàn)原理如圖3所示[9-10]。

由以上分析可知，若 M=12、N=8、kf=1～10，則輸出信號的最小帶寬即帶寬步進(jìn) △fmin=△f×16=8.545 kHz，信號輸出最大帶寬為 △fmax=△f×4 096×10=21.875 MHz（實(shí)際輸出信號帶寬要低一個△f，為了分析方便作此計算）。當(dāng)信號功率和調(diào)制指數(shù)有多種組合、可以滿足同一個輸出帶寬要求時，為了減小采樣量化誤差，應(yīng)盡量使采樣值即噪聲功率較大，使乘法器系數(shù)即調(diào)制指數(shù)較小。如輸出 5 MHz帶寬的噪聲調(diào)頻信號，取 k=195，kf=3，實(shí)際帶寬 △fout=△f×(195×16-1)×3=4.997 MHz， 對應(yīng)控制字范圍為即0x1EDB8～0x21245。

圖3中當(dāng)信號帶寬較大時可作為寬帶阻塞式壓制信號源；帶寬較窄時即可作為瞄準(zhǔn)式壓制信號源[3]；使頻偏控制字線性變化即可作為掃頻式壓制信號源。

為了把中頻信號調(diào)制到更高頻率上，本系統(tǒng)使用了上變頻方案，其中程控本振使用ADF4350。ADF4350單芯片即可實(shí)現(xiàn)137.5 MHz～4 400 MHz的本振輸出，并且集成小數(shù)分頻器和整數(shù)分頻器，使用三線制的SPI接口，輸出功率、預(yù)分頻器模數(shù)和分頻系數(shù)可編程，ADF4350接口時序如圖4所示。為了保證相位噪聲等性能指標(biāo)并降低濾波器和功放的設(shè)計難度，考慮實(shí)際需要，本系統(tǒng)本振輸出為170 MHz～770 MHz，混頻濾波后的信號范圍為100 MHz～700 MHz。

圖1中的控制接口，主要是人機(jī)接口以及與上位機(jī)之間的通信接口。

2 測試結(jié)果

圖5為輸出信號的頻譜圖，其中，圖5(a)和圖5(b)為中頻輸出帶寬為20 kHz和2 MHz的掃頻信號，每周期2 000個點(diǎn)，每個頻點(diǎn)駐留時間 1μs；圖 5(c)和圖 5(d)為上變頻后的頻譜圖，(c)圖為中心頻率 500 MHz、帶寬1 MHz的噪聲調(diào)頻信號，(d)圖為中心頻率 300 MHz、帶寬20 kHz的噪聲調(diào)頻信號。從圖中可以看出，輸出信號頻譜分布與理論設(shè)計基本一致。

在2010年及以前的幾年中，每次國家統(tǒng)一的大型考試中，通過無線電監(jiān)測均能發(fā)現(xiàn)數(shù)個非法信號在傳輸作弊信息，但僅靠教育說服已不能完全杜絕，且每次僅能發(fā)現(xiàn)幾個參與作弊的帶接收設(shè)備進(jìn)入考場的考生，極大地影響了考試公平，造成了不好的影響。在2011年底到2012年初的幾次考試中，在相關(guān)執(zhí)法部門的配合下，通過使用本設(shè)備，配合我校研制的監(jiān)測和定位設(shè)備，使大部分非法接收設(shè)備無法正常接收信號，并繳獲發(fā)送設(shè)備數(shù)臺，抓獲犯罪分子數(shù)人，保證了考試的公平公正。

本系統(tǒng)同樣可以在電子戰(zhàn)中作干擾源裝備部隊(duì)，應(yīng)用于雷達(dá)對抗、電子干擾等。

本系統(tǒng)DDS信號輸出為標(biāo)準(zhǔn)70 MHz中頻信號，可與市場上的大部分廠家的上變頻器和功放接口，進(jìn)一步擴(kuò)大其頻率輸出范圍和功率輸出范圍，應(yīng)用到更多的場合。

[1]呂波，張曉發(fā).噪聲壓制式手機(jī)干擾機(jī)設(shè)計[J].電子工程師，2004，30（6）：28-30.

[2]胡修林，熊小蘭.典型壓制性干擾的建模與仿真[J].自動化技術(shù)與應(yīng)用，2006，25（12）：75-77.

[3]洪韜，王超，張學(xué)斌.壓制式毫米波干擾模擬器設(shè)計[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2008，34（8）：97-99.

[4]呂波，張曉發(fā)，袁乃昌.數(shù)字噪聲調(diào)頻寬帶干擾源設(shè)計[J].電測與儀表，2008，20（1）：54-57.

[5]戈立軍，吳虹，司敏山.基于 DDS技術(shù)的FM信號發(fā)生器的設(shè)計及其FPGA實(shí)現(xiàn)[J].南開大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2007，40（6）：95-99.

[6]周俊峰.基于FPGA的直接數(shù)字頻率合成器的設(shè)計和實(shí)現(xiàn)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2002，28（12）：74-76.

[7]徐鑫，凌小峰，宮新保.寬帶噪聲調(diào)頻信號產(chǎn)生系統(tǒng)的數(shù)字化硬件實(shí)現(xiàn)[J].航天電子對抗，2009，25（5）：47-50.

[8]周國富.基于 FPGA的并行DDS[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2007，33（10）：41-43.

[9]鄧耀華，吳黎明，張力鍇，等.基于FPGA的雙DDS任意波發(fā)生器設(shè)計與雜散噪聲抑制方法[J].儀器儀表學(xué)報，2010，30（11）：2256-2262.

[10]田書林，劉科，周鵬.基于雙DDS的高速任意波形發(fā)生器實(shí)現(xiàn)技術(shù)[J].儀器儀表學(xué)報，2004，25（8）：557-560.