（电路与系统专业论文）战场复杂电磁环境模拟系统的研究[电路与系统专业优秀论文].pdf

摘要 战场电磁环境模拟系统作为一项全新的科研课题，在国防建设中有极大的 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， 也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，以便对其系统性能和技术指标进行评估。由于涉及复杂的信号处理 和硬件设计技术，该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现代战场复杂电磁环境中的动态背景信号，基于“软 件无线电”的思想进行设计与实现的。 论文首先论述了课题的研究背景及国内外通信背景信号模拟器的发展现 状，介绍并分析了国外研制的几种通信背景信号模拟器的性能。在此基础上， 论文介绍了系统的设计思想，给出了设计方案。包括对通信干扰样式和干扰调 制信号的分析，对本系统的干扰样式和干扰信号调制方式的确定；接着给出了 系统的主要功能和战技术指标，确定了系统组成，设计了系统原理框图。该方 案综合了软件和硬件功能，主要是以d s p 作为处理器，使用d d s 技术产生多种波 形信号，用语音信号处理器设计语音背景信号。由i s p 技术实现输入输出等外围 接口，完成对各种背景信号的控制、多串行口的扩展、键盘接口扩展以及液晶 显示接口扩展等功能。 论文阐述了用d d s 产生波形信号的方法，在分析频率合成技术的原理、结 构和优缺点的基础上，总结了d d s 技术的特点。在分析比较多种主流d d s 芯片 后，提出了基于a d 9 9 1 3 的多种波形信号的工作方案。对d d s 的杂散现象进行分 析，并提出一种有效的d d s 杂散消除方法，并对系统杂散噪声进行处理。 然后，论文介绍了语音背景产生模块的设计方法，给出了基于语音信号处 理器的设计方案，重点叙述了语音背景模块的硬件电路设计。 接着，论文介绍了系统逻辑控制功能的设计。采用在系统可编程技术完成 系统的逻辑控制功能，叙述了本系统的基本原理、器件结构及设计流程。 论文还着重叙述了d s p 控制系统的设计。根据系统设计的要求，选用了 t m s 3 2 0 c 5 4 0 9 作为系统的控制芯片，介绍了t m s 3 2 0 c 5 4 0 9 处理器的特点，性能 及功能框图。在此基础上设计了控制系统的硬件电路，给出了控制系统与接口 电路的设计方案。 最后，总结了系统的调试工作，特别是对音频c o d e c 接口的调试。并提出 了系统的改进方法。 主题词：战场电磁环境，数字信号处理( d s p ) ，直接数字频率合成( d d s ) ， a d 9 9 1 3 ，在系统可编程 u a b s t r c t a san e wr e s e a r c hp r o j e c t ，b a t t l e f i e l de l e c t r o m a g n e t i ce n v i r o n m e n ts i m u l a t i o n s y s t e mh a sag r e a tr e q u i r e m e n t sa n dw i d ea p p l i c a t i o np r o s p e c t si nn a t i o n a ld e f e n s e c o n s t r u c t i o n t h i s s y s t e m c a n p r o v i d e av i v i db a t t l e f i e l d e l e c t r o m a g n e t i c e n v i r o n m e n tf o rc o m m u n i c a t i o nc o u n t e r m e a s u r ee x p e r i m e n t ，i ta l s oc a np r o v i d ea s i g n a ls c e n ew h i c hi ss i m i l a rt op r a c t i c a lw o r k i n ge n v i r o n m e n tf o rt h er e s e a r c h ， d e v e l o p m e n ta n dt e s to fc i v i lc o m m u n i c a t i o np r o d u c t ss oa st oe v a l u a t et h es y s t e m s p e c i f i c a t i o n sa n dp e r f o r m a n c e s b u tt h ep r e s e n td e v e l o p m e n to ft h i ss y s t e mi sa c h a l l e n g e a b l es u b j e c ta th o m ea n da b r o a db e c a u s ei t i n v o l v e sc o m p l e xs i g n a l p r o c e s s i n ga n dh a r d w a r ed e s i g nt e c h n i q u e s t h er e s e a r c ho ft h i ss u b j e c tc o n c e n t r a t e so nd y n a m i cb a c k g r o u n ds i g n a lo ft h e m o d e r nc o m p l e xb a t t l e f i e l de l e c t r o m a g n e t i ce n v i r o n m e n t ，a n dt h ed e s i g na n d r e a l i z a t i o no ft h i ss y s t e mi sb a s e do ns o f t w a r er a d i o t h i sp a p e rp r e s e n t st h ed e s i g ni d e aa n dd e s i g np l a no ft h es y s t e mo nt h eb a s i so f t h ei n t r o d u c t i o no ft h er e s e a r c hb a c k g r o u n do ft h es u b je c ta n dt h ed e v e l o p m e n ts t a t u s o fc o m m u n i c a t i o nb a c k g r o u n ds i g n a ls i m u l a t o ra th o m ea n da b r o a da n dt h ea n a l y s i s o ft h ep e r f o r m a n c e so fs e v e r a ls i g n a ls i m u l a t o r so fc o m m u n i c a t i o nb a c k g r o u n d w h i c ha r ed e v e l o p e do v e r s e a s i tc o n t a i n st h ea n a l y s i sa n dt h ed e t e r m i n a t i o no ft h e c o m m u n i c a t i o ni n t e r f e r e n c es i g n a l sa n di t sm o d u l a t i o nm o d e ，a n dt h ed e t e r m i n a t i o n o ft h es y s t e mc o n s t i t u t i o na n dt h es y s t e mp r i n c i p l eb l o c kd i a g r a mo nt h eb a s i so ft h e p r e s e n to ft h em a i nf u n c t i o n sa n dt e c h n i c a li n d e xo ft h es y s t e m t h i sp l a nh a st h e b o t hf u n c t i o n so ft h es o f t w a r ea n dt h eh a r d w a r e i t sp r o c e s s o ri sd i g i t a ls i g n a l p r o c e s s o r ( d s p ) ；t h em u l t i p l e - w a v e f o r ms i g n a l sa r eg e n e r a t e db yt h ed i r e c td i g i t a l f r e q u e n c ys y n t h e s i s ( d d s ) t e c h n o l o g y , a n dt h eb a c k g r o u n ds p e e c hs i g n a li sd e s i g n e d b ys p e e c hs i g n a lp r o c e s s o r ；t h ep e r i p h e r a li oi n t e r f a c ef u n c t i o ns u c ha st h ec o n t r o l o ft h eb a c k g r o u n ds i g n a la n dt h ep o r t se x t e n s i o no fm u l t is e r i a lp o r t s ，k e y b o a r dp o r t s a n dl c d p o r t sa r ec a r r i e do u tb yi s pt e c h n o l o g y f i r s t ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ew a v e f o r mg e n e r a t i o nm e t h o db yd d s ，a n d c o n c l u d e si t sc h a r a c t e r i s t i c sa f t e rt h ea n a l y s i so fi t sp r i n c i p l e ，s t r u c t u r ea d v a n t a g e i i i a n dd i s a d v a n t a g e a f t e rt h ea n a l y s i so ft h el e a d i n gc h i p s ，t h i sp a p e rp r e s e n t st h e m u l t i p l e - w a v e f o r ms i g n a l sp l a nb a s e do na d 9 913 a c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i so f s p u r i o u sn o i s ee x i s t e di nd d s ，a ne l i m i n a t i o nm e t h o di sp u tf o r w a r d s u b s e q u e n t l y , t h i sp a p e rp r o p o s e st h ed e s i g np l a nw h i c hi sb a s e do nt h es p e e c h s i g n a lp r o c e s s o ra f t e rt h ei n t r o d u c t i o no ft h ed e s i g nm e t h o do ft h es p e e c hg e n e r a t i o n m o d u l e t h ee m p h a s i si st h eh a r d w a r ec i r c u i td e s i g n t h e n ，t h i sp a p e rp r o p o s e st h ed e s i g no fs y s t e ml o g i c a lc o n t r 0 1 t h el o g i c a l c o n t r o lo ft h es y s t e mi sa c c o m p l i s h e db yi n s y s t e mp r o g r a m m a b l et e c h n o l o g y t h e b a s i cp r i n c i p l e ，d e v i c es t r u c t u r ea n dd e s i g nf l o wo ft h es y s t e ma r ea l ld e s c r i b e di n t h i sp a p e r t h i sp a p e ra l s op u t ss t r e s so nd e s c r i b i n gt h ed e s i g no ft h ec o n t r o ls y s t e m a c c o r d i n gt ot h er e q u e s to ft h es y s t e m ，t h et m s 3 2 0 c 5 4 0 9p r o c e s s o ri ss e l e c t e d 嬲 t h ec o n t r o lc h i pa f t e ra n a l y z i n gi t sc h a r a c t e r i s t i c ，p e r f o r m a n c ea n df u n c t i o nb l o c k d i a g r a m o nt h eb a s i st h eh a r d w a r ec i r c u i to ft h ec o n t r o ls y s t e ma n dt h ei n t e r f a c e c i r c u i ta r ep u tf o r w a r di nt h i sp a p e r f i n a l l y ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ed e b u g g i n go ft h es y s t e m ，e s p e c i a l l yt h e d e b u g g i n go fa u d i o - - - c o d e ci n t e r f a c e a ni m p r o v e dm e t h o di sa l s op r e s e n ti n t h i s p a p e r k e y w o r d s ：b a t t l e f i e l de l e c t r o m a g n e t i ce n v i r o n m e n t ；d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ； d i r e c td i g i t a lf r e q u e n c ys y n t h e s i s ；a d 9 913 ；i n - s y s t e mp r o g r a m m a b l e 符号说明 a s i c ( a p p l i c a t i o ns p e c i f i ci n t e g r a t e dc i r c u i t ) a w g ( a r b i t r a r yw a v eg e n e r a t o r ) c o d e c ( c o d e r d e c o d e r ) c p l d ( c o m p l e xp r o g r a m m a b l el o g i c d e v i c e ) d d s ( d i r e c td i g i t a ls y n t h e s i z e r ) d m a ( d i r e c tm e m o r ya c c e s s ) d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ) e c m ( e l e c t r o n i cc o u n t e rm e a s u r e s ) f p g a ( f i e l d p r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ) f s k ( f r e q u e n c y - s h i f tk e y i n g ) i s p ( i ns y s t e mp r o g r a m m a b i l i t y ) j t a g ( j o i n tt e s ta c t i o ng r o u p ) j t i d s ( j o i n tt a c t i c a li n f o r m a t i o nd i s t r i b u t i o ns y s t e m ) m c b s p ( m u l t i c h a n n e lb u f f e r e ds e r i a lp o r t ) m s k ( m i n i m u ms h i f tk e y i n g ) m s p s ( m i l l i o ns a m p l e sp e rs e c o n d ) m t b f ( m e a nt i m eb e t w e e nf a i l u r e ) p c m ( p u l s ec o d em o d u l a t i o n ) p s k ( p h a s e - s h i f tk e y i n g ) q a m ( q u a d r a t u r ea m p l i t u d em o d u l a t i o n ) q p s k ( q u a d r a t u r ep h a s es h i f tk e y i n g ) s d r ( s o f t w a r ed e f i n e dr a d i o ) s f d r ( s p u r i o u sf r e ed y n a m i cr a n g e ) t q f p ( t h i nq u a df l a tp a c k a g e ) t t y ( t e l e t y p e ) w g l ( w a v eg e n e r a t o rl a n g u a g e ) 专用集成电路 任意波形发生器 编解码器 复杂可编程逻辑器件 直接数字频率合成器 直接数据传输 数字信号处理 电子对抗措施 现场可编程门阵列 频移键控 在系统可编程 联合测试行动小组 联合战术信息分发系统 多通道缓冲串口 最小频移键控 百万采样秒 平均无故障时间 脉冲编码调制 相移键控 正交幅度调制 四相移相键控 软件无线电 无杂散动态范围 薄塑封四角扁平封装 电传打字机 波形产生器语言 v 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：墟扯 日期：二堕垒盟 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本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、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：埠导师签名： 期：瑚塑 山东大学硕士学位论文 1 1 课题背景 第一章绪论 随着现代信息技术的飞速发展，信息战正日益引起世界各国军队的普遍关 注和重视，未来的战场也将是一个信息化的战场。在信息化战场上，众多高新 科技的应用将越来越广泛，各种新的战术运用将越来越成熟，指挥控制的自动 化程度将越来越高。可以说，未来信息化战场是各种高新技术与高效战术的综 合。信息化战场将大量电子设备和系统用于作战之中，战场电磁环境将呈现出 复杂恶劣的趋势【l 】。 战场电磁环境，是指战场电子系统( 设备) 所处的作战区域内存在的各种电 磁辐射源信号的总和。 战场电磁环境是一种无形的环境，并且呈现出动态多样的特征，尤其是现 代战争中敌我双方激烈的电磁对抗行动，更加剧了战场电磁环境的复杂性。面 对复杂的战场电磁环境，如何增强我军的通信和作战能力，打赢高科技水平下 的现代战争，是现阶段急需要解决的课题。在通信训练中，只有在逼真的战场 信号环境下，才能检验出被测试通信设备的实战战术性能，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。受我军装备条件的限制，部队开展复 杂电磁环境下的战术训练，只能依靠现有装备，用实体电台来模拟战场通信信 号，这不仅会浪费大量的财力和物力，而且模拟效果差，根本无法满足新体制 通信设备试验的要求，训练情况难以得到可靠的评估。因此，构建逼真的模拟 战场电磁环境，演练战时复杂电磁环境下部队指挥、作战等行动，是非常必要 的。对于提高部队信息化作战能力迫在眉睫。 在当今和未来战争中，随着通信新技术的快速发展，新的通信手段的不断 涌现，战场环境中的通信信号呈现信号密度增加、若干体制并存的趋势。在这 种情况下，模拟战场电磁环境，应主要依据战场自然电磁环境和电子对抗作战 方针，以及充分考虑到敌我电子战装备性能，立足现有装备和条件，遵循“紧 贴实战、等效模拟、集中配置的原则，按照“近距离、高密度、限频段、多 方向”的思路制定和研究对策。做到根据各种作战阶段可能出现的战场电磁环 山东大学硕士学位论文 境，构建近似逼真、客观的复杂模拟环境。 1 2 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【2 1 ，但其性能 还不能完全满足电子战对战场电磁环境模拟的要求。在国内，对于战场电磁环 境模拟的研究己经取得了一些阶段性成果，但大都是采用软件平台实现的模拟 系统。 基于信息战的战场电磁环境模拟系统研制的可行性，主要取决于以下方面： 第一、现有的技术水平和成熟技术储备能否实现模拟系统的动态要求； 第二、所需高性能集成芯片或模块国内能否制造或保证安全的情况下从国 外购买； 第三、国内电路加工的工艺水平是否能实现和保证可靠性( m t b f ) 指标。 在战场电磁环境模拟系统的设计方案中，所采用的新技术集中体现在软件 无线电技术上，即用软件化程序设计开发硬件芯片( 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开发各种无线通信信号，实现 系统功能和进行模拟仿真。 国外对通信背景信号模拟器的研究起步较早，并已有少数实用产品，如： ( 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。频谱纯度高，有多达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 - - 1 8 0 0 m h z ， 18 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 、4 d q p s k 、m s k 、f s k ； 输出幅度范围：0 - 7 0 d b m ； 2 山东大学硕士学位论文 幅度分辨率：1 0 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 11 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 ) 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 11 7 6 a 软件采用h p 公司 w g l 语言( 波形产生语言) 。 h p - 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 i e 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i ；i i 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：l 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) ； 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 山东大学硕士学位论文 软件。与r s 公司的s m h u 5 8 1 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 1 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 3 本课题研究的意义及主要内容 本课题利用目前先进的电子技术设计战场电磁环境模拟系统，运用d d s 、 f p g a 和d s p 新一代高性能芯片，使该模拟系统具备a m ，f m ，p m ，f s k ，p s k 调制以及扫频等功能。实现模拟系统方便、快捷、性能高、实时性强、体积小、 功耗低、成本低，具有重要的技术开发价值和军事应用意义。 本论文研究了基于d s p 和f p g a 的战场电磁环境模拟系统设计方法，重点研 究了基于d d s 的射频信号源设计。同时针对战场电磁环境的实际需要，提出了 语音背景模块的设计方案。全文共分八章，主要内容安排如下： 第一章：绪论。介绍了战场电磁环境模拟系统的研究背景，阐述了在当前形 势下，增强我军通信和作战能力的应用需求；介绍了国内外通信背景信号模拟 器的发展现状，阐明开展本课题的现实意义，并简单介绍了论文的主要内容。 第二章：系统方案确立。介绍了系统的设计思想，指出了“软件无线电 设 计思想的优势。对通信干扰样式进行了分析，选择发射宽频带干扰的频率阻塞 式干扰方式作为本系统的干扰样式。还分析了调制信号的干扰方式， 重点分析 了噪声调频干扰方式。同时介绍了本模拟系统的主要功能和战技术指标，给出 了本模拟系统的组成方框图。 第三章：波形信号模块的设计。首先介绍了信号源的产生方法，频率合成技 术的发展；重点介绍了直接数字频率合成技术( d d s ) 的原理、结构、特点及其 发展和现状。并以此为理论依据设计了总体方案，比较了不同类型d d s 芯片的 4 山东大学硕士学位论文 特点，选择了a d 9 9 1 3 ，并围绕a d 9 9 1 3 进行了设计方案的论证。其次，对d d s 的杂散性能进行了分析，研究了杂散的消除方法。最后给出了系统杂散噪声处 理措施。 第四章：语音背景模块设计。给出了基于语音信号处理器的设计方案，重点 叙述了语音背景模块的硬件电路设计。 第五章：系统逻辑功能设计。采用在系统可编程技术完成系统的逻辑控制功 能，由i s p 技术实现输入输出等外围接口，完成对各种背景信号的控制、多串行 口的扩展、键盘接口扩展以及液晶显示接口扩展等功能。介绍了i s p 在系统可编 程技术的基本原理、i s p 器件结构及i s p 设计流程，给出了系统逻辑功能控制框图 和逻辑功能仿真波形图。 第六章：d s p 控制系统设计。介绍了d s p 系统概述及器件选择，根据系统设 计的要求，选用了t m s 3 2 0 c 5 4 0 9 作为系统的控制芯片，介绍了t m s 3 2 0 c 5 4 0 9 处 理器的特点，性能及功能框图。在此基础上设计了控制系统的硬件电路，给出 了控制系统与接口电路的设计方案。 第七章：调试、实验结果及结论。总结了系统的调试工作，特别是对音频 c o d e c 接口的调试。对电路调试过程中出现的一些问题提出解决的措施，并给 出了实物电路图以及测试结果。 第八章：全文的总结与展望。 山东大学硕士学位论文 2 1 设计思想 第二章系统方案确立 战场复杂电磁环境模拟系统的设计，应力求构建接近实战的战场电磁环境。 主要方法应是运用干扰信号模拟器，对复杂电磁环境实现模拟仿真。针对我军 现有通信装备的特点，旨在研制一种基于扫频式多制式干扰源的复杂电磁模拟 系统。利用现有通信的功放和宽带天线，形成宽频带覆盖的干扰信号模拟发射， 构建短波和超短波的复杂电磁环境仿真。 2 1 1 基于“软件无线电一的设想 软件无线电( s d r ，s o f t w a r ed e f i n e dr a d i o ) 的概念是由美国科学家j o em 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。软件无线电是以现代通信理论 为基础，以数字信号处理为核心，以微电子技术为支撑现代通信技术。软件无 线电以开放型、通用性、可扩展的简单硬件为平台，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，能够实现各种无线电应用功能。 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 换器以及数字信号处理单元【3 】。如图2 1 所示。 图2 1 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，同时还要把宽带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。软件无线电因其结构不同，其前端电路的结构也有所 区别。 6 山东大学硕士学位论文 其中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。 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。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、以及较大的内存容量和较低的功耗等特点。 2 1 2 软件无线电的主要优势 软件无线电的特点和主要优势有以下几个方面： 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。 系统模块复用的优势。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，大大降低系统的研制成本。 软件的生存期决定了通信系统的生存期。一般地说，软件开发的周期相对于 硬件要短，开发费用要低。这样就能更快地跟踪市场变换，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、基带及比 特流处理，有利于提高数据计算速度。 2 2 干扰样式选择 通信干扰是电子干扰的重要组成部分，也是通信对抗的进攻手段。其目的 是扰乱和破坏敌方无线电通信的正常进行【4 1 。 在军事上，根据干扰作用的性质，可将通信干扰分为欺骗性干扰和压制性 干扰两类【5 1 。 欺骗性干扰又称通信欺骗，它是指模仿敌通信电台的信号特征，使用敌台 7 山东大学硕士学位论文 的通信联络规定，冒充敌通信网内的某一电台与敌主台或其他电台进行通信联 络。向敌方传递假命令、假电文和假图像信息，以此迷惑敌人，造成敌方判断 错误和决策失当。欺骗性干扰要求干扰信号与敌方的通信信号极其相似，稍有 不慎即易被敌方识破。因此，通信欺骗的实施必须建立在充分掌握敌方电台通 联特点和通信资料的基础上，并且选择在敌方无线电通信处于混乱时短时间进 行。 压制性干扰是发射足够强的干扰信号，使敌方通信接收机难于或不能正常 接收通信信息。压制性干扰按电磁波的传播方式分为地波干扰、空间波干扰和 天波干扰；按干扰的作用时间分为连续干扰、间断干扰和信号启动干扰。连续 干扰是在敌方通信信号存在的整个时间内，连续发射干扰信号，对通信信号实 施不问断的干扰。这种干扰效果好，但隐蔽性差，容易被敌方侦察定位而遭火 力摧毁。因此，连续干扰一般在运动中使用。间断干扰是干扰发射机和监测接 收机在时间上交替工作，这种干扰能够随时监测干扰效果和被干扰信号的变化 情况。信号启动式干扰是由干扰机的引导接收设备实施启动，一旦收到敌方通 信信号，干扰发射机就即刻施放干扰，当敌通信信号消失，干扰机即自动停止。 这种干扰比较隐蔽，且具有一定的迷惑性。 压制性干扰是通信干扰的主要干扰方式，又按同时干扰信道的多少分为瞄 准式干扰和阻塞式干扰两种不同类型。 2 2 1 瞄准式干扰 瞄准式干扰是针对敌方无线电通信的一个确定信道施放的干扰。对于常规 通信信号而言，在信道频带宽度一定的情况下，信道数越多，则占据的频段越 宽。瞄准式干扰的干扰频谱只需要占据一个信道的频带宽度即可，它属于窄带 干扰。这种干扰方式的干扰功率集中在一个窄的频带内，能有效利用干扰功率， 并且在干扰敌方通信的同时，不影响己方的通信和侦察。瞄准式干扰是广泛应 用的基本干扰方式之一，在对常规通信信号实施干扰时，具有功率集中、不影 响己方通信和侦察等优点。对敌方主要无线电通信线路进行压制时，通常都是 采用瞄准式干扰。 山东大学硕士学位论文 2 2 2 阻塞式干扰 阻塞式干扰是在一个频段内针对敌方通信的若干信道施放的干扰。阻塞式 干扰由于要求干扰频段内的多个信道，因此要求干扰频谱很宽，能够覆盖所有 被干扰的信道，属于宽带干扰。实施阻塞式干扰时，由于干扰功率分散在很宽 的频段上，在与瞄准式干扰具有相同干扰距离和干扰效果的情况下，要求发射 的干扰功率要大得多。此外，在阻塞干扰的频段内，一般情况下，己方也无法 进行通信和侦察。 当在一个地域内，在同一个频段上有许多小功率战术电台工作时，适宜采 用阻塞式干扰。在实际应用中，阻塞式干扰一般用于干扰敌战术分队的超短波 电台。对于小功率的超短波战术跳频电台，阻塞式干扰也是一种有效的干扰手 段。当前阻塞式干扰应用最多的是扫频式干扰，因为其具有窄的瞬时干扰带宽， 但其干扰频带能在宽的频率范围内快速而连续地调谐。这种干扰方式既具有较 高的干扰功率密度，又可得到宽带阻塞式干扰的效果，可以在时域上间断地对 各个不同工作频率的通信电台实施干扰【6 】。 扫频干扰是将干扰信号按照一定的速度、一定的带宽和一定的扫频顺序陆 续扫过所有的频率信号，以达到干扰的目的。它自身有很多优点，如对发射功 率没有过高的要求，避免了功率浪费；可以没有接收设备，系统简单；而且比 较灵活，只要根据需要适当设置参数，在不同系统中都能够获得良好的干扰效 剁7 1 。 针对复杂电磁环境的设计，我们认为使用发射宽频带干扰的频率阻塞式干 扰方法是较好的选择。可以采用多点扫频源的方案来构建短波超短波的复杂电 磁环境。 2 3 干扰调制信号的选择 对同一种通信信号形式而言，由于干扰信号的样式不同将产生不同的干扰 效果，因此，应针对一定的信号形式选择干扰效果最好的干扰形式。从普遍意 义上讲，要得到较好的干扰效果，干扰信号应具有以下特征： 在时域，干扰波形与通信信号波形具有相同的统计结果。分析时从时域将二 者区分开来就比较困难； 9 山东大学硕士学位论文 在频域，干扰频谱与通信信号中携带信息的频谱相重合。分析时从频域也难 以将二者区分开来； 在能量上，干扰信号应具有压制敌方通信所需要的干扰功率。 具有上述特性的干扰信号一般都会产生好的干扰效果，这对于选择干扰样 式具有重要的参考意义。但是反过来看，具有良好干扰效果的干扰样式，不一 定同时具备以上三个特性。详见以下分析： 2 3 1 三种干扰信号的分析 射频噪声干扰具有最佳干扰信号的概率分布，属于正态分布，同时要有良 好的遮盖性能。采用适当的滤波器对白噪声进行滤波，再经过放大后获得的有 限频带的噪声，称为射频噪声。如图2 2 所示。 白噪声信号乜雯蔓垂垂蔓) 叫叶至豆至亘亘匠卜射频噪声 图2 2 射频噪声的生成方法 射频噪声属于平稳随机过程，在有限频带范围内具有均匀的功率谱密度， 可视为白噪声，其瞬时幅度服从高斯分布，概率密度函数为： 嘲嘞= 壶( 等) ( 2 - ) 式中 “m ) 一干扰信号瞬时幅度( v ) ： 碥一干扰信号均值( v ) ； 矾2 一射频噪声干扰在接收机输入端的功率( w ) 。 假定射频噪声的有效带宽为a a ，其中心频率为z ，则其功率谱密度为： g ；( 门：爰 z 一等z + 等 ( 2 - 2 ) 10 其它 压制性有源干扰以噪声干扰为主，调制方式有噪声调幅、噪声调频、噪声 调相等【8 10 1 。 l o 山东大学硕士学位论文 ( 1 ) 噪声调幅干扰( 窄带干扰) 实际射频噪声干扰的功率电平太低，难于满足大功率干扰的需要，所以实 际上的干扰信号通常需要采用正态分布的视频噪声对振荡器的载波进行调制而 产生。 若载波信号= ( q ( f ) + 伊) 的幅度随着调制噪声( ，) 的变化而变化，这种 调制过程称为噪声调幅干扰。 坼( f ) = 彳( f ) c o s ( q ( f ) + 咖= f + ( f ) 】c o s ( q ( f ) + 伊) ( 2 3 ) 式中 ( f ) 一调制噪声( v ) ； 一载波振幅( v ) ； q 一载波角频率( r a d s ) ； 伊一载波初相位( r a d ) 。 当调制噪声甜。( f ) 为平稳随机过程时，噪声调幅信号是非平稳随机过程，可 求得其相关函数为： 凡p ) = 譬c o s q f + 三c o s q f 色( r ) ( 2 4 ) 式中最( f ) 一调制噪声的相关函数。 噪声调幅信号的功率为载波功率加上调制噪声功率仃：的一半，即： 氐( 。) = 盟2 + 生2 ( 2 5 ) r ， 式中斗一载波功率。 设视频噪声功率谱为( 厂) ，噪声调幅信号的功率谱密度为： 只! ，( 厂) = t u m 万( 厂一五) + 三 见( 六一厂) + 以( 五+ ) 】 ( 2 6 ) 式中等万( 厂一z ) 一是噪声调幅信号载波的功率谱； 见( 六一门一是将视频噪声频谱从厂搬移至( 五一厂) 处。 见( 五+ 厂) 一是将视频噪声频谱从厂搬移至( 五+ 厂) 处。 公式( 2 6 ) 表明噪声调幅信号的频谱由载波频谱和两个对称的边带组成，其 频谱宽度为调制噪声频谱宽度的两倍，它属于窄带噪声干扰。 山东大学硕士学位论文 ( 2 ) 噪声调频干扰 噪声调幅干扰是窄带干扰，它的频谱宽度只是调制噪声频谱宽度的两倍。 增加调制噪声的频谱宽度将对调制器提出很高的要求，为有效地干扰通信系统 或使用一部干扰机同时干扰几部频率接近的通信系统，要求使用宽带干扰机。 产生宽频带干扰的主要方法是噪声调频。载波频率随调制噪声的变化而变化， 这种调制过程称为噪声调频。 吒( f ) = c o s ( c o k t + k p u e ( t ) ) 2 e o s ( c o k