基于IQ 調(diào)制的零中頻干擾激勵(lì)器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

徐云

（合肥電子工程學(xué)院，230037）

0 引言

干擾激勵(lì)器是干擾機(jī)的核心部件，其主要功能有兩個(gè)：基帶信號(hào)產(chǎn)生/選擇，信號(hào)調(diào)制的實(shí)現(xiàn)。早期的干擾激勵(lì)器主要通過(guò)模擬器件實(shí)現(xiàn)，對(duì)每一種調(diào)制方式通常需要單獨(dú)搭建一個(gè)模塊，存在著線性性能不夠好、設(shè)備調(diào)試復(fù)雜、體積較大、升級(jí)維護(hù)困難等缺陷。

近年來(lái)，隨著數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的干擾激勵(lì)器采用了數(shù)字處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)，特別是普遍采用FPGA+DDS的方式實(shí)現(xiàn)，較好的解決了模擬干擾激勵(lì)器存在的一些問(wèn)題。其基本思想是：通過(guò)對(duì)輸入的數(shù)字基帶信號(hào)（或者對(duì)輸入的模擬信號(hào)取樣變換為數(shù)字信號(hào)）使用FPGA 芯片進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算實(shí)現(xiàn)信號(hào)調(diào)理和調(diào)制，利用高速DDS 實(shí)現(xiàn)頻率變換，最后采用D/A 變換得到需要的激勵(lì)信號(hào)。如文獻(xiàn)[1～5]中提出了采用FPGA+DDS的方式實(shí)現(xiàn)了多種類型的調(diào)幅/調(diào)頻等激勵(lì)器，取得了較好的效果。但是這些方法也存在一些缺陷，主要有：基于FPGA 芯片運(yùn)算的各種調(diào)制算法相對(duì)復(fù)雜；對(duì)某些調(diào)制方式來(lái)說(shuō)，采用FPGA 芯片運(yùn)算需要占用較多的芯片資源，特別是當(dāng)需要多種調(diào)制方式時(shí)芯片資源占用更多。

理論研究表明：任何一種信號(hào)調(diào)制均可用正交調(diào)制實(shí)現(xiàn)[1]。據(jù)此，本文基于IQ 調(diào)制原理，采用高級(jí)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，利用通用計(jì)算機(jī)在零中頻上實(shí)現(xiàn)干擾激勵(lì)器。

1 系統(tǒng)總體框架設(shè)計(jì)

系統(tǒng)總體框架如圖1所示，主要由零中頻IQ 調(diào)制器器、數(shù)字上變頻及D/A 轉(zhuǎn)換三個(gè)部分組成。其工作流程是：零中頻IQ 調(diào)制器產(chǎn)生需要的各種調(diào)制信號(hào)，由于該激勵(lì)信號(hào)的頻率在零中頻上，需要送往數(shù)字上變頻器實(shí)現(xiàn)頻率搬移到射頻的目的，最后通過(guò)D/A 轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)送往功放。

本文工作重點(diǎn)在零中頻IQ 調(diào)制器上，設(shè)計(jì)的基本思路是：通過(guò)分析各種調(diào)制方式的特點(diǎn)，對(duì)數(shù)字基帶信號(hào)（如計(jì)算機(jī)中存儲(chǔ)的音頻文件、隨機(jī)噪聲等）進(jìn)行IQ 調(diào)制，將調(diào)制后的兩路零中頻IQ 信號(hào)通過(guò)相關(guān)計(jì)算機(jī)接口（如PCI 總線/USB 總線/網(wǎng)絡(luò)）發(fā)送給數(shù)字上變頻器實(shí)現(xiàn)頻率搬移。

2 系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 基帶干擾信號(hào)產(chǎn)生

干擾激勵(lì)器的重要功能之一是能夠產(chǎn)生多種類型的基帶信號(hào)，常見(jiàn)的如語(yǔ)音信號(hào)、模擬的隨機(jī)噪聲、數(shù)字隨機(jī)序列等。語(yǔ)音信號(hào)及數(shù)字隨機(jī)序列在干擾激勵(lì)器中經(jīng)常用到，因此，作為示例本文給出利用通用計(jì)算機(jī)產(chǎn)生語(yǔ)音基帶信號(hào)和受控于數(shù)字隨機(jī)序列的2ASK 信號(hào)的方法。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

2.1.1 語(yǔ)音基帶信號(hào)的產(chǎn)生

語(yǔ)音信號(hào)來(lái)源主要有兩個(gè)方面：計(jì)算機(jī)中存儲(chǔ)的各種語(yǔ)音文件（常見(jiàn)的如波表文件）以及通過(guò)聲卡或者其它采集設(shè)備實(shí)時(shí)采集的語(yǔ)音信號(hào)流。為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，本文直接使用計(jì)算機(jī)中存儲(chǔ)的波表文件，其基本思路是：解讀波表文件的數(shù)據(jù)格式，將文件中存儲(chǔ)的聲音數(shù)據(jù)讀入內(nèi)存，根據(jù)其采樣率、通道數(shù)量、量化位數(shù)等參數(shù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)的適配，形成新的基帶數(shù)據(jù)緩存，以便于下一步的IQ 調(diào)制，其流程如圖2所示。

2.1.2 隨機(jī)2ASK 信號(hào)產(chǎn)生

2ASK 信號(hào)實(shí)際使用時(shí)又稱Morse 報(bào)，廣泛應(yīng)用于軍事和民用通信中，Morse 報(bào)一般先用單音正弦波（頻率可以選擇1000Hz等）對(duì)基帶數(shù)字序列進(jìn)行調(diào)制，然后再采用單邊帶方式調(diào)制到射頻。Morse 報(bào)產(chǎn)生時(shí)需要考慮其報(bào)文種類（數(shù)碼、字碼、混合碼；長(zhǎng)碼、短碼），報(bào)速等參數(shù)，其流程如圖3所示。

2.2 IQ 調(diào)制的實(shí)現(xiàn)

2.3 工作流程的實(shí)現(xiàn)

零中頻IQ 調(diào)制數(shù)據(jù)產(chǎn)生可以有兩種方案：一次性產(chǎn)生全部所需干擾數(shù)據(jù)或者連續(xù)不斷的產(chǎn)生一小段干擾數(shù)據(jù)直至干擾停止。

第一種數(shù)據(jù)產(chǎn)生方案的優(yōu)點(diǎn)是一次產(chǎn)生全部所需干擾數(shù)據(jù)，因而干擾激勵(lì)器在整個(gè)干擾時(shí)間內(nèi)可以連續(xù)不斷的對(duì)目標(biāo)實(shí)施干擾，直至干擾時(shí)間結(jié)束。此種方案存在的最大問(wèn)題是干擾反映時(shí)間（從收到干擾指令開(kāi)始到發(fā)出干擾信號(hào)為止的這段時(shí)間）隨著干擾時(shí)間的增加而增加，并且當(dāng)干擾時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)會(huì)導(dǎo)致占用大量的系統(tǒng)內(nèi)存用于存放干擾數(shù)據(jù)。

第二種數(shù)據(jù)產(chǎn)生方案則是利用數(shù)據(jù)產(chǎn)生線程，每次生成一小段干擾數(shù)據(jù)，循環(huán)產(chǎn)生干擾數(shù)據(jù)，直至停止干擾。此種方案的缺點(diǎn)是需要合理設(shè)計(jì)每一小段數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度，如果設(shè)計(jì)不當(dāng)，可能導(dǎo)致激勵(lì)器輸出數(shù)據(jù)的不連續(xù)，從而導(dǎo)致干擾信號(hào)的中斷。但是此種方案的優(yōu)點(diǎn)也很明顯：干擾反應(yīng)時(shí)間短、系統(tǒng)內(nèi)存開(kāi)銷小，因此本文采用第二種數(shù)據(jù)產(chǎn)生方案。

圖2 語(yǔ)音基帶信號(hào)產(chǎn)生流程

圖3 隨機(jī)2ASK 信號(hào)產(chǎn)生流程

圖4 激勵(lì)器工作流程

表1 激勵(lì)器數(shù)據(jù)產(chǎn)生時(shí)間性能測(cè)試（1K=1024）

干擾激勵(lì)器工作流程主要包括兩個(gè)步驟：確定干擾參數(shù)以及產(chǎn)生零中頻的干擾激勵(lì)信號(hào)。確定干擾參數(shù)是指激勵(lì)器根據(jù)干擾指令確定相關(guān)干擾參數(shù)，包括干擾信號(hào)調(diào)制類型、干擾基帶信號(hào)類別，以便下一步產(chǎn)生干擾激勵(lì)信號(hào)。產(chǎn)生干擾激勵(lì)信號(hào)是指根據(jù)上一步中確定的相關(guān)干擾參數(shù)，啟動(dòng)干擾激勵(lì)數(shù)據(jù)產(chǎn)生線程，源源不斷地生成零中頻調(diào)制信號(hào)數(shù)據(jù)流，并通過(guò)計(jì)算機(jī)相關(guān)接口送往上變頻器實(shí)施數(shù)據(jù)上變頻。如圖4所示。

3 仿真及結(jié)果分析

為驗(yàn)證上述零中頻IQ 調(diào)制方案的可行性，本文在WindowsXP 平臺(tái)下，使用Microsoft Visual C++構(gòu)建了干擾激勵(lì)器的原型，并對(duì)原型輸出的時(shí)間性能進(jìn)行了測(cè)試。

時(shí)間測(cè)試的目的是驗(yàn)證在Windows 平臺(tái)下使用通用計(jì)算機(jī)產(chǎn)生干擾激勵(lì)信號(hào)在時(shí)間上能否滿足需要：能否實(shí)時(shí)或準(zhǔn)實(shí)時(shí)的為上變頻器提供足夠的干擾激勵(lì)信號(hào)數(shù)據(jù)，從而確保干擾激勵(lì)器能夠連續(xù)有效的工作。

本文在Thinkpad T61筆記本計(jì)算機(jī)（CPU 主頻2.0GHz，內(nèi)存2G）上進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試信號(hào)調(diào)制方式為SSB，干擾基帶信號(hào)為計(jì)算機(jī)上存儲(chǔ)的wav 格式的語(yǔ)音文件，語(yǔ)音信號(hào)的采樣率為8000Hz，采樣精度為8bit（單聲道），測(cè)試結(jié)果如表1所示：

測(cè)試結(jié)果表明：當(dāng)一次生成的數(shù)據(jù)量小于等于1K或者大于等于512K時(shí)，生成干擾數(shù)據(jù)所需時(shí)間與對(duì)應(yīng)的信號(hào)時(shí)間之比明顯加大；而當(dāng)一次生成的數(shù)據(jù)量介于2K 到256K 之間時(shí)，生成干擾數(shù)據(jù)所需時(shí)間與對(duì)應(yīng)的信號(hào)時(shí)間之比基本恒定。由此可知：當(dāng)一次生成的數(shù)據(jù)量在2K 到256K 之間時(shí)從時(shí)間消耗上來(lái)說(shuō)是最經(jīng)濟(jì)的。另外由表1可知：產(chǎn)生數(shù)據(jù)所需時(shí)間明顯小于產(chǎn)生的數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的信號(hào)時(shí)間，表明本文所述的方案是可行的。

4 結(jié)語(yǔ)

本文在通用計(jì)算機(jī)平臺(tái)上，利用高級(jí)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種基于IQ 調(diào)制的零中頻干擾激勵(lì)器，并對(duì)其時(shí)間性能進(jìn)行了仿真分析，分析表明：當(dāng)合理設(shè)計(jì)生成數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度，可以很好的達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)，從而使得干擾激勵(lì)器可以生成連續(xù)干擾信號(hào)。

[1]李康順等，基于改進(jìn)DDS 技術(shù)的FPGA 數(shù)字調(diào)制器研究與實(shí)現(xiàn)，壓電與聲光，Vol.31 No.6，2009

[2]劉偉等，基于FPGA+DDS的信號(hào)源設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，微型機(jī)與應(yīng)用，Vol.29，No.18，2010

[3]王龍等，全數(shù)字調(diào)頻激勵(lì)器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，微型電腦應(yīng)用，Vol.27，No.9，2011

[4]王愛(ài)華等，數(shù)字調(diào)頻激勵(lì)器中的信號(hào)合成方法，北京理工大學(xué)學(xué)報(bào)，Vol.29，No.5，2009

[5]蔣正萍，調(diào)頻激勵(lì)器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，通信技術(shù)，Vol.43，No.09，2010