一種高效、靈巧的多通信信號產生方法

常 琪 ， 韓 煜 ， 黃雅崢 ， 王 飛

（1.通信信息控制和安全技術重點實驗室 浙江 嘉興 314033；2.中國電子科技集團公司第三十六研究所 浙江 嘉興 314033；3.解放軍93575部隊 河北 承德 067406）

在現代通信對抗裝備試驗中，只有在真實或者逼近真實的復雜戰場電磁環境下才能如實地檢驗出被測通信對抗裝備的實戰性能，從而為裝備的研制及部隊的作戰需求提供真實可信的技術依據。隨著新通信技術的快速發展、新的通信體制不斷涌現，真實戰場環境中的通信信號呈現出信號密度增加，常規、擴頻、跳頻和數據鏈信號并存的趨勢，戰場電磁環境變得愈來愈復雜。在這種情況下，用實體電臺來模擬戰場通信信號，不僅會浪費大量的人力、物力和財力，而且根本無法滿足新體制通信對抗裝備的試驗要求。因此，對模擬真實的戰場環境及兼容多種體制通信信號技術進行研究具有一定的現實性和迫切性。

通信信號戰場環境模擬作為通信對抗裝備試驗中不可或缺的組成部分，其功能取決于被測通信裝備及通信對抗裝備的試驗要求。文中通信信號產生方法具有通用性，其信號樣式靈活、參數可控，能夠根據不同戰術背景和試驗條件的要求，生成所需的瞬時寬頻段、多種信號樣式、大信號密度、動態可控的戰場背景信號環境和標準可偵測、可解調通信信號。

1 信號產生原理及結構

1.1 通用基帶數字正交調制

信號模擬產生方法的優點是易于產生多樣式、靈活可控、可重復的復雜信號環境。一般說來，信號產生不外乎兩種方法[1]。

一種是各路信號單獨用硬件產生，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，在通用計算機和信號處理板卡實現互操作，使用戶操作信號產生設備就像操作一臺自己專門設計的儀器一樣，在使用現場，能夠實時置入和動態修改參數。這種模式貫徹“軟件就是儀器”的思想，具有極強的靈活性和適應性，特別適用于現代愈來愈復雜的信號模擬應用場合。可以使得所產生的每一個信號的信息碼、信息格式、信號調制樣式、幅度、頻率偏移等參數均可實現靈活變化、實時可控。但其缺點是受硬件資源所限，所產生的信號不可能非常多。

另一種方法則是任意波形發生（AWG）方法，即直接由通用計算機軟件產生多路信號合成后的信號波形，利用硬件進行循環播放恢復出模擬信號。首先，用數學公式表示各類需要產生信號的波形，確定有關參數；然后，采用先進的算法計算出合成波形的數字流，將其存儲在FLASH介質中，在信號處理模塊的控制下，用適當的速率讀出，經上變頻、D/A變換后，即可得到所需頻率、相應帶寬的多路信號。它的主要特點是產生的信號密集、路數巨大、調制樣式多，幾乎不受硬件資源限制。信號產生統一模型可如圖1表示。

圖1 信號產生統一模型Fig.1 Unifiedmodel of signal generation

對于模擬調制 AM、FM，數字調制 FSK、BPSK、QPSK、DQPSK、OQPSK、π/4-DQPSK、GMSK、QAM 等，以及數據鏈LINK4A、LINK11、LINK16信號等，統一進行基帶建模，正交調制，生成I/Q基帶數據，數據率選擇為基帶信號帶寬的4倍。

在此信號處理平臺基礎上，根據各種信號的結構，編寫相應代碼，并通過腳本文件與人機界面相結合，即可實現各種通信信號的模擬。選取BPSK為例分析常規信號的產生方法[2]。

BPSK信號的數學表示式為[2]:

由上式可見，BPSK信號之帶寬約為:

而且當P=0.5，即+1，-1碼元等概出現時，PSK信號的功率譜密度中無離散譜。

圖2為matlab生成的BPSK信號，圖3為BPSK信號的頻譜圖。

1.2 . 基于片上系統（SoC）的軟硬件框架

利用Xilinx FPGA片內軟核處理器MicroBlaze，構建靈活的系統軟硬件框架，通過以太網（TCP/IP）與外部控制計算機相聯，DDR2作為緩存，AD9516-1產生時鐘、DAC5688實現A/D轉換輸出。FPGA片內構成框圖[3]如下。

圖2 BPSK信號的I路數據和Q路數據Fig.2 I-channel data and Q-channel data of BPSK signal

圖3 BPSK基帶信號的頻譜圖Fig.3 Spectrum of baseband BPSK signal

首先，控制計算機將IQ基帶數據傳送至DDR2中，同時將這些數據寫入Flash中作存儲；然后，啟動序號為0至9的某一個或多個通道，通過IPIF核發送通道號、通道使能、碼速率及幅度衰減、頻率偏移等控制字，此時DDR便會將IQ基帶數據搬送至10個通道的FIFO中，供后續信號處理使用。利用FIFO中almost full和 almostempty控制讀DDR的操作，使得每個通道FIFO的數據以60MHz的時鐘進行處理。

2 基于System generator建模的Farrow濾波器

利用Farrow濾波器可以實現任意數據率內插功能[5-6]，實現信號碼率平滑變化。基于多項式插值的公式為：

其中 x（m-i）為輸入樣本，y（m，μ）為輸出樣本，hi（μ）沖激響應函數為

將（2）式帶入（1）式，得到：

（3）式的系統框圖如圖5所示。

從圖中不難看出該系統基本都是由一些乘、加模塊構成，很方便利用 Sysgen 來建模，共需要（N+1）*（I+1）個乘、加模塊，直接可以利用DSP48計算模塊來實現；而bn（i）為固定的矩陣系數，在本設計中，bn（i）選取

圖4 FPGA內部結構圖Fig.4 FPGA internal structure

圖5 Farrow濾波器的系統框圖Fig.5 Block diagram of Farrow filter

3 實現結果

在本節中，將會介紹該信號模擬器的性能及測試結果。在此我們產生10路帶寬為200 kHz的QPSK信號，圖6和圖7分別為控制計算機下發指令的界面及在頻譜儀上觀測到的10路QPSK信號，信噪比優于40 dBm。

圖8為用89600S對其中一路QPSK進行解調的結果，從圖中不難看出信號解調結果比較理想，有著很低的誤碼率，滿足性能要求。由于篇幅的限制，測試結果不能一一列舉。

4 結 論

圖6 控制計算機下發指令產生10路QPSK信號Fig.6 Control interface of the signalmonitor

圖7 利用89600S采集到的10路QPSK信號Fig.7 10 channel QPSK signals acquired by 89600S

圖8 QPSK解調的結果Fig.8 Demodulated result of QPSK signal

本文提出了一種高效、靈巧、實時的多通道、多樣式的信號產生方法。該設計資源高效利用、樣式靈活多變、參數實時可控，然后對模擬器的FPGA內部結構及關鍵技術進行了分析。對于模擬現代復雜的戰場電磁[7]環境，具有很高的應用價值。

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