（信息与通信工程专业论文）通信信号电磁环境模拟器中动态背景信号产生器的设计.pdf

国防科学技术大学研究生院学位论文 摘要 通信信号电磁环境模拟器作为一项很新的科研课题，在国防和经济建设中有 极大的需求和广阔的应用前景。它不但可以为通信对抗实验提供逼真的战场电磁 环境，还可以为民用通信产品的开发、研制和测试提供一个与其实际工作环境相 似的信号场景，以便对其性能进行评估。由于涉及复杂的信号处理和硬件设计技 术，系统的研制目前在国内外都是一个具有挑战性的课题。 本课题的研究是围绕通信信号电磁环境模拟器中的动态背景信号产生器的设 计与实现来进行的。本文首先提出了动态背景信号产生的一些设想。并比较了其 优点和不足。然后重点分析了基于“软件无线电”思想的设计方案：简要地介绍 了软件无线电、数字正交调制、多速率信号处理和频谱搬移的原理，提出了子带 分解和拼接方案，对定频信号进行仿真计算，并分析了中频信号的峰值，确定了 量化位数。最后给出了基于“软件无线电”思想的动态背景信号产生器的硬件实 现方案。 本课题研究过程中所取得的某些成果对宽带软件无线电发射机的研究也有一 定的借鉴意义。 。 主题词：通信信号电磁环境模拟器，动态背景信号产生器，任意波形发生器， 软件无线电，f p g a ，d s p ，a r m 第i 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 a b s t r a c t a sav e r yn e ws c i e n t i f i cr e s e a r c ht a s k , t h es i m u l a t o ro fe l e c t r o m a g n e t i s m e n v i r o n m e n to fc o m m u n i c a t i o ns i g n a l sh a sb r o a da p p l i c a t i o nf o r e g r o u n d a n dt h e r ei s a nu r g e n tn e e df o ri t n o to n l yc a ni tp r o v i d eav i v i de l e c t r o m a g n e t i s me n v i r o n m e n to f b a t t l e f i e l dc o m m u n i c a t i o n , b u ta l s oi tc a np r o v i d eas i g n a ls c e n es i m i l a rt ot h er e a lw o r k e n v i r o n m e n tf o rt h ed e v e l o p m e n t , t h em a n u f a c t u r ea n dt h et e s to fm a n yc i v i lp r o d u c t s ，a tp r e s e n t ，t h es y s t e mr e s e a r c hi sac h a l l e n g i n gp r o b l e mb o t ha th o m ea n da b r o a da si t i n v o l v e sc o m p l i c a t e ds i g n a lp r o c e s s i n ga n dh a r d w a r ed e s i g n i n gt e c h n o l o g y o u rr e s e a r c ho nt h i ss u b j e c tc e n t e r so nd e s i g na n dr e a l i z a 土i o no ft h ed y n a m i c b a c k g r o u n ds i g n a lg e n e r a t o ri n t h es i m u l a t o ro fe l e c t r o m a g n e t i s me n v i r o n m e n to f c o m m u n i c a t i o ns i g n a l s f i r s t , t h i sp a p e rd i s c u s s e ss o m et e n t a t i v es c h e m e sf o rt h e g e n e r a t i o no fd y n a m i cb a c k g r o u n ds i g n a l s ，a n dt h e i ra d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e sa r e d i s c u s s e dt o o t h e n ，t h es c h e m eb a s e do ns o f t w a r er a d i oi sa n a l y z e de m p h a t i c a l i v t h e t h e o r i e so fs o f t w a r e r a d i o ，d i g i t a lo r t h o g o n a lm o d u l a t i o n , m u l t i v e l o c i t ys i g n a l p r o c e s s i n ga n df r e q u e n c ys p e c t r u ms t a ra n dt h em e t h o do ff r e q u e n c yb a n dd i v i s i o n a n dj o i n f i n ga r ei n t r o d u c e d ，1 1 1 es i m u l a t i o no ff r e q u e n c y l o c ks i g n a l s , t h ep e a kv a l u e a n a l y s eo fi n t e r m e d i a t ef r e q u e n c ys i g n a l sa n dt h eq u a n t i z a t i o nb i t sa r ea l lg i v e n a tl a s t ， t h eh a r d w a r er e a l i z a t i o nm e t h o do fd y n a m i cb a c k g r o u n ds i g n a lg e n e r a t o rb a s e do n s o f t w a r er a d i oi sa d v a n c e d s o m ep r o d u c t i o ni n t h i sp a p e ra l s oa p p l i e se x p e r i e n c ea n du s ef o rr e f e r e n c et o b r o a db a n ds o f t w a r er a d i ot r a n s m i t t e r s k e yw o r d s ：s i m u l a t o ro fe l e c t r o m a g n e t i s me n v i r o n m e n to fc o m m u n i c a t i o n s i g n a l s d y n a m i cb a c k g r o u n ds i g n a lg e n e r a t o r ，a r b i t r a r yw a v e f o r mg e n e r a t o r ， s o f t w a r er a d i o ，f p g a ，d s p ，a r m 第i i 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 图目录 图1 1 背景信号模拟器系统框图2 图1 2 静态背景信号产生器原理框图3 图2 1d d s 系统任意波形的产生6 图2 2 利用i q 调制器产生宽带多路信号框图8 图2 3 利用上变频器组合产生宽带多路信号框图8 图2 4 基于循环读取存储器设想的原理框图9 图2 5 利用两组存储器输出框图1 0 图2 6 软件无线电的四大组成部分1 i 图3 1l = 4 的离散信号采样过程2 0 图3 2内插( 工= 4 ) 前后的频谱结构图2 1 图3 3 完整的内插器方框图2 l 图3 4 上交频内插器方框图2 2 图3 5l 倍插值器的多相实现结构2 3 图3 6l 倍插值器的多相实现结构( 输出部分用单位时延级联) 2 3 图3 7l 倍插值器的多相实现结构( 输出部分采用逆时针复接器) 2 3 图3 8l 倍插值器的多相实现结构( 乘法器节约型) 2 4 图3 92 0 8 0 m h z 中频信号的子带划分2 5 图3 1 0 基础低中频信号的频谱示意图2 5 图3 1 1 插值操作的频谱示意图2 5 图3 1 21 、3 、5 、7 子带产生方法2 6 图3 1 32 、4 、6 、8 子带产生方法2 6 图3 1 4 基准子带信号的功率谱与其经过数字带通滤波后的功率谱2 7 图3 1 5 基准子带信号内插后的功率谱2 7 图3 1 6内插和抗混叠后的子带信号的功率谱2 7 图3 1 7 多径效应引起的多普勒频谱扩散3 4 图3 1 8 信道衰落模拟器：3 5 图4 1 动态背景信号模拟器结构4 0 图4 2 数据产生板和数模转换板的功能框图4 l 图4 _ 31 m s 3 2 0 c 6 4 x 系列d s p 芯片的数据通路内部硬件单元4 3 图4 4x t r e m e d s p 逻辑片内部结构4 6 图4 5x t r e m 瞳d s p 逻辑片功能简图。4 7 第v 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 图4 6 基于d s p 4 8 膜片实现高速f i r 滤波4 8 图4 7d d r 2 内存控制器原理图5 1 图5 1 基于a r m 的动态背景信号产生器框图5 5 第v i 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 表目录 表2 1 三种方法优缺点对比1 3 表3 1 不同调制方式的三种基带数字信号1 7 表3 ，2 不同采样率和频率分辨率情况下的查找表长度2 9 表3 3 不同信道环境下的时延扩展值3 4 表3 4 不同接收机运动速度和中心载频条件下的最大多普勒频移3 5 表3 5 不同信号分布情况下合成信号峰值和波峰因子3 8 表4 1d d r 2 传输标准。5 0 表4 2d d r 2 操作指令5 0 第页 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：亟焦焦曼皇盛丕缝搓拯墨生盘查登量焦曼芒生墨数遮盐 学位论文作者签名：i 兰墨 日期：2 如6 年1 1 月眨日 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；可以将学位论文的全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带) 学位论文题目：通焦焦曼鱼煎丕境搓拯墨主盘查登量焦曼芒生墨煎遮盐 学位论文作者签名：j 茎墨 作者指导教师签名：兰里 日期：伽6 年j f 月l 日 日期：缉1 1 月i 歹日 国防科学技术大学研究生院学位论文 第一章绪论 1 1 课题研究背景 二十一世纪的战争将是以信息优势为基础，以战场高度透明化为显著特征， 以远距离、防区外、全球化精确打击为主要作战模式的全新的信息化战争。战争 的焦点将集中在如何准确快速地获取所需信息以及如何剥夺敌方有用信息的“信 息争夺战”上来，信息优势是决定未来战争对峙双方胜负的关键因素。在信息化 战争中，没有可靠、完善的通信系统作保证，就不可能获得信息优势，也就不可 能夺取战争的主动权。因而，通信电子战在未来战争中占有非常重要的地位。 通信电子战严格来讲包含两个方面，即通信与通信对抗。在通信对抗试验中， 需要营造逼真的战场通信背景信号环境。只有在逼真的背景信号环境下才能检验 出通信对抗装备的实战战术性能，为装备的定型及部队的作战使用提供真实可信 的技术依据。若利用实体通信电台采取空间分布、堆累的方法来产生背景信号环 境，不仅代价大，试验效率低，难以获得实战情况下的信号密度，而且不容易满 足不断涌现的新体制通信对抗设备试验的需求。信号模拟方法的优点是易于产生 高密度，灵活可控、可重复的信号环境，可以用一个模拟系统代替上千部发射机 的功能和作用，它是现今最可行的方法。 1 2 遁信信号电磁环境模拟器与静态背景信号产生器简介 1 2 1 通信信号电磁环境模拟器功能与结构分析 本课题源自“通信信号电磁环境模拟器”。通信信号电磁环境模拟器作为通信 对抗装备试验的标准试验设备，其功能完全取决于被测通信装备及通信对抗装备 对实验的要求。 通信信号电磁环境模拟器包括背景信号模拟器和标准信号模拟器。其中背景 信号模拟器的主要任务是在内、外场试验中为通信和通信对抗设备提供宽频带、 高密度、多样式的电磁信号环境，在一定程度上真实地模拟出战场的通信环境。 背景信号模拟器各部分之间的工作关系如图1 1 所示。 第l 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 背景信号产生器 图1 i 背景信号模拟器系统框图 框图中系统控制器的任务是对整个系统进行操作、控制、检测和背景信号的 计算。混频器的任务是在系统控制器的控制下对中频背景信号进行频谱搬移。本 文着重研究其中的一个重要组成部分背景信号产生器( 这里提的背景信号产 生器特指中频信号产生部分) 。 背景信号产生器的任务是在系统控制器的控制下对背景信号数据进行存储、 数据复接、d a 变换和滤波等处理，输出中频背景信号( 2 0 8 0 m h z ) 。背景信号 产生器由h f 波段信号处理、v h f 波段信号处理和u h f 波段信号处理三部分组成， 其中h f 波段单元用于存储h f 波段仿真数字背景信号，并通过高速数模转换器 ( d a c ) 将其变换为1 5m h z 3 0m h z 频段的仿真模拟背景信号。v h f 波段信号 处理与u h f 波段信号处理完全相同。此单元用于存储v h f ( 或u i - i f ) 波段仿真 数字背景信号。并通过高速数模转换器( d a c ) 将其变换为2 0 m z 8 0 m h z 频段 的仿真模拟背景信号。 1 2 2 静态背景信号产生器原理与优缺点分析 静态背景信号产生器采用的方案是将预先计算出一组场景的波形数据存入存 储器中，工作时循环读取存储器，通过d a 变换成模拟信号输出，并且增益可控。 由于当时没有找到合适的高速存储器，于是采用了复接技术。静态背景信号产生 器原理如图1 2 所示。 第2 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 图1 2 静态背景信号产生器原理框图 静态背景信号产生器的优点是成本低、结构简单、易实现。但是随着作战方 式、战术运用的不断发展，通信对抗技术的提高，通信对抗装备系统的组成越来 越复杂，战场环境中的通信信号已不是一种或几种固定信号，而是并存着多种体 制的通信信号，呈现出信号密度增加，若干多种体制的通信信号并存的趋势。并 且要求背景信号能够经常改变，甚至需要背景信号能够实时更新，也就是需要背 景能够“动”起来，这样才能模拟真实的战场环境。而原静态背景信号产生器读 取存储器的循环周期较短( 因为存储器的容量有限) ，所以对于变化周期大的动态 背景在原静态背景信号产生器中是无法反映的。可以说，已经研制出的背景信号 产生器提供的是宽频带、高密度、多样式的静态背景。所以目前动态背景信号产 生器的研制是一项非常紧迫的任务 1 3国内外发展现状及主要性能分析 目前，国外已经有少数实用化的通信背景信号模拟器投入使用，但其性能还 不能完全满足电子战对通信背景信号模拟的要求。在国内，对于通信信号模拟器 的研究已经取得了一定的阶段性成果，国防科大已经研制成功了静态背景信号产 生器。动态背景信号模拟器的研制可行性主要取决于：一、现有的技术水平和成 熟技术储备能否实现模拟器的动态要求；二、所需高性能集成芯片或模块国内能 否制造，可否从国外购买；三、国内电路加工的工艺水平是否能保证可靠性( m t b f ) 指标的实现。在动态背景信号模拟器的设计方案中，所采用的新技术集中体现在 软件无线电技术上，即用软件化设计去开发硬件( 如d s p 、f p g a 、a s i c ) 功能， 采用高速大规模数字集成电路和软件编程的方法模拟仿真各种无线通信信号。 国外对通信背景信号模拟器的研究起步较早，并已经有了少数实用产品，已 研制出的模拟器产品介绍如下： 1 ) 美国h p e 2 5 0 7 b e 2 5 0 8 a 多制式通信信号模拟器 该模拟器由h p 8 7 7 0 a 任意波形合成器、h p 8 6 4 8 c 射频信号源、上变频器和 专用计算机软件组成。主要特点为：用于产生各种民用通信信号样式和信号环境， 高频谱纯度，多达1 0 0 0 个载波或单音同时输出，可在1 1 0 0 个信道上形成动态信 第3 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 号环境，每信道的调制可以是标准调制或用户定义的调制形式，共有2 0 种信号环 境和序列可调用，可模拟传输衰落、越区切换，调制速率可达每秒1 0 m b p s ，可产 生6 4 路正交沃尔什码c d m a 信号，可分段顺序调用内存。其主要技术指标为： + 频率范围：8 0 0 1 0 0 0 m h z ，1 4 0 0 1 6 0 0 m h z ，1 6 0 0 - 一1 8 0 0 m h z ，1 8 0 0 - 2 0 0 0 m h z ； + 频率分辨率：1 h z ； + 调制类型：b p s k 、q p s k 、月t 4 d q p s k 、m s k 、f s k ； + 输出幅度范围：0 - - - 7 0 d b m ； + 幅度分辨率：1 o d b 。 2 ) 美国h p 8 7 7 0 s 信号模拟器 h p 8 7 7 0 s 信号模拟器由h p 8 7 7 0 a 任意波形发生器、波形工作站( p c 机) 和 h p 1 1 7 6 a 波形产生软件组成。h p 8 7 7 0 s 信号模拟器用于雷达、电子战和通信信 号模拟。在通信信号模拟中可产生j t i d s 、b p s k 、q p s k 、q a m 、p c m 、a m 、 f m 以及视频( m a c 、p a l 、d 2 m a c ) 等复杂的调制信号形式，可产生跳频和扩 频信号。频率切换时间为8 n s 。可用软件完成奈奎斯特滤波并方便地改变滚降系数。 可模拟多种多普勒频移和传播衰落。具有h p i b 遥控接口。h p 1 1 7 6 a 软件采用 h p 公司w g l 语言( 波形产生语言) 。 h p 一8 7 7 0 s 信号模拟器的主要技术指标为： + 采样率：1 2 5 m s a p s ； + 每个样点采用：1 2 b i t 编码； + 最高输出频率为：5 0 m h z ； + 频率分辨率为：2 3 9 h z ： + 输出动态范围：7 2 d b 。 利用两个同步激励的h p 8 7 7 0 a 对h p 8 7 8 0 a 正交体制信号源进行i q 调制可 达到以下目的： + 扩展调制带宽达1 0 0 m h z ： 产生q p s k 、q a m 等各种复杂调制的高速数字调制信号。 3 ) 南非g s y - 2 0 0 0 通信环境模拟训练器 g s y - 2 0 0 0 信号模拟器具有跳频和定频通信网模拟功能，能用于注入或辐射试 验，可利用6 个频率综合器模拟多个电台和通信网。其主要技术指标为： + 频率范围：1 1 0 0 0 m h z ； + 输出幅度范围：0 - - 1 2 0 d b m ： 调制类型：a m 、f m 同时模拟的最大网数目：6 个( 可扩展) ； 每次任务模拟的最大网数目：1 0 0 个( 在任意不重叠的时间序列内) ； 第4 页 国防科学技术人学研究生院学位论文 最大跳速：每秒5 0 0 跳。 4 ) 德国r s 公司的a d s 、a m s 任意波形发生器 该系统采用3 2 m s a p s 采样率、3 2 0 k b 存储器；可用序列方式产生周期极长的 信号；采用s e q 序列编辑器( 8 1 9 1 个序列) ；输出信号频谱纯度高；有专用a r b 软件。与r s 公司的s m h u 5 8 i q 调制信号源合用可产生各种正交数字调制信号、 扩频信号。 5 ) 美国里顿应用技术公司生产的通信网络模拟器 该系统主要用于训练，可提供射频背景环境。其射频背景环境利用直接合成 法实现；每个模件产生2 4 3 个调制信号，利用两个射频背景信号产生器在r f 和 v h f 范围内提供4 8 6 个信号；其信息产生器可提供话音、t t y 、莫尔斯码模拟报 文以及典型的e c m 信号。 国外在通信背景信号模拟器的研制中，主要采用直接数字式信号合成的方法， 以任意波形发生器( a w g ) 作为基本信号源。a w g 的工作方式为“存储一读取” 方式，存储器中的波形数据利用软件产生。 1 4 课题研究的内容及论文组织结构 动态背景信号发生器在设计上不仅保留了静态背景信号发生器所具有的各种 功能，而且可以产生变化的电磁背景，各信道上信号的出现与消失、每个信号的 功率大小及频谱、甚至信号的体制都会随时间发生变化。由于背景信号计算速度 和总线传输速度的限制，实现动态背景的实时更新比较困难，如何解决这个难题， 是本课题研究的关键。 本文共分本文的内容共分为五章，各章的内容安排简要描述如下： 第一章是“绪论”，分析本文的研究背景，简要地介绍了通信信号电磁环境模 拟器和国内外相关仪器的发展现状，以及本文的组织结构。 第二章是“几种动态背景信号产生器的设想和分析”，介绍了基于循环读取存 储器、基于任意波形发生器、基于软件无线电几种动态背景信号产生的设想，并 比较了它们的优点和局限性。 第三章是“动态背景信号产生方案”，详细研究了如何实现通信背景信号的动 态化，给出了解决方案。 第四章是“动态背景信号产生器的实现方案”，详细研究了动态背景信号产生 器的各个功能部件，及其设计、开发方法。 第五章是“动态背景信号产生器的设计展望”，简要介绍了a r m 和基于a r m 的动态背景信号产生器的设计。 最后是“结束语”，在总结论文的基础上，提出了下一步的研究方向。 第5 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 第二章几种动态背景信号产生器的设想和分析 2 1 基于任意波形发生器的设想 目前通信信号环境主要有宽频段、高密集度、多制式、大地域、动态分布、 调制方式复杂多变、链路数量大、结构复杂等特点。日常通信占用的频段从短波 一直到微波，密度较大的频段主要是短波和超短波频段。据有关资料介绍，目前 监测设备面对的通信信号可能达到上万个，瞬时也有数百个，辐射源大多是移动 通信终端、基站、电台等。因此，为检测通信及通信监铡设备构造的通信信号环 境，应首先解决在短波、超短波、微波低端范围内( 这里取1 , 2 5 g h z 以下的频段) 的信号生成这一问题。环境中信号数量瞬时应达到数百个，信号本身也必须具备 一定的动态变化特性。 由于背景信号产生器的工作原理和任意波形发生器的工作原理很相似，于是 打算采用任意波形发生器的方法，通过改变存储器中的数据以实现对不同信号环 境的模拟。 2 1 1 基于d d s 技术的任意波形发生器的工作原理 基于d d s 技术的任意波形发生器利用高速存储器作为查找表，通过高速d a 转 换器对存储器的波形进行合成。d d s 技术是一种以全数字技术，建立在采样定理 的基础上，是从相位概念出发把一系列数字形式的信号通过d a c 转换成模拟形式 的信号的合成技术。图2 1 为d d s 系统任意波形的产生框图。 图2 1d d s 系统任意波形的产生 d d s 系统中的时钟源通常是一个高稳定性的晶体振荡器，用来作为系统时钟 同步整个系统的各组成部分。频率控制字( f s w ，f r e q u e e n c ys e t t i n gw o r d ) 实际 就是相位增量值，用来作相位累加器的累加值。相位累加器在每一个时钟脉冲输 入时，把频率字累加一次，其输出相应地增加一个步长的相位增量，由于相位累 第6 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 加器的输出连接在波形存储器地址线上，因此其输出的改变就相当于进行查表。 这样就可把存储在波形存储器内的波形采样值经过查表查出，输出到d a 转换器。 在系统时钟脉冲的作用下，相位累加器不停地累加，也即不停地查表，不停地把 波形数据送到d a 转换器转换成模拟量输出，从而把波形重新合成出来。d a 转 换器是d d s 系统的核心器件，它的速度和特性直接影响整个系统的性能，应选用 高速、高精度的d a 转换器。滤波器则进一步平滑d a 转换器输出的近似所需波 型的锯齿阶梯波，同时滤除不必要的杂波。 同时由于相位累加器字长的限制，相位累加器累加到一定数值后，其输出将 会溢出，产生的波形存储器的地址数值就会循环一次，意味着输出的波形完成了 一个周期。所以改变频率控制字，就可以改变累加器的循环频率，在时钟频率不 变的情况下就可以改变输出频率。 所以，可以得知： 1 ) 系统的输出频率只与频率字的值k 、系统时钟频率z 、相位累加器的字长n 有关。在系统时钟频率和相位累加器的字长n 固定时，通过改变频率字，可以方便 地改变输出频率。系统的输出频率可以表示为： = 五参( 2 - 1 - 1 ) 2 ) 系统的频率分辨率只与系统的时钟频率和相位累加器的字长n 有关。要增 加系统的频率分辨率，可以增加相位累加器的字长n ，或降低系统的时钟频率。 3 ) f o 。一般不会超过系统时钟频率的二分之一，在实际应用中，一般采用 f o 。= zx40(2-12) 4 ) 可以通过给相位累加器加初始值的方法来预设系统输出波形的相位。 任意波形发生器的价值不单在于它能代替函数和专门的波形发生器，更在于它 可以通过上位机编辑，能产生真正任意的波形。用户键入描述波形的数据样点或 方程式，或者从外部的源装入数据。c p u 把方程式或数据存入存储器，然后c p u 计算波形样点并传送样点数据到波形输出存储器。当收到c p u 来的命令时，时基 相继地使数据点进到一个或不止一个数，模转换器，产生随时基的时钟速率变化而 变化的模拟电压。一定的波形数据存入存储器，c p u 能用重复地循环经过存储器 地址区域，产生重复的信号。要波形向后运动，c p u 只要逐步往下经过地址区域。 目前任意波形发生器在通信、雷达、电子测试等领域已经有着广泛的应用。随 着c p u 、r a m 、d a c 等器件性能的不断提高，a w g 正向着宽频带、高幅度分辨 率和大波形容量的方向发展。目前，国内的任意波形发生器主要产自国外。如： 泰克( t e k t r o n i x ) 公司已经推出采样速率高达2 5 0 m s a p s 、1 g s a p s 或2 g s a p s 、具 第7 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 有1 4 b i t 垂直分辨率的任意波形发生器产品，其输出的模拟频率带宽可达2 5 m h z 、 1 0 0 m h z 或2 4 0 m h z ；安捷伦( a n g l i e n t ) 公司的n 6 0 3 0 a 任意波形发生器可提供 高达1 2 5 g s a p s 的采样速率、1 5 b i t 的垂直分辨率，将任意波形发生器的性能推向 了一个新的高度。 2 1 2 基于任意波形发生器的设计方案 产生高密度、宽频段的多路信号可用多种方法。利用任意波形发生器输出多 路中频信号是一种经济、方便的方法。任意波形发生器可以在较宽的频段内方便 地产生不同调制方式、不同频率的多路信号。采用任意波形发生器产生多路背景 信号主要有两种方法：一种是用任意波形发生器和v q 调制器产生多路信号；一种 是用任意波形发生器和上变频器产生多路信号。 利用任意波形发生器和u q 调制器产生宽带多路信号 任意波形发生器产生两路信号对宽带i q 调制射频信号源进行i q 调制，从而 产生出宽带的多路信号。这种方法利用宽带i q 调制器来合成宽带信号，结构比较 简单，而且利用u q 调制器的调制能力可以产生多种宽带复杂样式的信号，并具备 实时外调制的能力。但是，由于信号是由两个正交分量合成得到的，产生多路信 号环境的信号数据时，计算量比较大。而且信号的瞬时带宽受i q 调制器的调制带 宽影响，扩展能力不强。 巨垂e 匾一 图2 2 利用v q 调制器产生宽带多路信号框图 利用多个独立的任意波形发生器和上变频器组合来产生多路信号 利用任意波形发生器和上变频器产生多路信号，如果任意波形发生器的直接 输出带宽达1 0 0 m h z ，上变频器只需提供1 3 个标准本振，即可产生1 2 5 g h z 带宽 的背景信号。 0 - - 1 0 0 m h 2 | 任意波形发生器i 一+ l 变频器组卜一纠带通滤波器卜一- ， l 一l i 一“，t ，一 r r 一r + 1 。 | 任意波形发生器i | 变频器组i 一! 带通滤波器 一 图2 3 利用上变频器组合产生宽带多路信号框图 波形输出 第8 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 其中，监控单元由计算机、操作系统、背景信号数据库、信号处理软件等部 分组成。计算机实现人机交互界面，通过软件编程，由操作者输入波形数据或方 程，并负责各个通路任意波形发生器的协调工作。背景信号的生成一般采用时域 参数直接输入的方式，其优点是可以精确设置信号的各项参数、选择每个信号的 调制方式。 若每个任意波形发生器输出带宽为1 0 0 m h z 的中频信号，对于产生中频信号 的任意波形发生器，其存储容量的大小决定着输出信号的频率分辨率。当输出采 样速率一定时，存储器容量大，则频率分辨率高，反之，则频率分辨率低，两者 之间是互相制约的关系。具体分析如下： 频率分辨率= 萼糕 若容量为2 m 字，输出采样速率为1 0 0 m h ( 时域带宽5 0 z ) ，则可存2 0 m s 的波形，即最低频率为5 0 h z 的波形，故频率分辨率为5 0 h z 。当要求输出 1 5 - 3 0 0 m h z 频率范围、分辨率为2 5 0 h z 时，若采样速率采用1 0 0 0 m s a p s ，则需要 存储器容量为： 容量= 采样率，频率分辨率= 4 m 。 2 2 基于循环读取存储器的设想 对于动态背景，各信道上信号的出现与消失、每个信号的功率大小及频谱、 甚至信号的体制都会随时间发生变化。要实现背景信号发生器的动态，可以先建 立一个数据库，事先计算好n 组场景数据，按照指定顺序将不同场景送入波形存 储器，然后进行d a 变换后滤波输出。为了可人为控制地去变化产生的背景，可 以把这些波形数据组编号，然后按照指定顺序或者随机顺序读出。示意图如图2 4 所示。 图2 4 基于循环读取存储器设想的原理框图 上述方法的原理比较简单，但对存储器和d a 芯片的要求比较高。由于基带 信号的带宽为2 0 8 0 m h z ，所以d a 的采样速率最少为1 6 0 m h z ，考虑到信号杂散 问题，d a 的采样率取4 0 0 m h z 。又分辨率要求2 0 0 h z 以上，所以至少采2 m 个样 点，所以每幅场景需要存储空间2 m 1 4 8 = 3 5 m 。若存储1 0 0 幅场景，则需要3 5 0 m 以上容量的存储器。 第9 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 动态背景发生器要实现动态，很重要的一个指标就是场景数据的切换时间， 因为切换时间越短越真实。这里可以采取如下方式缩短场景的切换时间： 采用v v i e 总线控制 v m e 总线具有较高的工作速度，传输速率可达8 0 m b s ，这样控制器可以通 过v m e 总线在2 0 m s 左右内完成一次场景的刷新。另外v m e 总线的控制器将每 个地址空间映射到内存，每个设备都可作为一个内存地址或一个地址块，地址分 配可以是跳线配置或编程决定。v m e 总线采用主从结构，支持d m a 传送、支持 对数据的读、写、修改、块传送等操作，并支持多种速度的外接设备，拥有一个 灵活的中断控制方案等。v m e 总线的这些特点都可为场景切换提供了良好的控制 方案。 两组存储器轮流输出 信号输出时采用两组存储器交替的方式。一组存储器输出背景信号数据到d a 的同时，控制器将新的场景送入另一组存储器，然后两个内存片切换。这样，两 组存储器交替输出可实现两组场景的无缝拼接。示意图如图2 5 所示。实际应用中， 也可采用多组存储器交替工作。 波形存储器 v 控。m 制 e 叫 总 器 线 图2 5 利用两组存储器输出框图 基于v m e 总线的传输速率和高速存储器的读取速率，估计预计场景更换周期 最短可在2 0 m s 。 2 3 基于“软件无线电”的设想 2 3 1 软件无线电的概念及典型功能框图 以现代通信理论为基础，以数字信号处理为核心，以微电子技术为支撑的软 件无线电( s d r ，s o f t w a r e d e f i n e d r a d i o ) 是由美国科学家j o e m i t o l a 在1 9 9 2 年5 月的全美电信系统年会上首次提出的。软件无线电以开放型、通用性、可扩展的 最简单硬件为平台，通过加载各种应用软件来适应不同用户、不同应用环境的不 同需求，实现各种无线电功能。 软件无线电主要由四大部分组成：天线、射频处理前端、高速模数数模转换 第1 0 页 誊 国防科学技术大学研究生院学位论文 器以及数字信号处理单元。如图2 6 所示。 图2 6 软件无线电的四大组成部分 软件无线电的前端电路由带通滤波器、放大器、混频器、本振、a g c 控制电 路等组成。其主要任务是把接收到的信号变换至适合a d 转换器处理的信号频率 和电平范围之内，同时把宽带d a 转换器的输出信号变换至能被其他电台接收的 频率和电平范围。软件无线电的结构不同，其前端电路的结构也有所区别。 在这四大部分中，a d ( d a ) 起着最关键的作用，可以说是整个软件无线电 的核心。因为不同的采样方式将决定射频处理前端的组成结构，也影响其后d s p 处理的处理方式和对处理速度的不同要求；而且a d 的性能如何也将严重制约整 个软件无线电性能的提高。软件无线电组成构架的中心点是将宽带模一数( a d ) 和数一模( d a ) 转换器尽可能地靠近天线，将尽可能多的电台功能以软件的形 式来定义( 即用软件编程的方法实现) 。 数字信号处理器( d s p ) 是整个软件无线电方案的灵魂和核心所在。软件无线 电中的数字信号处理器除了能适应运算处理的高速度、高精度、大动态范围、大 运算量外，它还应具有高效率的结构和指令集、较大的内存容量、较低的功耗等 特点。 2 3 2 基于“软件无线电”思想的设计方案 受当前硬件水平限制，软件无线电在硬件结构上尚难以实现对射频信号直接 进行数字化，因此目前均采用对中频信号进行数字化的体系结构，然后模拟上变 频。为实现软件无线电思想，在中频数字信号处理中采用了f p g a 芯片和d s p 芯 片处理大量的背景信号数据。具体基于软件无线电思想的设计将在下章详细介绍。 2 4 几种设想的比较和分析 1 ) 任意波形发生器产生的信号拼接合路，产生的信号带宽仅与任意波形发生 器的输出带宽、数量有关，扩充性比较好。信号数据的产生也比较简单。而且目 前国外的任意波形发生器产品已经比较多，技术上也比较成熟。但是，这种方案 本身也还存在着一些问题和缺陷： 任意波形发生器作为一种已经完全产品化了的设备，主要是直接给用户使 用，其可开发的余地受其系统设计的限制。 第1 1 页 国防科学技术人学研究生院学位论文 由于计算速度的原因利用任意波形产生合成的方法，难以达到很高的信号 路数。因为任意波形产生器采用c p u 进行计算，c p u 采用的是冯诺依曼结构，并 不擅长于数值计算。而d s p 采用的是哈佛结构，数据和指令分开存储。如果利用 d s p 芯片作为计算单元，则可以获得很高的数值计算能力。但这样做的结果是， 不可能利用现成的a w g 产品。 如果模拟的背景信号从一种场景变换成另一种场景，即使两种背景环境中 不同信号的个数极其有限，系统也必须重新计算所有信号的数据点，再经过相加 产生合成信号的波形数据。这种信号的产生方式效率很低。比较理想的方式应该 是：不同环境之间的切换只需重新产生变化了的信号数据点；相同的或未变的信 号数据点保留不变。此种方式的计算量比前一种方式的大大减少，效率明显提高。 不同场景之间的无缝切换问题。采用基于任意波形发生器的通信背景信号 模拟器在模拟不同的场景信号时读取的是不同的波形数据点。如何保证模拟器从 一种场景转换到另一种场景时不产生间隙是通信背景信号环境模拟中的一个重要 问题。如果只采用一套波形存储器，要实现无缝切换显然不太可能。解决的办法 是用两套波形存储器，轮流输入和输出数据。这就要求任意波形发生器至少应该 具备两个独立的输出通路，提高了对任意波形发生器的性能指标要求。而且还会 增加系统的复杂度。 由上述可见，采用任意波形产生器产生动态场景在现阶段不是很好的方法。 2 ) 基于循环读取存储器的方案较为简单，实现容易，成本低，但由于v m e 总线的传输速率和高速存储器的读取速率，估计预计场景更换周期最短可在2 0 m s ， 场景切换间隔一定的时间，而且此种方法可以存储的场景数目也是一定的。可见 这是一种准动态的背景信号产生器，无法实现背景信号的实时更新。 3 ) 软件无线电的优势主要表现在： 系统结构通用，功能实现灵活。不同的通信系统可由相对一致的硬件利用 不同的软件来实现，系统功能的改进和升级也很方便。 提供不同系统互操作的可能性。只要在硬件平台上加载相应的软件并配备 相应的射频部分，就能够很自然地实现互通。 复用的优势。系统结构的一致性使得设计的模块化思想能很好的实现，而 且这些模块具有很大的通用性，能在不同的系统和系统升级时很容易的复用。技 术更新时，只需更换个别的模块，大大降低系统研制的成本。 在软件无线电中，软件的生存期决定了通信系统的生存期。一般地，软件 开发的周期相对于硬件要短，开发费用要低。这样就能更快的跟踪市场变换，满 足新的使用要求，降低更新换代的成本。 软件无线电利用通用可编程处理器( 如d s p 、f p g a 等) 实现中频、基带及 第1 2 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 比特流处理，有利于加快数据计算速度。 但受当前硬件水平限制，软件无线电在硬件结构上尚难以实现对射频信号直 接进行数字化，因此目前均采用对中频信号进行数字化的体系结构，然后模拟上 变频。以上几种方法对比如表2 1 所示： 表2 1 三种方法优缺点对比 采用方法优点分析缺点分析 基于 数据产生简单 可开发余地受限 技术成熟 难以达到很高信号路数 任意波形发生器信号产生方式效率低 扩充性好 场景切换问题 基于 简单场景切换间隔一定时间 易实现存储场景数目有限 循环读取存储器 成本低准动态，无法实时更新 系统结构通用，功能实现灵活 基于 提供不同系统互操作的可能性 复用的优势 尚难以实现对射频信号 软件无线电直接数字化 更新换代成本低 可编程处理器加快计算速度 综上所述，基于“软件无线电”思想的实现方法实现起来比较灵活，具有相 当的先进性和较大的可实现性，可以实现背景信号的实时变换。 第1 3 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 第三章动态背景信号产生方案 本章首先分析了动态背景信号的仿真计算模型，根据这个模型，可以估算所 需要的存储资源和计算资源。针对单边带( s s b ) 调制信号，需要采用离散希尔伯 特变换来计算实数基带信号的解析信号。 由于中频信号的带宽高达6 0 m h z ，直接计算所有5 0 0 路信号的采样点所需要