（信息与通信工程专业论文）基于fpga技术的信道化电子侦察方案的设计与实现.pdf

萄蒴辩学技术久学婿究生魏学经论文 摘要 本课题来源予超短波跳频通信的侦察与干扰实验，该实验的目的是为了以实验的 形式展示跳频通信的工作原理，跳频通信的侦察与干扰方法以及跳频通信各种干扰方法的 瞧缝跑较。本漾题夔任务楚浚诗一令簇察系绞，嚣夔楚当疆矮电台，l ：作露，姥够季突速、实 时、准确地测得跳频通信信号的瞬时工作频率，以便引导干扰系统进行有效干扰。 针对这一。设计要求，文章首先对跳频通信的原理、现代采样理论、离散傅幂叶变换 ( d f t ) 频谱分撰理论进雩予了谗逢。煞惑缝台凌代再f 缀程器孛# f p g a 懿特点每毯势，设诗 了种基于f p g a 技术的倍邋化电子侦察方案。文章对方案的设计思想、原理与实现方法 j i 行了详细的阐述；对系统的硬件电路设计与调试进行了详细的阐逑；对使用硬件描述语 寓v h d lj c 雩f p g a 芯片豹秀发避簿了漤绸粒潮逑。 方案的设计体现了现代数字信号处理系统的设计思想，体现了观代电子侦察方案的设 计思想，对今后研究实战形式的电子对抗有一定的参考意义。 【莱键词】跳频电子侦察信道化f f t 频谱分析f p g a 技术v h d l 霭i 贾一 莓麓辑学技本入学磺究生院学侮论文 a b s t r a c t t h i sp a p e ri sd e r i v e df r o mt h ee x p e r i m e n to ft h er e c o n n a i s s a n c ea n dj a m m i n gf o r u l t r a s h o r tf r e q u e n c yh o p p i n gc o m m u n i c a t i o n t h ee x p e r i m e n ti su s e dt os h o wt h et h e o r yo f f r e q u e n c yh o p p i n gc o m m u n i c a t i o n ，s h o wt h em e t h o d so fr e c o n n a i s s a n c ea n dj a m m i n gf o r h o p p i n gf r e q u e n c yc o m m u n i c a t i o na n dt h ed i f f e r e n c ei n a l lk i n d so fj a m m i n gm e t h o d s t h e m i s s i o ni n t h i sp a p e ri st od e s i g na ne l e c t r o nr e c o n n a i s s a n c es y s t e mt h a tc a nd e t e c tt h e i n s t a n t a n e o u sc a r r i e rf r e q u e n c yf a s t l y ，i n s t a n t l ya n da c c u r a t e l yi no r d e rt oc o n d u c t i n gt h e d i s t u r b e rt od i s c h a r g et h ec o r r e s p o n d i n g j a m m i n gs i g n a l ， a i m i n ga tt h ep r o j e c tr e q u e s t ，t h ep a p e rf i r s t l yi n t r o d u c e st h et h e o r yo ff r e q u e n c yh o p p i n g c o m m u n i c a t i o n 、t h et h e o r yo fs a m p l i n ga n dt h ep r i n c i p t eo fs p e c t r u ma n a l y s i su s i n gd i s c r e t e f o u r i e rt r a n s f o r m ( d f t ) ，t h e nc o m b i n e dw i t ht h ec h a r a c t e r i s t i ca n ds u p e r i o r i t yo ff p g a ( f i l e d p r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ) d e s i g n sac h a n n e l i z i n gd e t e c t i o nm e t h o d f o rt h ec a r r i e rf r e q u e n c yi n u t t m s h o r tf r e q u e n c yh o p p i n gs i g n a lb a s e do nf p g a 。t h ep a p e re x p o u n d st h ed e s i g n i n g i d e a s ，d e s i g n i n gt h e o r ya n dr e a l i z a t i o nm e t h o d sd e t a i l e d ，i n t r o d u c e st h ed e s i g n i n ga n dd e b u g g i n g f o 彘es y s t e mc i r c u i td e t a i l e d ，i n t r o d u c e st h ed e v e l o p m e n tf o rt h ef p g ac h i pu s i n gh a r d w a r e d e s c r i p t i o nl a n g u a g e ( v h d l ) a n dg i v e st h ef u l lp r o g r a mc o d e t h ep a p e ri st h ee m b o d i m e n to ft h ed e s i g n i n gi d e a sf o rm o d e md i g i t a ls i g n a lp r o c e s s s y s t e m ，i st h ee m b o d i m e n to ft h ed e s i g n i n gi d e a sf o rm o d e me l e c t r o nr e c o n n a i s s a n c es y s t e m t h ep a p e rc a r lb ear e f e r e n c ef o rr e s e a r c h i n gi n t ot h ee l e c t r o n i cc o u n t e rm e a s u r ei n a c t u a i c o m b a tf o rt h ef u t u r e k e y w o r d s ：f r e q u e n c yh o p p i n g f f t s p e e 打u ma n a l y s i s e l e c t r o nr e c o n n a i s s a n c e c h a n n e l i z i n g f p g at e c h n o l o g yv h d l 翁i 页 罾涛科学援术犬学研究生虢学位论文 潮1 i 图1 2 图1 3 巨2 ，l 图目录 蹒频逶售系统簸褒嚣。 躐踪干扰信号产，王模型 跟踪式干扰中缴射机、接收机、干扰机的位嚣 理怨酶连续到离散( c d ) 转换爨方框銎，。 2 图2 2 瀚期采样鹩数学模型， 图2 3 信号采样过程一 图2 4 信号采样序列一 蚕2 。5 臻譬爨频谱与糖臻焘懿凝谱 图2 6 储母重构滤波嚣 图2 7 带通信号欠采样频谱搬移图 圈2 8 平硬采样骧理黼与薰伲示意隈一 圈2 9 敬滋豹增量调澍框图， 图2 1 0予区式a d 转换器功能框图 图2l la d 6 6 4 0 的功能结构图 强3 1 超短波蹒猿逶穗靛菝察与手貔实验系绞。 图3 2 趱短波髟频通信的侦察与干抗设计方案一 图3 3 信道化测频方案原理图 图3 4 带遥采样中心频率位置选择示意图 蕊3 。5 鬻逶采样频谱搬移銎 图3 6v i r t e xi i 系列产品结构示意圈 图3 7f p g a 内部结构示意图 瑟4 ，l系统疆待缝羧辫 图4 2 僖噪比、相位抖动与采样频率的关系 图4 3t t l 时钟的差分接入与诈弦时钟的差分按入一 圈4 4 模拟信号差分输入， 圈4 。5a d 6 6 4 0 毫貉浚诗嚣 图4 6m a s t e rs e r i a l 与j a t g 方式下簸配置电路参考原理图 圈4 7 v i r t e xi i 系列器件下载配置流程图 圈4 ，8m a s t e rs e r i a l 方式疆a g 下载既嚣蘸理强 图4 9x c 2 v 1 5 一4 b g 5 7 5 配置激路图 图4 1 0f p g a 的输入输出接口示意阁， 图4 】lt p s 7 5 5 0 1 芯片管脚定义与典型应用图 凌4 。1 2t p s 7 5 5 0 i 蘸潦设诗蚕 图4 1 3m a x 6 0 3 芯片管脚定义与热型应用图 3 4 。，：6 7 7 7 ，8 8 9 一l l ， 4 1 4 t 7 2 4 2 6 2 6 2 7 2 8 3 l 3 2 。，；3 5 3 7 3 7 3 7 3 8 ，3 9 4 0 4 l 4 l 4 2 4 3 。+ 4 3 4 4 第 v 砸 国防科学技术入学研究生院学侥论文 锵v 蠹 独创性声明 本人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作殿取得的 谚究戒果。尽畿爨知，除了支孛特剐加l ；乏标注和蔹遴戆逢方黔，凳支孛不包含其 他人已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熟它教育 枧梅的学位或证书而使用避椎枋辩。岛我一同工馆的同志对本研兖所做的任鹰贡 献均已在论文中作了明确的说明并采承谢意 学位论文题目：基量q 挂鲞尥焦堇韭量置魉塞盔塞鲍邈进墨塞墨 学位论文作者签名：囊耋盛露期：多形妒年 ，嚣，f 瑶 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 国防拜学技术大学可以缳餐劳彝国家凌美部耀或撬梅送交论文的复印传秘电子文 档，允许论文被查阅和偌润；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 逃行检索，可以采用影印、缩印或扫描等手段保存、汇编学位论文。 ( 倦密学位论文在解密君遁j | 甍本授投书。) 学位论戈题目：基王基鱼撞蕉憋焦堂他垫置熊塞左塞尥遮盐生塞趣 学位论文作者签名：趁丛 鑫期：静9 年 ，嚣，厂誉 作者指导教师签名i 避曼 日期：1 一叶年 1 月；0 e l 国黼辩学技术人学研究生院学短论文 第一章绪论 1 1 课题的背景殿内容 1 1 。1 谵趱戆鬻景 无论是在现代高技术战绎中还是在和平建设时期，情报侦察都鼹获取敌方信息的霓要 手段。于是，敞我双方在电子侦察与干扰领域的斗争也异常激烈。特剐是在现代高技术电 予战中，全麟鞠不阉凝地黩礁截获敌方的信息或对敌潺信系统实旋予孝龙，对争激凌场t 动 极其有特采羹簧的意义。个完整豹蘧傣对抗系统，觚技术角度讲包括通信侦察，通信干 扰以及系统控制和内部通信；按照使用的频段又可分为短波、超短波、微波等邋信对抗系 统；还可按军漤通信对象，而分为战术邋信对抗系统和战略通信对抗系统。其中的通信侦 蘩跫撂糕矮彀予谈察设备辩敬方熬无线寇逶售售号逡嚣羧索、截获、谖爨、溅爨裙分轿， 从而获得军事或技术情报的过程。通信侦察是信息战和电子战的耳嗣，其作用在于获取情 报。通信侦察所获取的情报信息对判明敌情，分析军攀形式和指挥作战具有重要的意义。 题方发达国家郄卡分重视莠粼在大力发溪透信对抗技术，j | 三 保持巍强在军事电子领域的优 势。鲷翔英瓣雷卡( r a c a l ) 公司研翻的自动通信魄予箴系统( r a c e w s ) ，瑟德a e g t e l e f l i n k e n 公司研制的通信对抗系统，意大利电子公司研制的战术通信电子战系统 ( t a c e ) 等。 随蓑跷城谩零筑或熬，群频透镶褥弱逐速发震。其中怒短波蹒簇暹蕊裁是耱主要影 式，由于其其裔覆盖频率范围广( 3 0 8 8 m h z ) 、抗干扰性强、隐蔽性强、不易于扰等特点， 在军事通信中得到了大力的发展。特别燧近年来因频率合成( d d s ) 技术、超大规模集成 电路( v l s t ) 技术等的提藏与墨渐成熟，使褥跳频电螽驹成本大大降低，撬变更热恢速， 俗积曼鞠缩小，成为现代鼙霉战零通信静主要手段。溺诧，超短波掰频通信技术受到各国 军方的重视并得到长足进展，现在世界备国都装备有性能优良的超短波跳频电台。由于跳 颁电台在军事领域的广泛使用，对跳频信号的侦听、侦收就变得十分重要而有意义，使得 黠黢凝电台故l 褒褒与于撬氇成了凌健战争孛龟子战弱黧要麦容。 1 1 2 课题的内容 本课题是我校超短波掰频透信懿谈察每于挽实骏系统鲍一个重要缝成部分，浚实 黢麓强的是为了瞄实验静形筑震示跷额邋绩的工佟淼壤，以致魏赣遵信静债察与干抗方法 平口备种干扰方法的性能比较。通过实验使我们对跳频濑信有一个全顾、直观的认识，并且 对今后研究实战形式的跳频侦察干扰系统具有一定的参考意义。本文的任务是对跳频通信 遴行 奏溺，获褥信号戆瓣辩王揍频搴，黻矮辱l 导予魏系统实麓毒效瓣于魏。菠们鞠遥，翳 颓通信的原理怒用伪随机弼米选择载波频率的，采用何种伪随机鹦怒无法预知的，也即不 第1 页 国防科学技术人学研究生院学位论文 能知道其跳变规律，所以一些传统的侦察方法是无法实现对跳频信号的侦察。而随着微电 子技术的迅猛发展，高速a d c 、d s p 技术的出现，特别是f p g a 技术出现，使得对高速跳频 通信的实时侦察成为可能。考虑到f p g a 器件具有数字信号处理速度快、町并行运算、灵 活可编程等特点，本文设计了种基于f p g a 的信道化电子侦察方案，其方法是将待测频 带信道化分割成几个带通较窄的信号频带，然后进行a d 采样，在f p g a 中对采样的数据进 行处理，主要包括f f t 变换与谱峰比较。在f p g a 内部，各路采样信号的处理是并 r 实现 的，最后经过谱峰的比较得到所需的结果，实现对超短波跳频通信信号的侦察。 1 2 跳频通信技术概述 1 2 1 跳频通信的工作原理 跳变频率扩频( f r e q u e n c yh o p p i n gs p r e a ds p e c t r u m ，简记为f h ，中文简称为跳频) 通信是扩展频谱通信的一种主要形式。系统的工作过程是用特定码序列构成跳频指令束控 制载波频率作伪随机跳动，使得信息在不同的载波上传送。是一种特殊形式的频移键控， 较一般的频移键控有更多的载波频率，一般有几十、几百甚至上千个频率点。 _ 。l ， 幽1 1 跳频通信系统原理幽 如图1 1 所示，跳频通信的工作原理是：在发送端，跳频系统的频率合成器受跳频指 令控制的，在时钟的作用下，跳频指令发生器不断地发出控制指令，频率合成器不断地改 变其输出载波的频率。因此，混频器输出的已调波的载波频率也将随着指令不断地跳变， 从而经高通滤波器和天线发送出去的就是跳频信号。在接收端，为了对输入信号解跳，需 要有与发端相同的伪随机码的跳频图案去控制频率合成器，使其输出的跳频信号能在混频 器中与接收到的跳频信号差频出一个固定的中频信号，经中频放大后，送到解调器恢复出 原信息。跳频图案的随机性取决于伪随机码，目前，跳频所用伪随机码有i t i 序列、m 序列 和r s 序列等，而对第三方，由于不能知道伪随机码的变化规律，无法进行解跳与解调， 所以达到了抗干扰与保密的目的。 第2 页 国防科! 学技术人学研究生院学位论文 1 2 2 跳频通信的干扰与抗干扰 1 跳频通信的抗干扰能力 跳频抗干扰技术的理论基础是香农公式。香农公式是指对加性白商斯噪声的连续信 道，有信道容量c 与信道传输带宽b 及信噪比s n 之间的关系式：”“1 c c = b l o g2 ( 1 + 告) ( 1 1 ) v 公式( 1 一i ) 表明，在保持信息传输速率相同的条件下，信噪比和带宽之i 日j 具有互换关 系，于是有了扩频通信的原理，跳频系统就是在发送端用伪随机码进行了扩展频谱处理。 跳频系统的抗干扰原理是在频域内进行“躲避”，由上述跳频原理可知，任何外来的 干扰或无用信号，只有它的频谱落在信号瞬时频谱范围内( 即两者不仅处于同时隙，而 且又处于同一频隙中) ，且干扰功率等于或大于有用信号的功率时，j 能对有用信号造成 干扰。所以跳频系统具有较强的抗干扰性，可用处理增益来描述，跳频的处理增益由公式 g p = 1 0 | g 半= 1 0 1 9 n ( d b ) ( 1 2 ) a m 来表示，它的物理意义为敌方采用宽带干扰方式干扰跳频电台时所需功率，较之干扰个 窄带定频电台所需功率大出的倍数，所以说跳频系统有较强的抗干扰能力。并且如果跳频 图案足够复杂，跳频速率足够高，跳频系统抗跟踪式干扰、阻塞式干扰、转发式干扰都有 一定的效果。”“ 2 跳频通信的干扰方法 对跳频通信最有效的干扰方法莫过于跟踪转发式干扰，跟踪转发式干扰主要是针对 f h 通信系统，它是通过对敌方f h 通信信号的侦察、处理，提取跳频信号的瞬时频率、信 号功率等参数，然后发射一个与f h 信号相同频率的干扰信号。采用这种干扰方式，必须 使二f 扰信号在跳频信号驻留期间到达敌方接收机，并且干扰信号应该具有最佳于扰形式。 这就要求电子侦察设备能够快速获取跳频信号的时频特性，且干扰机能够快速反应，产生 出相应的干扰信号。其产生模型如图1 2 。 跳频信号 频谱分析 特征提取 受扰信号 频率台 成器 帝带r 扰 信号 图1 2 跟踪干扰信号产生模型 第3 页 营璐科学技术太学辑兖生辘学绁论文 跳频收敏倍机和跟踪转发式干扰机的位置如图1 3 所示，为r 使干扰有效，必须满足 d 2 + d 3 + t p ，e 坐+ 目t ， ( 卜3 ) 式中c 是i n 波的传播速度t 。，是侦察处理时间，t 。是信号驻留时恻，n 为小于l 的常数， 由整可姻，实嚣有效的干撬时间是： r = 卜( r 一_ d 2 + d 3 - d l j ) 所以，在踱方跳速和于扰槐与逶穆桃尼侮分毒都不变的条伟下，债察娃理躲避矧越短， 商散的干扰时间就越长，千= 扰效采越好。这就要求我们在系统的设计中，力求信号处理韵 实时性。 一 、( ：一一一一一一d 1 一 、发射帆 接收帆 一一一一一一一 幽1 。3 跟踪式干扰中发射机、接收机、干扰机的能置 舞外宽带自噪声于扰与扫频干扰也是对抗跳频通信的有效手段，但与躔路式干扰据 比簸莱欠佳。 1 2 3 跳频通信技术在军事中的应用与发展 雾l 频透信鲍发震历程霹撅括为：在二一 一 建纪，4 。年代寒理论兔嚣，鹋年代研京攻关， 7 0 年代末产晶阿世，8 0 年代逐步推广，9 0 年代广泛应用，在= _ 十一世纪得到飞速发展。 日前，跳频通信技术在军事中的应用主要是战术通信系统，包括短波跳频通信电台、 超短波跳频通信电台、加密通信等。影e 速维持在如f 水平：短波电台t 0 0 跳秒，超短波 电台5 疑秽。僵每移千躐班上的跳期电台氇云翔鬣。封频带宽一救工律到金频段。 跳频频率集目前巳达到3 0 0 个的水平，倦上万个频率熊的跳频系统也已研制出米。眺频系 统的同步时恻目前己达到几百毫秒的数量缴，今后必定越来越短。同步建立时岫j 越短，信 息渡袭方发现、截获和测向懿概率裁越低，运癌鲍隐菠性将变得越寒越壹 。 当然，髓着跳频通信的发展，干扰匈反干扰的斗争也变褥异常激烈，它们互相制约， 但又互相促进发展。跳频通信虽然不惧怕单频干扰和多频干扰，但跟踪式干扰跫跳频通信 的“天敌”。为了对付跟踪式干扰，人们总是希望尽可能缩短跳额傣号的驻壁时潮，使候 察接收# l 无可黎之桃。这魏耍求习频系统酌黟i 速尽可能抉，僵跳频系统斡技术茇鼹叉受到 元器件、编解码技术等因素的制约。为此，跳频通信将向队下两个方面发展：一个是跳频 筹4 页 1 ， 、 盯 一 二 。 一 ， 一 啦 | 、 国防科学技术人学研究生院学位论文 与直接序列扩频混合使用方式，另一个是跳频与直接序列扩频、跳时三者混合使用方式。 这样可以优势互补共同发展。 1 3 本文所做的工作与论文的章节安排 本文研究工作是基于超短波跳频通信的侦察与干扰实验系统的课题，该系统主要 是为了向人们展示跳频通信系统的工作原理，并且设计了对跳频通信系统的侦察和干扰系 统，用实验来显示对跳频通信系统的各种干扰方法以及各种干扰实施的效果。本文所做的 工作就是根据跳频通信的工作特点，设计一种基于f p g a 技术的信道化电子侦察方案，用 来实时快速地测量跳频信号的瞬时工作频率，输送频率字给干扰系统，以实现系统的跟踪 式干扰。论文的结构如下： 第一章绪论概述了电子侦察干扰对抗系统的重要性、选题的意义和课题的内容。介绍 了跳频通信技术及其在军事中的应用，介绍了文章的主要结构。 第二章对课题设计中所涉及的基础理论进行了讨论与分析。介绍了模拟信号的数字化 原理，对信号的基带采样与带通采样进行了分析，提出了课题中工作频段信道化的必要性， 并且对模数转换原理与相应的器件进行了介绍。介绍了用快速傅里叶变换( f f t ) 来进行 频谱分析的理论。 第三章介绍超短波跳频通信的侦察与干扰实验系统的实验目的和实现功能，并且 根据超短波跳频系统的工作原理，设计了一种基于f p g a 技术的信道化电子侦察方案，并 且对方案的性能进行了分析。 第四章介绍了本方案的硬件电路设计和实现方法，主要是频谱信道化电路，模拟信号 采样电路，f p g a 设计电路，电源电路设计等。 第五章介绍了用v h d l 语言对f p g a 器件的丌发。对系统的总体设计思想、原理与方法 进行了分析，对系统各个功能模块的设计与仿真，以及整个模块的组成结构进行了洋细的 描述。 第5 页 国防科学技术人学研究生院学位论文 第二章课题设计基础理论分析 2 1 连续时间信号采样及a d c 实现 虽然离散时间信号出现在很多情况之中，但是最常见的还是作为连续时间信号的表 示而出现的，这就要求在实际中，在某些合理条件限制下，对个连续信号用其样本束 完全给予表示，本章将详细讨论对连续信号的周期采样过程，包括当信号不是带限或采 样率不够高时所导致的混叠问题，以及模数转换原理与相应芯片的介绍。 2 1 1 信号采样的数学表示 在系统中要获得一个连续时间信号的离散时间表示的典型方法是通过周期采样，这 时连续时间信号x ，( ，) 得到的样本序列是按照如下关系构成的： x 加j = x 。( n t ) 一o o 胛 m ( 21 ) 在式( 2 - 1 ) 中，t 是采样周期，而它的倒数f 叫7 1 是采样频率，即每秒内的样本数。 我们把实现式( 2 1 ) 的系统称为理想连续时间到离散时问( c d ) 转换器，其方框图如图 2 1 所示。 i 图2 1 理想的连续到离散( c d ) 转换器方框蚓 在实际装置中，采样往往是用模拟到数字( a d ) 转换器来实现的。这样的系统可以看 作是对理想c d 转换器的近似，在实现或者选择一个a d 转换器时有一些重要的考虑，其 中包括输出样本的量化、线性度、是否需要采样保持电路以及采样率的极限等等。量化效 应及a d 实现的原理与方法将在后面的章节介绍。 周期采样过程在数学模型上可用两步来表示如图2 2 所示，第一步是一个冲激串调 制器，它完成连续时问信号的采样。第二步是一个由冲激串到序列的转换器，它将冲激串 采样到的数据转换成离散的序列。图2 3 示出两个连续时间信号及其冲激串采样的结果。 图2 4 是相应的输出序列。鼻r f ，和xr ，的本质差别在于：在某种意义上置r 纠还是。个连 续时| 瑚信号( 即个冲激串) ，它除了在整倍数t 的时刻以外都为零；另一方面，序列x 是以整数变量1 7 给出的，事实上这就引入了时问归一化的过程，也即j 俐已经没有任何 明显的有关采样率的信息。再者置r 的样本在j 矗砂中是用有限数值来示的，而不是存x 、n ， 中以冲激面积来表示的。 第6 页 国醣科学技术人学毒并究生院学位论文 剡2 2 周捌采样的数学壤型 幽2 3 信号采样过稃 t = 2 f 订n 下了+ 丫r，7 + n h 丁- - 丁一r 【。1。1i11ljjj。ij。止 瓣2 4 信号采群j 孳鳓 应该强调的是，图2 。2 至2 4 所示的仅是采样的种数学上的表示，而并不代表为实 现采样而设计的任何具体电路或系统。 2 i ，2 基零浆徉理论- - n y q u i s t 采群定疆 由周期采样的数学模型可以看出，对一个时域连续信号，要将它变成适合现代数字信 譬处理系统的离散数字序列，只要用个脉冲序列去采样，然后将英量忧成序列即啄。但 菠锏薯来考懑聚样频率戆大枣，采样频率与信号频率鹣关系，疆疑袋样磊翡孝翔戆孬真爰 代表原来的倍母，也就是说能不能由采样后的数字序列恢复原束的信号或者逼近原来的信 号，误差小到能满足系统要求。这一节就讨论这些问题。 n y q u i s t 袋棒定理的大概意愚是：查爨聚对菜一黪涮连续售号( 壤羧信号) 遴行采撑， 当采样速率达剿一定数值时，那么，裰据这些采样值就熊准确趣确定原信号。严密一点浼， n y q u i s t 采样怒理可表达如下； n y q u is t 采样定理：对一个频带限镱在( 0 ，囝内的带限信号芹r ，如果以不小于f 趔； 弱采辑速率辩髫阮j 送行等阏隔采样，褥蠲薅瓣褒数熬采样焦g - 茗囊驴习白刀( 其中五 称为采样间隔) ，则原信号z r 将被所得到的采样爿完全地确定。 引入冲激阐数jr 圳( 也简称为5 函数，) ，构成周期冲激函数芦俐： ，竺 蹲j = 雉一开瓦j ( 2 2 ) 搽7 页 国防群学技术久学研究生院学侮论文 通过冲激函数跗x r 用采样频率进行抽样后得到的抽样信号可表示为 z = 翮硼) 。毒薹p “m ) 1 ( 2 3 ) 没善瞳，之傅里叶变换为善f 。，娜摄据傅擘时变换性质，可以褥至i 最j 的博晕叶变 羧置f 。，式： 。o ) = 毒塾o ) ( 2 - 4 ) 式中。，- - 2 筇 由公式可吼看到，抽样信号之频谱为原信号频谱之频移后的多个叠加。图2 i 显示j 这种变化。由图中可以看出，只要满足式( 2 - 5 ) 国，2 c o h 鬣五2 2 厶 的条件，则主频谱与其他频率成分不会混叠。 一鸱一峨o 啦2媳 ( 2 5 ) 鹫2 5 镄号耀频谱与搬辑霜豹频谱 出国2 5 可以看出要想通过采样后的信号重构原来的信号，只需要用一个带宽不小于 “。的滤波器就能滤出原来的信号x 矗，。如图2 6 所示。 斟2 6 信号萋构滤波器 图2 6 盟示了理想的滤波器和对应的频率响应特性，对应的冲辔响应矗俐为 碑) ：孕妇。r ) 0 ( 2 6 ) 式中s a 函数称为抽样函数。 根据图2 6 ，则可以得刘由x 。r 到x r 的公式，它为采样函数与系统响应函数的卷积。 舞) = x ，蹲) = x 国馘f - - 1 , 1 , ，t ) ( 2 7 ) 式( 2 - 7 ) 即为采样定理的数学表达式，即带限信号x r 可以幽簸取样值并_ 来准确地 第8 页 国防科学技术犬学研究生院学位论文 表示，只要采样率满足式( 2 5 ) 。 2 1 3 带通信号采样理论 n y q u i s t 采样定理讨论了频谱分布在( 0 ，劝上的基带信号的采样问题，但是在实际的 信号处理中，常有频率分布在某一有限的频带( t 7 。曲上的情况，如果按照n y q u is i 采样 定理，则应该用采样率，：大于两倍的最高频率厶来采样，这对于通带中心频率( ；+ 肋2 很高的信号，就要求有很高的采样速率。如高频信号，信号本身工作频率范围不宽，但它 丁：作在高频区域，如果用n y q u i s t 采样定理来采样处理，这在工程上是极不方便的，茸先 高速采样的实现较难，其次是采样后的高速数据流处理也是很困难的。 考虑带通波形片( 幻，其频谱限于一下频带之内 一去矿 i ，i 2 聊 对带通信号进行采样，带通信号的中心频率必须满足： d o = ( 2 n + t ) w 2 或 十 = ( 2 n + 1 ) 也即信号的最高( 或最低) 频率是带宽的整数倍。 考察带通信号采样的频谱搬移示意图( 图2 7 ) ，可以发现对带通信号进行欠采样处理， 可以将信号频谱从较高中频上线性地搬移到较低的频率，甚至零中频，在低频上利用带通 滤波器或者低通滤波器就可以将信号提取出来。带通抽样在对信号进行a i d 变换的同时， 还完成了对信号的下变频处理功能。1 5 】 要注意的是，带通采样定理只适用于在其中的一个频带上有信号，而不允许在不同 的频带上存在信号，否则，将会引起信号的混迭。另一个值得注意的是，上面讲到的频带 宽度不仅限于某一信号的带宽，从对模拟信号的采样数字化来讲，应理解为处理带宽， 也就是说，在这处理带宽内可以同时存在多个信号，而不限于一个信号。带通采样的 结果是把位于( n g ，( n + 1 ) b ) 不同频带上的信号都用位于( o ，b ) 上相同的基带信号频 谱来表示，但特别要注意的是这种表示在n 为奇数时，其频率对应关系是相对于中心频率 “反折”的，即奇数通带上的高频分量对应基带上的低频分量，奇数通带上的低频分最对 应基带上的高频分量。而偶数频带与采样后的数字基带谱是高、低频率分量一一对应的。 这种奇、偶倍频带有别的频率对应关系在带通信号采样定理实际应用时是需要特别注意 的。 2 1 4 模数转换器( a d c ) 模数转换器( 又称a o 转换器或a d c ) ，是一种将连续的模拟量转换成为离散的数字量 的一种电路或器件。模拟信号转换成数字信号一般需要经过采样保持和量化编码两个过 程。目f i ，市面上这种产品种类很多，仅a d i 公司制造的模数转换功能器件和予系统，就 有上百种之多。在选择使用那种产品时，除了关键参数，比如分辨率和转换速度以外，其 他一些因素也会影响具体应用转换器的选择。在选择器件过程中，应保留一定的自由度， 包括静态与动态精度、数字式数据接口、控制接口与定时、采样保持性能、模拟信号、基 准要求、校准能力、通道数量、功耗、使用环境要求、封装形式以及软件有关的问题。 一、a d c 原理 模数转换器的工作过程大致可以分为采样、保持、量化、编码、输出等几个环节。 因器件的实现方法不同，其工作过程会有所区别。 1 采样 理想的采样就是用周期性的冲激序列和给定的信号相乘，把时域上连续的信号，转换 成时域离散的信号。在实际中，真j 下的冲激序列是无法实现的，通常代之以窄脉冲串。这 第l o 页 国防科学技术人学研究生院学位论文 样，就可阱得到顶部随给定信号变化的脉冲序列 信号的表达式为： 厶( ，) = 兀( ，m ( ，) 其中，埘( ，) 为矩形脉冲序列，似f ) 为输入信号。 已采样信号的频域表达式为： 这种采样方法，称为自然采样。已采样 ( 21 2 ) 乃( 曲) = - 【c ( 0 2 ) + 肘旧) 】( 2 一l ： ) 式中，n ( 曲、尼( 鲫、 敢劫分别为f a ( ，) 、五( ，) 、r e ( t ) 的频谱，而 = 幼艺酗一舢斑竿) ( 2 - 1 4 ) 其中，沩矩形脉冲宽度。所以 f a 咖去塾( 峨蚴( 孚) ( 2 _ 与自然采样相对应的另一种采样方式口q 平顶采样。顾名思义，平顶采样得到的矩形脉 冲串，每个脉冲的幅度讵比于给定信号的瞬耐抽样值。平顶采样的原理框图如图2 8 所示。 一 例2 8 平项采样原理图与馥化示意幽 假如，脉冲形成电路的时域和频域传输特性分别为h ( t ) 和麒动，则已采样信号的表 达式如下： 厶【f ) = 【兀( ，) j ，( ，) 】+ h ( t )( 2 - 1 6 ) 利用理想采样的结果就可以得到平顶采样的频域表达式： 易( ) = 专( ) c ( t o 一2 月甜。) = 亍1 h ( 6 0 ) f o ( c o 一2 胛织) ( 2 - 1 7 ) 由上式可以看出，平顶采样是由坝曲加权后的周期性频谱凡( 神所组成的。 模拟信号经过采样后变成了时域离散的信号，但其采样值仍是连续变化的。如果用m 个离散的电平值来表示这些采样值，就可以把幅度连续的信号，变成幅度离散的信号了， 这就是所谓的量化。 2 量化 可以用图2 8 更形象地来示意量化过程。从图中可以看出，把 飒，观 范围内的值用 第l i 页 国防科学技术人学研究生院学位论文 电平吼， 1 l t i _ 。，册 范围内的值用电平乳i 来表示。在图2 1 l 中，输入信号值域是按等 距离分割后进行的量化，即为均匀量化。每个量化区问的量化电平均取在各区间的中点。 如果输入信号的最小值和最大值分别为a 、6 ，有： , s v 一：一。一，州z 一一等 成立，y 称之为量化间隔。第 个量化区间的终点为：m ，= n + i a v 第i 个量化区间的量化电平为： g ，：华：口+ 下( 2 i - 1 ) a v ( 2 - 1 8 ) 量化电平的个数吖通常为2 的月次幂。这样，m 个离散的电平就可以用一个月位的二进制 数柬表示，用n 位二进制数表示量化电平就称为编码。 3 编码 编码的方式很多，有偏移码、2 的补码、二进制无极性码、l 的补码等等。 ( 1 ) 对于单极性二进制码( u n i p o l a r b i n a r y ) ，如输入信号在 0 ，“。 范围内，编码位 数为，7 位，则码字与码字所表示的电压之间有如下关系： v = 鲁 ( 2 1 9 ) 式中。a ，为二进制数0 或l 。由上式可以看出，编码位数疗越大，码字所表示的电压值越 接近于咋s 。对于有限的编码位数n ，其能表示的最大电压总小于斥s 。当我们令巩= l 时， 就可以得到最大输入电压与编码位数之问的关系： 吒。= ( 1 一寺) ( 2 2 0 ) 例如，工作范围在0 - - - 1 0 v 之阳j 的1 2 位单极性a d 转换器，其码字在最大和最小时所表示 的电压分别为： k ，。时编码为1 1 1 1 1 l l l ll l l = + 9 9 9 9 7 6 v ； k 。时，编码为0 0 00 0 00 0 00 0 0 = o v 。 ( 2 ) 对于二进制偏移码( o f f s e t b i n a r y ) 而言，如输入信号在 一，十嘲范围内，编码 位数为7 位，则码字与码字所表示的电压之涮有如下关系： 矿= 主( 熹一1 ) ( 2 - 2 l ) 同样，可以得到码字所能表示的最大和最小电压 。= _ x ( 卜啬) ( 2 2 2 ) l 。= 一r 。 ( 2 - 2 3 ) 工作范围在( 1 0 v 1 0 r ) ，1 2 位双极性a d 转换器，在二进制偏移码的编码方式f ，其码字 1 1 焉一 冒酶科学技术人学研究生院学位论文 在最大、中问和最小时所表示的电压分别为： 。酵，缡玛为1 1 11 1 l1 111 1 1 一+ 。9 9 5 v ： 时，编褐为1 0 00 0 00 0 00 0 0 = 0 v ； 。时，编码为0 0 00 0 00 0 00 0 0 = 一i o v 。 ( 3 ) 1 的补码( o n e sc o m p l e m e n t ) 确字与码字所表示的电压之f 白j 有如f 关系： 矿= y + 。l 窆( 鲁q + 熹i ( 2 2 4 ) 1 、( 正) = _ 、x ( 1 一啬) ( z 一2 5 ) l ；受) = l 一啬) 2 - - 2 8 ) = i ：作范围在( 一l o v - l o v ) ，1 2 位双极性a d 转换器，编码形式为1 的补码时。其码字在最 大中间和最小时所表示的电压分别为： ；时，编码为1 1 1l l lt l l1 1 l 一9 9 9 5 v ； k 。时，编码为1 0 00 0 00 0 00 0 0 = 0 1 ii 1 1h ll h = o r ： k 。时，编码为0 0 00 0 00 0 00 0 0 = 一l o v 。 ( 4 ) 2 的补码( t w o sc o m p l e m e n t ) 怒一种用得很广的编码方式，对于数字运舞非常有 爨，矮予数字镰号处瑾器澎数据戆楚理。蒺表这式螽下： v = 【( 击) - - a i 】 ( 2 2 7 ) 1 = 2 山 l 氏。= j 一啬) ( 2 2 8 ) 对于工作范围谯( 一i o v l o v ) 之间，1 2 位双极性a f d 转换器，编码形式为2 的补码时，其 鸸字在最大、中间和最小时所表示的电膜分别为： 箍；辩，编璃隽0 l l 越1l l l1 l l 一十9 + 9 9 5v ； 环，。时，编码为0 0 00 0 00 0 00 0 0 = 0 v ； k 。时，编码为1 0 00 0 00 0 00 0 0 = 一1 0 v 。 以上是a d 酶袋群、量传、壤码各秘方式。 二、a d c 羧琢理分类 市面上的a d c 按原理大致可以分为赢接转换式、燎次比较式、予区式和双羊其分式等多 种类型的a d c 器件。 l 。过采榉一矗矗蚤转羧器 过采样一a a d 换器通过过采样以时间来交换精度，从而避免了实现高精度a d 转换 器所需要的复杂性。一a 调制器结构是逡今为止在数字v l s i 技术中执行高精度a d 转换 鼹吸引人的方法。现在，1 6 位、1 8 位直黧2 0 位分辨率的过采样aa d 转换器郑已经在 溺羚实验室晕褥到醣究秘实瑷，著逐步褥簸纯。一_ 静敬迸靛增量灞露器翡舔瑾羧棰强魏圈 2 g 第1 3 更 蘑谚辩学技术入学研究生院学侮论文 匿2 ，9 菠避鞠增馥璃粼梃整 采蠲过采榉一a d 转换器来实现麓分辨率，是出于这类穗剃器对电路静不完全性和 元器件不匹配不敏感。因为，它一方面裰反馈通路中只应用单个两缴定量，另方面可以 避免高分辨率的采样保持单元和模拟反熬叠滤波器。群一个理由是一a d 转换器中， 滁调裁器癸荬余都是数字惫黪，霹激充分爨瘸v l s i 数字集残逮鼹技术褰巢残寮发繇裹逮 的优势，从而邂免在一个有限的模拟动怨范围内执行复杂模拟电路的困难。过激样一a a d 转换器除了上述的优点外，存在附加的要求：( 1 ) 过采样一a d 转换器需要降频和 低遁滤波器柬抑测甍频噪声：( 2 ) 在过采榉一a d 转换器中，暴梯速率远远麓予奈奎额 褥频率。 2 直接转换 直接转换又称并行式a d c ，从原理上讲，是最简单、最快速的a d c 器件。这神a d c 的 鏊奉缝褥攀元燕一个一整转换器，郄比较器。强暴麓羽瑟输入弱( 缎定) 戆羧入信专比翅到 熊输入端的基准信号大，则输出离电平“l ”；如采输入信号比基准信号小，则输出为低电 平“0 ”。长期以来，这种方式转换器的体积、输入电容和大量比较器所需要的功耗直是 它受到限制的主要因素。由予这种原因，露藏使用的大部分转换器的工作方式袋愿逐次部 分蓬接转莰黧筱赣予霹闻税分的菲壹谈转换。 3 逐次比较式转换 这类转换器通过几次转换，每次包括l 位或多位，霞到完成全部i 1 位转换。它又可以 分为分缓式转羧器秘逐次邋遥式转换器。逐次毙较( s a ) 式a 嬲弱疲爱范匿穰广，它露瑷 阁较低的成本得到很高的分辨率和采样遥率。它主要适用于中等转换速度( 1 蟋p s ) 和中等 分辨率( 1 2 位1 6 位) 。目前1 2 位的s a 式a d c 采样速率可以达到i j s p s 以上。 4 子区式a d c 子区式a d c 懿结褐框溷懿謦2 。l o 艨示。 糊2 1 0 于区式a i d 转抉器功能框醐 撼1 4 页 国防科学技术人学研究生院学位论文 以8 位转换器为例，首先用第一片并行式a d c ( 优于8 位