（信息与通信工程专业论文）八通道阵列信号模拟器系统设计与实现.pdf

幽防科学技术人学研究生院学位论文 摘要 八通道无线电空间谱测向系统通过分析经过八路天线和接收机通道以后的中频信号 达到确定无线i u 信呼方向的目的。为进行浚系统的功能验证和性能测试，我们需要设计一 个八逝逝阵列嚣 呼模拟器。 本文从阵列信号的模拟原理出发构建了八通道阵列信号模型，并对该模型进行了仿 真验证。进分析i j l 声对信号模拟角度精度的影响，提出了模拟器系统设计中应遵循的一 些丛奉准则。然后分析系统需求，我们确定了八通道阵列信号模拟器系统的设计方案和体 系结 = ：，先成了摸拟器的p c b 扳设计、硬件 包路实现和驱动程序设计。最后对模拟器系统 的p i i 能进行了测试，分折了系统i 槲位误差对信号模拟角度精度的影响，并给出了解决办 划j ， 仡论文f 0 山盎j j 埘课题进行了总结，并指出了下一步研究方向。 关键词：阵列信q ，a d 9 7 8 6 ，f p g a ，模拟器 筘v 负 附防科学技术人学研究生院学位论文 a b s t r a c t b ya n a l y s i so ft h ei n t e r m e d i a t ef r e q u e n c ys i g n a l sw h i c ht h r o u g he i g h ta m e m l a ea n dr e c e i v e r c h a n n e j s ，e i g h tc h a n l l e l sr a d i os p a t i a ls p e c t r u md i r e c t i o n6 n d i n gs y s t e mc a nr e a c ht h ep u r p o s eo f f i n d i n gr a d i od i r e c t i o n t 0c o n d u c ts y s t e mv e r i f i c a t i o na n dp e r f o r m a n c et e s t ，w en e c d e dt o d e s i g na ne i g h tc h a n n e l sa r r a ys i g n a is i m u l a t i o nd e v i c e b a s e do nt h et h e o r yo fa r r a ys i g n a ls i m u l a t i o n ，t h i st h e s i sm a d eam o d e lo f e i 昌h tc h a m l e l s a r r a ys i g n a la n dc o n d u c t e ds i m u l a t i o n sa n dv e r i f i c a t i o n s t h e nt h et h e s i sa n a l v z e dn o i s e s i n f i u e n c co na n g l ep r e c i s eo f s i m u l a t e ds i g n a la n dg a v es o m e p r i m a r yp r i n c i p l e sw h i c hs h o u l db e f o l l o w c dmt 1 1 es y s t e n ld e s i g n a l s ow ed e c i d e dt h es c h e m ea n da r c h i t e c t u r eo fe i 曲tc h a r i n e i s a r r a ys i g n a ls i n l u l a t i o nd e v i c es y s t e mo nt h eb a s eo fs y s t e md e m a n da n a l y s i s ，f i n i s h e dt h ep c b b o a r dd e s i g n ， h a r d w a r ec i r c u i ti m p j e m e n t a t i o n ，d r i v e r d e s i g n f i n a l l yw em e a s u r e dt h e p e r f o r n l a n c eo ft h es y s t e m ，a n a l y z e dp h a s ee r r o r si n f l u e n c eo na t l 9 1 ep r e c i s i o no fs i m u l a t e d s j g n a la n dg a v et h es o j u t i o n a tt h ee n do ft h et h e s i sas u m m a r ya b o u tt h i st h e s i sw a s 百v e na n d 、v o r k si nt h ef u t u r ew e r c d r e s e n t k e yw o r d s ：a r r a ys i g n a l ，a d 9 7 8 6 ，f p g a ，s i m u l a t i o nd e v i c e 簿v j 死 国防科学技术人学研究生院学佑论文 图目录 2 1 阼列信号处理的系统模型4 陶2 2 信 j 模拟结构形5 h2 3i i ：变州制实脱机削6 | 冬】24 八通道阵列火线模型7 恻2 5 胁踏米波万向输入的信号模拟结构图8 劁26 理想情况- 卜j 的空间谱分御1 0 削2 7 多个二怍榭下入射信号源的空间谱分布1 l 2 8 信i ，模拟器后向通道噪声模型1 2 i 冬| 29 模拟肝向通道加性噪声刈解算结果的影响( s n r = 4 1 3 d b ) 1 2 旧：1 0 谈拟后m 迎逆舭r l 噪j j i 刈解算结果的影l u 叭s n r = 2 4 3 d b ) 1 3 h2 1l 模拟通通p 随机噪卢引起的不一致性造成的误差( d i f = o 1 ) 1 4 劁2 】2 十葵拟迎道； ，随秽【噪声引起的不一致性造成的误差( d i f o 2 ) 1 4 蚓3 1a d 9 7 8 6 的功能框图- 一1 7 削3 2d a n a c i 。k p l ll o c k 管脚输出1 9 3 3a d 9 7 8 6 输出和m o d c l k 之间的关系( 一) 1 9 3 4a d 9 7 8 6 输 和m o d c l k 之m 的关系( 二) 2 0 劁3 5 八通通阵列信号横拟器结构框图2 2 3 6 输入输模块2 2 h3 7c l bo s l i c e 结构图2 3 l 划3 ，8s l i c e 内嗣i i r 匀| | 幺1 i 构l 矧- - 一2 4 h3 9 八i l ! j 跗刊牛位洲1 ，f p g a 内部实现框图2 6 同31 0 八通道阵列依i ，i 5 j f 拟器结构框图2 7 h4 1f p g a p c i 接口模块实现框图3 l 劁4 2f p g a 和s d r a m 接口模块实现框图3 2 劁4 3s d r a m l ；j j 新和读写模块： 作流程图3 3 劁4 ，4 f p g a 和a d 9 7 8 6 接l 模块实现框图3 4 f d 防科学技术人学f 【j = 究生院学何论义 f 冬f4 5 、v i n d o w s2 0 。0 的系统结构图3 6 4 6u l i 动掣t u 卜年设符对琢的分层情况3 7 筘w 受 独创性声明 本入声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工f 及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文题目：通童隍到焦量搓塑墨丕统遮让皇塞垫 学位论文作者签名： 翘纽日期：? 脚r 年i 月纷日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定。本人授权 国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 文档，允许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的金部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书。) 学位论文题目：通童睦到焦曼搓丝墨歪统遮进生塞塑 学位论文作者签名： 商纽 作者指导教师签名 事蝎一 日期：z 年“月7 中日 日期：a 彳年，月，日 国防科学技术大学研究生院学位论文 第一章绪论 1 1 课题背景和意义 阵列信号处理是信号处理领域的一个重要部分，在近3 0 年来得到迅速发展，其中涉 及雷达、通信、声纳、地震、勘探、射电天文以及生物医学工程等众多军事及国民经济领 域。 阵列信号处理是将多个传感器设置在空间的不同位置组成传感器阵列，并利用这一阵 列对空问信号场进行接收和处理，目的是提取出阵列所接收的信号及其特征信息( 参数) ， 同时抑制干扰和噪声或不感兴趣的信息。阵列信号处理与一般信号处理方式不同，它主要 利用信号的空域特性来增强信号及有效提取信号空域信息。因此，阵列信号处理也常称空 域信号处理。与传统的信号处理方式相比，阵列信号处理具有灵活的波束控制、高的信号 处理能力、较强的抗干扰能力、较高的空阀超分辨能力等优点，因而受到人们的关注，与 此相关的研究工作不断发展深入，应用范围也不断扩大。同时，随着微电子技术、数字信 号处理技术、并行处理技术的迅猛发展，阵列信号处理的理论和实际应用也得到迅速发展。 本课题研究对象是八通道阵列信号模拟系统。该系统的设计和研制是为八通道无线电 空间谱测向系统服务的。八通道无线电空间谱测向系统通过分析经过八路天线和接收机通 道以后的中频信号来达到确定无线电信号入射方向的目的。 根据无线电空间谱测向原理，在工程实现阶段验证系统功能和测试系统总体性能需要 一个实际的天线阵列，这无疑增加了系统开发成本，延长了系统开发周期同时天线阵列 本身存在的噪声和各通路之间的不一致性对系统精度测试产生了不利的影响为了能够在 实验阶段验证无线电空问谱测向系统的功能和具体性能指标迫切需要有一个功能验证和 性能测试平台。因此如何在实验室环境下模拟阵列信号对于降低系统开发成本和缩短系统 开发周期，提高信号的可控性具有十分重要的意义。 1 2 国内外研究现状及发展趋势 随着计算机技术和当代微电子技术的不断发展，通信信号模拟实现技术有了新的发 展，并呈现出以下特点： 1 、系统向集成化、模块化方向发展。微电子技术的不断发展，使得单片芯片的集成 度不断增加、功能不断增强，特别是随着软件无线电技术的发展，出现了许多单片集成数 模转换、中频调制与接收功能的芯片。 第1 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 2 、仪器总线和计算机总线技术的广泛应用，极大地提高了数据交互的速度和系统性 能，同时增强了系统的灵活性、可操作性和实时性。 3 、近几年来，虚拟仪器技术不断地有了新的发展。虚拟仪器技术依赖软件通过计算 机来控制测试硬件，分析和提供测试数据。它为用户提供了一个用户界面友好、结构开放 的测试系统，彻底打破了传统仪器只能由生产厂家定义用户无法改变的局面，从而使得任 何一个用户都可以方便灵活地用鼠标或按键在计算机显示屏幕上操作虚拟仪器软面板的 各种“旋钮”进行测试工作，并根据不同的测试要求，通过窗口切换不同的虚拟仪器，或通 过修改软件来改变、增减虚拟仪器系统的功能与规模。虚拟仪器具有的这种“可开发性”和 “可扩展性”等特点使虚拟仪器在测试领域具有强大的生命力和竞争力。 总之，微电子技术和数字信号处理技术的发展为我们用数字技术来构建八通道阵列信 号模拟器系统提供了巨大的技术便利。如采用数字信号处理系统可以给我们提供巨大的灵 活性，具体表现在系统模拟的信号形式，信号参数等都可以通过软件方式设置实现。同时 由于克服了模拟系统中各种模拟噪声的影响，数字系统具有较高的系统精度，工作可靠性 较高，受环境温度、湿度和电磁干扰的影响相对于模拟系统小，具有可大规模集成、体积 小、功耗低等优点。 1 3 课题研究内容和结构安排 课题面向无线电空间谱测向系统的功能验证和性能测试需求，构建了一个八通道阵列 信号模拟器系统。该模拟器系统提供了对通信信号的不同调制方式，不同入射方向，不同 信号幅度，单个或多个入射源的阵列信号模拟功能。本文研究了八通道阵列信号的信号模 型，并根据信号模型构建了一种采用计算机总线技术和高速d a 技术的信号模拟硬件平台， 同时简单介绍了与此相关的p c i 设备驱动程序设计，并对系统性能进行了测试，给出了工 艺误差的修正办法。 本文的主要内容包括以下三个部分： 1 、阵列信号的模拟原理、建模、信号仿真及结果分析。该部分系统阐述了阵列信号 的模拟原理，构建了八通道阵列信号模拟模型，并对所构建的模型进行了仿真验证，同时 通过分析噪声对系统性能的影响，提出了设计中应遵循的一些基本准则。 2 、阵列信号模拟器的系统结构。根据八通道阵列信号模拟的原理和系统需求，确定 了系统大体框架，同时简单介绍了a d 9 7 8 6 的结构和工作方式，并通过对a d 9 7 8 6 实现功 能分析和f p g a 结构介绍，完成了对阵列信号模拟器的系统结构分析，并简要介绍了系统 各个部分的功能。 第2 页 国坊科学技术大学研究生院学位论文 3 、八通道阵列信号模拟系统的实现、性能测试和工艺修正。根据系统结构和总体设 计思路，完成了八通道阵列信号模拟器系统p c b 设计、硬件电路实现和驱动程序编写工作， 并对系统主要性能指标进行了测量和分析，给出了修正工艺误差引起的通道不一致性的办 法。 第3 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 第二章阵列信号的模拟原理和仿真 2 1 阵列信号的模拟原理 八通道阵列信号模拟器所模拟的是通信信号经过阵列天线和中频接收机之后的中频 信号。在一个理想系统中，考虑空间n 个远场窄带信号入射到空间某天线阵列上，其中阵 列天线有m 个阵元组成，这里假设阵元数等于通道数，即各个阵元接收到信号后经各自的 传输信道送到处理器，也就是说处理器接收来自m 个通道的数据。 信号源 阵元l i 兰兰! 卜一 匦 处 理 器 至 图2 1 阵列信号处理的系统模型 在信号源是窄带的假设下，信号可以用如下的复包络形式表示。 ( 2 1 ) 式2 1 中，置( ，) 为第i 个信号源入射到天线阵列的参照阵元l ，并经过通道l 后的信号， 墨o r f ，) 为第i 个信号源入射到天线阵上第，个阵元，并经过通道，之后的信号，m ( r ) 是 接收信号的幅度，妒( ，) 是接收信号的相位，是接收信号的频率，靠为第i 个信号源到 达第，个接收单元相对于参考阵元和接收通道的路径延时。在窄带远场信号源的假设下， f ( ，一) z 坼( f ) 1 妒( f 一) “妒( f ) ( 2 2 ) 第4 页 。 嘞 ，弦 川 靠o瓣 国防科学技术大学研究生院学位论文 根据式( 2 1 ) 和( 2 2 ) ，有式( 2 3 ) 成立： 最( f 一) 墨( f ) e 一执铀 i = l ，2 ，n ( 2 3 ) 可以得到第，个阵元接收信号为 而( ，) = g 以( f 一气) + 啊( f ) 1 2 l ，2 ，tm ( 2 4 ) l - 式( 2 4 ) 中，甄为第，个阵元对第f 个信号的增益与通道不一致性对信号影响系数，一( ) 表示第，个阵元在f 时刻的噪声，“表示第f 个信号到达第，个阵元和接收通道相对于参考 阵元和接收通道的延时。将肘个阵元在特定时刻接收的信号排列成一个列矢量，可得 五( ，) z 2 ( ，) ： 粕( f ) 鼠f 9 “g f j ”l g n f i ”m g j 帅g i g 毋煳n g * f ”。1 j m g f i ” j ( ，) 屯( f ) ： s ( f ) 上 啊( ，) 玛 ： ( ，) ( 2 5 ) 式( 2 5 ) 中2 “表示第f 个信号到达第，个阵元和接收通道相对于参考阵元和接收通道的 延时，该参数的数值与天线阵的几何分布和信号的入射方向角有关。因此由阵列信号处理模 型我们可以得出，在阵列信号模拟时可以根据入射信号方位信息，天线阵列空间几何分布 关系，天线波长等参数，并结合所要模拟的信号表达式给出一个阵列信号模型。设基带信 号墨= 4 p 一皿u 8 ，曰为信号的初始相位，q 为基带信号的角频率，a 为信号幅度。经过中 频调制之后的信号表达式为s ( ，) = 一p 。0 1 w ，国为调制的中频频率。以 丑( ，) = 4 p 一脚卅p 一作为入射信号源，并以第一个天线阵元和第一路接收通道作为参考的天 线阵元和参考的接收通道，经过阵列天线和接收通道之后的信号为彳p 咖o ”一1 + 朋p 1 叫， ，= 1 ，2 ，肘，表示该入射信号源到达第，个阵元和接收通道相对于作为参考的第一个阵 元和第一路接收通道的延时。从信号的数学表达式我们可以看出，阵列信号的模拟可以分 解成两个部分，一部分是与信号的入射方向，阵列天线空间几何分布以及信号形式相关的 部分彳e 山”，一w “，另一部分是只跟中频调制相关的部分口。w 。由此我们可以得出以图 2 2 的结构形式： 一 巨囝 囱 图2 2 信号模拟结构形式 第5 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 2 2 八通道阵列信号建模 上一节我们介绍了阵列信号的模拟原理，在本节将对八通道阵列信号进行数学建模。 随着当代通信技术的飞速发展，通信体制日新月异。目前常用的模拟调制方式主要有 灿、f m 、s s b 、c w 等，数字信号通信的方式也非常多，如a s k 、f s k 、m s k 、g m s k 、 p s k 、d p s k 、q p s k 、q a m 等等。 从理论上来说，各种通信信号调制都可以用正交调制的方法加以实现。 圈2 3 正交调制实现框图 根据图2 t 3 所示的结构。可以写出它的时域表达式 s p ) = ，( f ) c o s ( & ) + q ( f ) s i 翻：f ) ( 2 6 其中，碑为载波角频率，被调制信号的信息包含在i ( t ) 和q ( t ) 内。对式( 2 6 ) 进行数字 化，可得式( 2 7 ) ： s ( 力) = ，( 拧) c d s ( 刀吐q ) + q ( 竹) s i n ( ，z 哎c 略) ( 2 7 ) 蛾为采样频率的角频率。信号的调制模式、初始相位、幅度等由i ( n ) 和q ( n ) 决定。 不同通路相位之间的差异也通过i ( n ) 和q ( n ) 体现。在实际系统中我们使用八路圆形天线阵 列来检测入射信号方向，因此我们以八路圆形天线阵为研究对象建立信号模型，便于验证 算法和为系统设计给出一些具体的结论。 在前一节阵列信号的模拟原理分析中我们是通过研究信号源由于传输路径不同而导 第6 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 致入射信号到达天线阵不同阵元和接收通道的时间差来建立信号模型，本节中我们将研究 由于传输延时差异而导致的接收信号相位上的差异。 我们将图2 4 中心点记为d ，将信号通过的d 点的直线称为入射线，将八通道阵列天 线上各点在入射线投影得到的点记为见，4 表示该天线阵阵元与中心点的连线在入射线上 的投影，该阵元处接收的信号相位与天线阵列中心点处接收到信号相位上的差值与该投影 距离吐成正比，设信号入射方向与选定的天线阵水平方向夹角为以，以八通道阵列天线的 中心点口为相位参考基准，设信号波长为五，天线阵阵元数为，在图2 。4 中取数值8 ， 则可求出第n 根天线与中心点之间的相位差为： 肾警c o s ( 等吣) 删，1 ，7 图2 ，4 八通道阵列天线模型 ( 2 8 ) 根据第一节和本节的分析和结论可知在圆形天线阵列中八个天线阵元所接收的信号 2 t 月2 f 4 相对于天线阵列中心点信号相差了一个复系数阡_ ：p 一，：p 1 i 叫百喝。因此，我们可 以先根据信号的调制类型、幅度、初始相位等信息，给出八通道阵列天线中心点处信号表 达式，然后根据天线阵列的几何关系、入射波方向、波长等信息得出八个天线阵元处各自 的信号表达式。 根据阵列信号模拟结构形式和八通道阵列信号数学模型我们可以得到对两路来波方 向信号源模拟的结构，并可以将其推广到任意多路的情况。 第7 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 图2 5 两路来波方向输入的信号模拟结构图 图2 5 给出了八通道条件下两路来波方向信号模拟结构方式。第个来波方向角的基 带信号到达天线阵列中心点后经过八个与来波方向、波长、天线阵半径等因素相关的相位 调节单元，从而实现对八路信号相位的调节。同时第二个来波方向角的基带信号到达天线 阵列中心点后也通过八个与该来波信号方向、波长、天线阵半径等因素相关的相位调节单 元，实现对八路信号相位的调节。在具体实现上使用乘法器实现八路信号相位的调节。两 个来波方向的基带信号经过相位调节单元之后经过八个加法单元，再通过八个中频调制单 元实现信号的中频调制。对于采用任意多路来波方向的信号模拟都可以通过相类似的结构 实现。 2 3 阵列信号仿真和结果分析 根据前两节的介绍，本节我们给出了一个具体形式的基带八通道阵列信号。通过对该 信号的分析可以验证信号模型，进行结果分析，并为系统设计得出一些基本结论。下面我 第8 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 们以一个简单的调频信号为例进行验证和分析工作。 调频是载波的瞬时频率随调制信号成线性变化的种调制方式， 表达式可以写为 联，) = 彳( c o s ( 句+ - f 廖) ) 将式( 2 。9 ) 展开并化简可得 单音调频信号的数学 ( 2 9 ) s ( ，) = 一c 。s ( 哝r ) c o s ( 。c ( ，) 出) 卅s m ( 峨f ) s i n ( _ f ( ，) 出 ( 2 1 0 ) = c o s ( q f ) c o s o 一彳s i n ( q r ) s i i l m 式( 2 9 ) 和式( 2 1 0 ) 中，吐为载波角频率，( f ) 为调制信号，r ，为调制系数，0 为信号 幅度。 m 2 0 i ( ，) 讲 ( 2 1 1 ) 由式( 2 9 ) 和式( 2 1 0 ) 可以看出，在实现f m 时要对调制信号进行积分，然后对这积分后 的信号分别取正弦和余弦。因此，在正交调制实现时只需令 印) 2 c o s 巾 ( 2 1 2 ) q ( ) 2s i n m ( 2 1 3 ) 就可以实现信号的正交调制。 为简单起见，我们考察调制信号为单音信号的情况。假设我们所模拟的信号是一个单 音信号( ，) = s i n ( q f ) ，调制方式为频率调制( f m ) 。则输入到天线阵列中心点的信号i 、 q 两路信号可以写成如式( 2 1 4 ) 形式。 篡三鬻： g t 9 ( ，) = s i n 沏，s i n f ) 、 式( 2 1 4 ) 中朋，= 七，q 为调制指数。 前面我们提到可以采用正交调制方式实现对通信信号的调制，并根据前两节对八通道 阵列信号的分析可以写出第疗个阵元的信号的复信号表达式为 一j 竽叫冬轨) 【，( ，) + _ ，q ( f ) p “ = 8 ，九= o ，l ，7 ( 2 1 5 ) ：凄霉= 辜鬻亿t 回啪户m ) s i n ( 警c o s 譬+ 巳) ) + q ( f ) c o s ( 等c o s 等) ” 第9 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 为了m a t l a b 上仿真计算的需要将式( 2 1 4 ) 中i ( t ) ，q ( t ) 两路数据数字化，并截取数个完整 的正弦周期得到式( 2 17 ) ，( f ) 。c 0 3 ( 研+ 5 m ( 2 万+ m p b r 如d + f d 醐吐8 豫珐) ) f 2 1 7 ) 姒f ) = s l n ( 疗+ s l n ( 2 石m p e r j o d f ，上k 唾a l p 哪) ) 。 其中i 的取值为从o 到d 口，础e 粥帅一l ，小，为信号调制指数，m 一妒耐为截取的正 弦信号完整周期数，d 醐吐甜留 为信号采样点数。将式( 2 1 7 ) 代入式( 2 1 6 ) 可得在八通道阵 列天线的第开个阵元处的信号表达式为： ：c 。s ( 喇2 万一一删j d 砒p 嘶) ) c o s ( 掣c o s ( 等+ 吃) ) “州s i n m 一州砌砒s 岖等c 。等删 啪卜c o s ( 吣i 吻一脚d j ，伪眦明如譬s 等+ 吒) ) 一 侧吣i n ( 2 砌一础纠及眦删c o s ( 等等+ 吃) ) 在理想情况下，即不考虑八通道阵列信号模拟系统中存在的热噪声，通道不一致性干 扰和数据量化引起的量化噪声，我们考察并验证我们所给出的信号模型。 任意选取我们所要模拟的一个角度，如3 0 8 度，选定式( 2 1 8 ) 中各个参数- = o 0 1 ， 州一p p d d = 1 0 ，阢砒b 倒 = 3 2 7 6 8 ，天线半径与波长比昙为o 1 ，得出八个通路信号表 达式，应用阵列信号方向解算算法，可以得到解算的角度结果为3 0 8 度，其空间谱分布如 图2 6 所示，图中横坐标为信号角度： 第1 0 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 图2 6 理想情况下的空间谱分布 通过上面的验证我们可以得出第二节中所建立的八通道阵列信号模型可以很好的模 拟出单个入射信号源的信号，同时信号具有很高的角度精度。下面我们对多个不同入射方 向的非相关入射信号源进行模拟，考察验证我们所建立的信号模型对多个不同入射方向的 非相关入射信号源模拟的适应性。 取方向角3 l 度和方向角8 9 度的两个非相关信号源。在具体模拟中，我们取第一个方 向的信号采用调频方式调制，来自第二个方向的信号采用2 a s k 方式调制，模拟所得到的信 号通过阵列信号方向解算算法解算之后，得到解算结果分别为3 l 度和8 9 度，空间谱分布 如图2 7 所示，图中横坐标为信号角度： 图2 7 多个非相干入射信号源的空间谱分布 由模拟结果我们可以进一步得到我们所采用的八通道阵列信号模型可以很好的模拟 出来自不同入射方向的非相关信号源。 下面我们研究一下引入噪声之后信号方向解算结果并进行分析。讨论一下在八通道阵 列信号模拟器系统设计中所需要注意的环节。在信号调制、空间传播和进入接收机通道过 程中，由于各种因素的影响，产生了对信号的噪声干扰。这种噪声主要表现为信号模拟的后 向通道噪声如图2 8 所示。 第1 1 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 图2 8 信号模拟器后向通道噪声模型 在通常情况下我们可以认为这种噪声为服从高斯分布的随机噪声。考虑到我们所采用 的阵列信号方向解算的m u s i c 算法精度，取模拟角度为1 5 8 8 度，各通路的信噪比s n r = 4 1 3 d b ，取式( 2 1 8 ) 信号形式和参数设置，代入m a t l a b 方向解算程序可以得到角度结果为 1 5 8 8 度，其空间谱分布如图2 9 所示，图中横坐标为信号角度： 图2 9 模拟后向通道加性噪声对解算结果的影响( s n r q 1 3 d b ) 当取各通道的s n r = 2 4 3 d b 时，得到的解算结果为1 5 8 2 度，其空间谱分布如图2 1 0 所示，图中横坐标为信号角度： 第1 2 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 图2 1 0 模拟后项通道加性噪声对解算结果的影响( s n r = 2 4 3 d b ) 出此可见后向通道加性噪声对测向结果有着不良影响，随着信噪比的降低所模拟的 信号会偏离原来的设计结果。 除了这种后向通道加性热噪声之外，在实际八通道阵列信号模拟器中，由于通道中随 机噪声会导致信号相位发生随机抖动，这种随机的通道不一致性引入因素较多，如d a 输 入端差分时钟信号抖动导致中频信号相位的随机抖动和器件温度漂移等等。这种由于通道 中噪声引起的信号相位的随机抖动我们可以通过在信号模型中加入一个随机指数项来模 拟，如式( 2 1 9 ) 所示，其中矿为服从高斯分布的随机噪声。 【m ) + ，q ( ，) p j 等州等训p 耐， ( 2 1 9 )【，o ) + 旭( ，) p “ p 州9 ( 2 1 9 ) ，( 0 = c 。3 ( 用f + 8 i n ( 2 石+ 所一p p ，如d + f ，d 口础。硼肪) ) 佗- 2 q ( ，) = s i n ( 坼+ s i n ( 2 万幸m p 盯f 耐+ j ，d 口砒e 甥肪) ) 、。 m ，为信号调制指数，肼一俨砌d 为截取的正弦信号完整周期数，d 口砒e 他叻为信号采 样点数，矽为调节通道不一致性大小的参数。选取参数所，= o o l ， m 一，f d d = 1 0 ， d 口f 以p 月 = 3 2 7 6 8 ，天线半径与波长比妻为o 1 ，哦，= o 1 ，妒为服从( o ti ) 高斯分布的 随机信号，模拟的角度为1 5 8 8 度。生成八路通道的基带信号数据并经过阵列信号处理的 舢s i c 算法解算得出结果为1 5 8 8 度，空间谱分布如图2 1 1 所示，图中横坐标为信号角度 的十倍值。 第1 3 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 图2 。ll 模拟通道中随机噪声引起的不一致性造成的误差簿卢o 1 ) 可见当由噪声引起信号相位随机抖动较小时，模拟出的信号方向与理论数值吻合程度 很高。 当选取d i 卸2 时解算得出的结果为1 5 8 7 度，空间谱分布结果如图2 1 2 所示，图中横 坐标为信号角度的十倍值。 图2 ，1 2 模拟通道中随机噪声引起的不一致性造成的误差( d i 卢o 2 ) 第1 4 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 经过仿真实验我们发现这种由于通道中随机噪声而引起的信号相位抖动越大，所得出 的结论离理想的模拟结果越远。 由本节对八通道阵列信号模拟器后向通道噪声和由于通道随机噪声引起的信号相位 抖动对信号方向模拟结果分析，可以得到后向通道噪声和通道随机噪声引起的通道不一致 性对八通道阵列信号模拟器角度模拟精度的提高有着很重要的影响。这就要求我们从系统 的总体方案设计开始，对系统结构进行优化设计，努力减少模拟器系统后向通道噪声和由 于各种因素引起的信号相位上的抖动。具体表现在可以采用以下的方法或者说准则： l 、为了减少后向通道噪声我们采用较高的d a 数据位数、提高信号幅度，采用低噪声 器件和抑制噪声技术，提高信噪比。 2 、采用高稳定度的时钟信号，如采用高稳定度的晶振就比采用l c 振荡器产生的本地 振荡时钟稳定度高。我们在设计时就可以采用数字方式产生中频本振时钟而不用模拟方 式，同时采用温度漂移较小的电路芯片也有助于减少各路之间的通道不一致性。 第1 5 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 第三章阵列信号模拟器的系统结构 3 1 系统需求 根据设计需要，阵列信号模拟器面向的对象是基于八通道圆形天线阵的无线电测向系 统。该测向系统通过接收和分析经过八个天线和接收机通道以后的中频信号达到确定无线 电信号入射方向的目的。测向系统对入射信号方向的角度分辨能力要求较高，具有对多种 调制模式通信信号适应能力，具有很好的对多信号源的分辨能力。这就要求我们所构建的 八通道阵列信号模拟器系统具有较高的角度模拟精度，能够满足对多种调制信号，单个或 多个入射信号源的模拟要求。具体系统所要模拟的是中频频率为l 卟仍z 的通信信号。 根据以上系统功能需求分析，系统应该满足以下要求： l 、具有较高的适应能力 系统要求能够实现对当前各种通信体制、中频带宽、幅度等无线电信号的测向工作 因此要求我们所设计的八通道阵列信号模拟器系统必须具有对各种通信体制、中频带宽、 幅度的适应能力。 2 、具有中频调制和相位同步功能 无线电空间谱测向系统接收的是中频信号，这就要求我们的八通道阵列信号模拟器系 统必须具备中频调制能力，同时由于测向系统是通过测量入射信号到达天线阵列的不同相 位来确定信号方向，因此要求信号模拟器系统的中频调制相位必须保持高度一致，这对中 频信号的稳定性提出了较高要求。 3 、具有较高的信号模拟精度 为了满足测向系统精度测试的要求，要求所模拟出的信号具有较高的角度精度，这要 求八路通道之间的信号相位可以精确调节。 根据系统功能需求分析及阵列信号模拟原理我们首先确定系统的构成。由于直接数字 中频调制技术已经比较成熟，市场上这类芯片比较多，价格也相对比较合理，同时直接数 字中频调制具有频率稳定度高等优点我们确定采用直接数字中频调制方式。采用直接数字 中频调制方式需要将基带信号数字化，这种方式克服了模拟信号易受干扰的缺点，有利于 提高信号模拟的角度精度，同时采用这种数字化方式便于结合计算机技术解决所模拟的通 信信号形式和带宽多样性需求。同时为了满足高的信号方向精度的需要，要求八通道阵列 信号模拟器系统中各路信号相位精确可调，需要采用复信号形式，还需要有相位同步机制。 在具体芯片选型中我们选用了a d 公司出品的直接中频调制和数模转换芯片来实现直接中 频调制，同时为了实现灵活的接口控制，缩短系统开发时间我们使用f p g a 作为接口控制 单元，下面将对其分别进行介绍。 第1 6 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 3 2 a d 9 7 8 6 介绍 在上一节中我们分析了系统需求并根据需求确定采用a d 9 7 8 6 作为直接数字中频调制 和数模转换模块。在本节我们介绍一下a d 公司出品的带中频调制功能的d a 转换器 a d 9 7 8 6 。 a d 9 7 8 6 是a n a l o gd e v i c e 公司开发的一款面向g s m 。c d m a 2 0 0 0 和w c d m a 基站 应用，基于c m o s 工艺的带有参数可调、数据内插功能和信号处理特征的1 6 b i t 高速、高 性能数模转换芯片。该芯片集成了数字中频调制模块和希尔伯特变换器，提供了方便的带 宽设置和可选的边带抑制功能。可选的数据内插滤波器简化了对不同输入数据率数据输入 的应用，同时也利用了过采样性能增益。芯片中提供的两路数据通道可灵活的配置成一路 或两路输入，实部或虚部输出。灵活的时钟接口可以允许输入一系列输入类型时钟，如1 v p p 正弦波，c m o s ，【p e c l 电平信号，同时还有单端和差分两种输入方式。内部的时钟 模块可以产生所需要的数据接口时钟频率。a d 9 7 8 6 同时提供了支持单端和差分应用的差 分电流输出，满量程电流可达1 0 i i a 到2 0 m a 。该产品还拥有一个串行的控制接口提供了 方便的参数设胃功能，可以根据用户的需求通过对内部寄存器的操作选择使用不同的应用 模式。 3 2 1a d 9 7 8 6 结构 f u n c 玎o 擞tb l o c kd 执g 删 图3 1a d 9 7 8 6 的功能框图 由图3 1 可见该芯片具有以下特征：1 6 b i t 分辨率，提供了较高的数据精度；可选的2 x ， 第1 7 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 4 x ，8 x 内插滤波器，可以灵活设置滤波参数；可选的。，2 ，f 0 。4 ，k ，8 调制模式， 中频调制频率可选；两个输入数据通道，在具体的应用中可以灵活的配置；直接中频变换， 具有较好的频率稳定度；串行控制接口，方便于芯片功能参数设置。 a d 9 7 8 6 拥有灵活的时钟模块，包括一对差分d a c 时钟输入管脚和一个功能可选的 d a r a c l k p l ll o c k 管脚。用户可以根据a d 9 7 8 6 工作模式来灵活的配置 d a l 隗c l p l ll o c k 管脚功能，它既可以是输入数据时钟，也可以是输入调制同步时钟， 可以是输出数据时钟，也可以是输出调制同步时钟，可以完全根据用户的需求设定定； a d 9 7 8 6 提供了一系列的模式控制寄存器，通过串行控制接口对这些模式控制寄存器的操 作，用户可以灵活的选择a d 9 7 8 6 的工作模式和进行其他参数的设置。 3 2 2a d 9 7 8 6 的工作模式 a d 9 7 8 6 的所有工作模式设置都通过串行控制接口对内部控制寄存器的写操作来实现。 a d 9 7 8 6 根据具体应用不同可以工作在不同的工作模式下，包括d a = i a c l km 鲴i c r 模式， m o d u la _ t o rm a s t e r 模式，e x t e m a ls ”cm o d e 模式，d 嘲r a c l ks l a v c 模式，l o ws e t u 叫 o l d 模式和m o d u l a t o rs l a v e 模式，分别对应于d a r a c l l 卯l ll o c k 管脚作为输出数据时钟 管脚，d a r a c l ，卯l ll o c k 管脚作为调制同步时钟输出管脚。d a c c l k 和外部数据 同步输入管脚，d a r a c u l ll 0 c k 管脚作为输入数据时钟管脚， d 觚a c l l ll o c k 管脚作为同步数据时钟输入管脚，d a r a c l l ( p l ll o c k 管脚作 为调制同步时钟输入管脚。 在实际应用中面临的大部分情况是两片或多片应用的情况。在这种a d 9 7 8 6 被用来合 成多数据通路的应用场合中，确保输入到a d 9 7 8 6 的数据被多片a d 9 7 8 6 同步锁定是十分 必要的。同时在复信号的处理应用中，数字相位的调节也是为两片a d 9 7 8 6 工作所需要的。 为了满足数据同步和相位合成的需要，必须只能有一个a d 9 7 8 6 被配置为主模式器件，或 者也可以是其他器件作为主模式器件，为其他配置成从模式的a d 9 7 8 6 提供一个参考时钟。 在同步使用过程中，作为主模式器件输出参考时钟的管脚和从模式下a d 9 7 8 6 的 d a r a c l l 0 ，p l ll o c k 管脚必须直接相连。所有的主模式和从模式a d 9 7 3 6 都必须使用同 一个差分时钟源。 当a d 9 7 8 6 被配置成主模式器件时，生成的参考时钟有两种模式：d a r a c l km a s t e r 和m o d u l a t o rm a s t e r 模式。在这两种模式下d a t a c l l ll o c k 管脚都是作为时钟输出 管脚使用的。a d 9 7 8 6 的默认工作模式是d a l a c l km a s t e r 模式。在该模式下，差分时钟 输入脚( p i n 5 ，p i n 6 ) 作为d a c 的采样时钟输入。d 觚a c l 聊l l - l o c k 管脚被作为同步数 据输出时钟管脚使用，输出是输入差分时钟除以内插倍数。在m o d l | l a t o rm a s t e r 模式下 d a l a c l k p l ll o c k 管脚输出的是一个输入差分时钟经过1 6 倍分频之后的方波。图3 2 给出了在m o d u l a t o r m a s t e r 模式和d a l r a c l k m a s t e r 模式下d a 隗c l k ，p l ll o c k 管脚的 第1 8 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 输出。图中最上面的信号是输入的差分时钟信号，中间是m o d u l a 幻fm 笛t e r 模式下 d a l l a c l ，l l l o c k 管脚的输出，下面是d 嘲r a c l km a s t e r 模式下 d a r a c l 舯l l l o c k 管脚的输出( 4 x 内插) 。 n kl u n ：c 5 ，。竺! ! ! 孽! 一一 1 q 帆栅m 肌肌雎嗍咖内 ：。一：一一i 二。一l 。一j ：； 一一一_ 一 j ；6 i 一! ；厂 。三闺二三：f i ：一- r 2 - 2 j ：霸 图3 2d a l 队c l k 伊l ll o c k 管脚输出 m o d u j a t o rm a s l e r 模式和d a t a c l km t e r 模式下 工作在m o d u l a t o rm a s t e r 模式下的a d 9 7 8 6 内部有一个工作在d a c c l k 时钟频率拥 有1 6 个有限状态的状态