磁性天線數字化全向圖合成方案設計*

周思同 王永斌 李 亮

(海軍工程大學電子工程學院 武漢 430033)

磁性天線數字化全向圖合成方案設計*

周思同 王永斌 李 亮

(海軍工程大學電子工程學院 武漢 430033)

為了解決磁天線接收信號存在盲區的問題,提出一種可以用希爾伯特濾波器來完成的寬帶甚低頻水下通信全向接收新方法,完成數字化全向接收的理論推導。在未知信號載波頻率的條件下,可實現對信號進行寬帶移向,從而完成磁性天線數字化全向合成。仿真結果表明,設計方案合理可行,可用于寬頻帶信號全向天線的數字化合成。

全向天線; 希爾伯特濾波; Quartus Ⅱ; 寬帶移向

Class Number TN911.73

1 引言

磁性天線與電天線相比具有體積小、靈敏度高和抗干擾能力強的優點,使得其在無線電信號接收中得到越來越多的應用[1]。但磁性天線的方向圖是一個“8”字形,接收信號時存在明顯盲區。因此在實際使用中,通常采用兩根磁性天線,方向上互相垂直放置,再通過相應的信號合成電路來達到全方向上的接收[2～3]。使用模擬電路進行方向圖合成,電路相對簡單,但是存在調試復雜,移相精度不高等缺點。而數字信號方向合成電路規模小,數字移相精度高。

蔡櫻等提出用時延的方式使信號移相90°,從而實現甚低頻水下全向數字接收。而本文提出應用希爾伯特濾波器在未知信號載波頻率的條件,實現對任意載波頻率的信號進行90°的相位,最終通過軟件來完成天線全向接收功能。

2 全向磁性天線的方向圖合成原理

全向磁性天線基本原理如圖1所示。假設θ為來波方向與天線1的軸向夾角,天線的接收頻率為ω的信號。從天線1接收來的信號為Ucsinθsinωt,從天線2接收來的信號為Uccosθsinωt。可以看出,無論來波為哪個方向,則其中至少有一根天線可接收到信號,從而避免天線軸向的接收出現盲區。從兩根天線來的信號進入方向圖合成電路,把方向圖相互正交的“8”字形信號進行合成,輸出一路合成信號。這路合成信號是方向圖為圓形的信號。

單位抽樣響應h(n)為

(1)

其頻率響應為

(2)

則離散信號x(n)的離散希爾伯特變換可以表示為

(3)

但要注意的是,利用FIR濾波器實現希爾伯特變換將會使輸出信號延遲N/2(N為濾波器系數長度),因此利用延時器使兩路信號同步。

圖1 全向磁性天線的合成原理圖

3 Matlab輔助設計與仿真

用Matlab中的FDAtool可以快速、有效地設計希爾伯特寬帶濾波器,要求采樣頻率為400KHz,通頻帶為10KHz～190KHz,濾波階數為60,圖2為濾波器抽頭系數。圖3為濾波器幅頻特性。可以看出希爾伯特為全通濾波器,過渡帶陡峭。

圖2 濾波器抽頭系數

圖3 希爾伯特濾波器幅頻特性

如圖4所示,利用Simulink工具對信號進行合成仿真。頻率為50kHz,幅度分別為5和10的信號作為輸入信號,驗證對應的數據點是否滿足相位相差90°。仿真結果如圖5所示,信號1為幅度為5,頻率為50kHz的正弦波經過希爾伯特濾波器的輸出,信號2為幅度10,頻率為50kHz的正弦波經過30個單位延時輸出,經比較可發現信號1可以準確的移相90°,第三個波形為兩組信號相加的結果,即接收的是全向信號。

圖4 Simulink仿真

圖5 仿真結果

4 基于FPGA的方向圖合成功能實現

FPGA選用ALTERA公司CycloneII系列EP2C70F672C8芯片,門數資源非常豐富,可滿足目前絕大多數的信號處理硬件編程和控制能力。本設計采用Quartus Ⅱ軟件平臺下的VHDL硬件描述語言進行軟件編程,并通過quartus Ⅱ完成硬件的下載,測試,利用Signal Tap Ⅱ Logic Analyzer觀察硬件輸出波形。

4.1 時鐘分頻模塊

由于開發板自帶10MHz晶振,為了得到400KHz的時鐘信號,需要進行分頻。分頻原理及分頻系數的設定:通過鎖相環由10MHz晶振產生20MHz時鐘,再由20MHz分頻得到400kHz。20MHz與400kHz相差50倍,50/2=25,設定分頻變量為0～24即VARIABLE cnt: INTEGER RANGE 0 TO 24[5]。

4.2 信號發生器模塊

數控振蕩器NCO IP core具有附加的相位、頻率調制功能,滿足各種數字信號處理的需要,利用NCO設計采樣率為10MHz、頻率為50kHz的正弦波數字信號,經過400KHz的低速A/D采樣轉換成數字信號送入希爾伯特濾波器,另一路信號同樣經過低速率A/D采樣和30個時鐘周期的延時模塊。

4.3 寬帶移相濾模塊

利用數字信號處理IP(Intellectual property)Core設計濾波器,由于FDAtool計算出的值是一個有符號小數,而在FIR IP Core濾波器模型需要一個整數(有符號整數類型)作為濾波器系數[6],所以必須進行量化。把matlab生成的濾波器系數經過量化后導入FIR IP Core,量化后的濾波器系數如圖6所示。

圖6 FIR IP Core量化系數圖

4.4 采用FPGA的實現方案

圖7所示為NCO產生的正弦波進入數字信號合成器。圖8為全向天線數字信號合成原理圖。它由14位400KHz低速A/D采樣寄存器,鎖相環,分頻器,延時器,希爾伯特濾波器,14位加法器,14位400KHz低速D/A采樣寄存器七個模塊組成。

在Quartus Ⅱ中,用Signal Tap Ⅱ Logic Analyzer觀察希爾伯特濾波器移相情況。如圖9所示,第一路為NCO產生的采樣率10MHz,頻率為50KHz的正弦信號。第二路為信號經過400KHz低速A/D采樣的輸出并送入希爾伯特濾波器前的波形。第三路為數字信號經過希爾伯特濾波器移相輸出后的波形。可以明顯看出信號二和信號三發生90°的相位變化而頻率沒有改變。圖10為經過移相和延時的兩路信號經過14位加法器的輸出情況。第二路與第三路信號相加得到第一路信號。

圖7 FPGA仿真原理圖1

圖8 FPGA仿真原理圖2

圖9 Hilbert濾波器移相

圖10 兩路數字信號相加

由于濾波器通帶范圍為10KHz～190KHz,用FDAtool設計希爾伯特濾波器采樣率必須為濾波器截止頻率和通帶頻率之和的2倍,即400KHz。而A/D采樣速率要與濾波器采樣速率相等。與頻率為50KHz的信號相比,雖然400KHz的采樣率較低,但采樣之后的數字信號可以完整地保留原始信號中的信息。輸出的數字信號經過400KHz時鐘的D/A可以恢復出原始信號。

5 結語

實踐證明使用FDAtool設計濾波器,并在Simulink環境下仿真,利用現成的IP Core資源在FPGA器件上實現,提高了FIR濾波器的設計質量,加快了設計進度,驗證結果直觀明了。但如果天線信號小到微伏級別,目前還沒有如此靈敏的A/D轉換器可以直接抽樣而數字化,所以部分模擬處理必須保留[7～8]。

針對所提出的數字寬帶全向天線合成原理,應用Matlab和FPGA仿真技術,可以實現兩路頻率在10KHz～190KHz寬帶信號數字移向并相加。通過改變FIR濾波器的階數和濾波器系數,可以靈活設計實現不同頻帶寬度的磁性天線信號合成,可移植性較好。隨著各類數字信號處理的IP Cores的進一步完善,基于FPGA系統的應用會更加廣泛[9～10]。

[1] 羅建新,馮揚.潛艇通信天線技術現狀及發展趨勢[J].艦船科學技術,2008,30(增刊):19-22.

[2] M B 維施可夫[蘇].船用通信天線[M].北京:國防工業出版社,1983:32-35.

[3] 王芬,王永斌,謝慧.超低頻全向接收天線信號合成仿真分析[J].艦船科學技術,2008,30(1):157-159.

[4] 吳艷君.FIR希爾伯特變換器設計[J].科技信息,2012,27(1):110-111.

[5] 廖超平,鄧力.EDA技術[M].北京:北京理工大學出版社,2009:157-160

[6] 潘松.黃繼業.EDA技術與VHDL[M].北京:清華大學出版社(第3版),2009:370.

[7] 蔡櫻,張祖蔭,甚低頻水下全向數字接收機的研究[J].艦船電子工程,1999,19(6):38-42.

[8] 丁玉美,高西全.數字信號處理[M].西安:西安電子科技大學出版社,2000:20.

[9] 汪安民.DSP實用技術與開發案例[M].北京:人民郵電出版社,2008:1-404.

[10] 董亮,汪敏,高亦菲.基于NCO IP core的Chrip函數實現設計[J].集成電路應用,2009,11(5):58-61.

Digital Magnetic Antenna Omnidirectional Synthetic Pattern

ZHOU Sitong WANG Yongbin LI Liang

(Electronic Engineering College, Naval University of Engineering, Wuhan 430033)

According to the design of Matlab’s FDAtool analysis software, a Hilbert filter for 90 degrees phrase shift on the signal is designed. Combine it with another delay signal, so as to achieve the purpose of omindirectional receiving. VHDL language generated by signal compiler in the Quartus Ⅱ environment is compiled, the project is established, download to the hardware, and the hardware output waveform is observed by signal tap Ⅱ Logic analyzer. The simulation results show that the design scheme is feasible, which can be used for digital synthetic omnidirectional antenna.

omnidirectional antenna, Hilbert filter, Quartus Ⅱ, phase shift

2014年5月7日,

2014年6月11日 作者簡介:周思同,男,碩士研究生,研究方向:無線通信。王永斌,男,教授,碩士生導師,研究方向:艦船無線通信。李亮,男,碩士研究生,研究方向:無線通信。

TN911.73

10.3969/j.issn1672-9730.2014.11.029