（信息与通信工程专业论文）复杂电磁环境下动态背景信号生成系统的设计与研究.pdf

国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 摘要 二十一世纪的战争将是信息化、电子化的现代战争。在现代战场上，由于大 量使用电子信息装备，使得战场空间中的电磁信号非常密集，形成了极为复杂的 电磁环境。动态背景信号生成系统针对我军现代化装备发展需求，通过在内、外 场试验中提供高频段、多样式、高密度的电磁信号环境，在一定程度上模拟出现 代战场的实时通信环境，从而为装备的定型以及部队的作战提供真实可信的技术 依据。 本文介绍的是动态背景信号生成系统的设计与研究。首先从理论上分析了几 种背景信号生成的设想，比较其优缺点，研究了基于软件无线电技术的 “f p g a + d d s ”方案，根据方案选取芯片并对硬件设计中遇到的问题进行了总结 归纳；从合理利用f p g a 资源角度出发，提出了固定基带信源的解决方案，重点 分析了基于正交调制技术的信号生成，给出了实现方案并对其性能进行了评估； 最后介绍了对信源存储器的控制设计，并给出了u s b 总控单元的设计思想和具体 实现。 主题词：复杂电磁环境d d s 动态背景信号d d r 控制f p g a 第i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 a b s t r a c t t 1 1 em o d e mb a t t l ei n21s tc e n t u r yw i l lb ei n f o r m a t i o n b a s e da n de l e c t r o n i c b a s e d i nt h em o d e mb a t t l e f i e l d ，t h ee l e c t r o m a g n e t i s ms i g n a lw i l lb eq u i t ed e n s e w h i c hf o r m e d t h ee x t r ac o m p l e xe l e c t r o m a g n e t i s me n v i r o n m e n t t h e d y n a m i cb a c k g r o t m ds i g n a l g e n e r m i o ns y s t e mi sa i m m i n ga tc o n s t r u c t i n ga l le l e c t r o m a g n e t i s me n v i r o n m e n tw h i c h c o n t a i n sh i g hs i g n a lf r e q u e n c y ，d i f f e r e n ts i g n a lp a t t e ma n dh u g es i g n a ld e n s i t y n e m a i nf u n c t i o no ft h es y s t e mi st os i m u l a t ear e a l - t i m ec o m m u n i c a t i o ne n v i r o n m e n tt o t e s tt h em i s s i l eo ro t h e rh i g h t e c hw e a p o n sa n t i - j a m m i n gc a p a c i t yi nt h e b a t t l e f i e l d n o w a d a y s r h i sp a p e ri sb a s e do nt h ep r o j e c to ft h ed 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 i o n s y s t e m 。f i r s t l y ，t h ep a p e ra n a l y s e st h ep r o je c to fb a c k g r o u n ds i g n a l so nt h eb a s i s ， c o m p a r e st h ea d v a n t a g ea n dd i s a d v a n t a g e so ft h e m ，b r i n gf o r w a r dt h e “f p g a + d d s ， p r o j e c tb a s e do ns o f t w a r er a d i ot e c h n o l o g y ，c h o o s et h eh a r d w a r ec h i p sa c c o r d i n gt ot h e p r o j e c t ，a n ds u mu pt h ep r o b l e m si nt h eh a r d w a r ed e s i g n ；i no r d e rt ou s er e s o u r c eo f f p g ar e a s o n a b l y ，b r i n go u tt h es e t t l e w a yo ft h ef i x e db s a e b a n ds i g n a ls o u r c e a n a l y s e st h es i g n a lg e n e r a t ew a yb a s e do nq u a d r a t u r em o d u l a t i o nt e c h n o l o g y ，m a k eo u t t h er e a l i z ew a ya n de v a l u a t et h ec a p a b i l i t y ，f i n a l l yi n t r o d u c et h ec o n t r o ld e s i g no f s i g n a l s o u r c em e m o r i z e ra n du s bc o n t r o lu n i t k e yw o r d s ： c o m p l e xe l e c t r o m a g n e t i s me n v i r o n m e n td d s d y n a m i cb a c k g r o u n ds i g n a l d d rc o n t r o lf p g a 第i i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 表目录 表2 1a d 9 9 5 7 串行通信指令字节2 l 表3 1 模拟信源存储类型o 3 3 表3 2 数字信源存储类型。3 3 表3 3 控制参数格式说明。4 3 表3 4 各种调制方式的f 0 和9 0 生成4 4 表3 5i o b u f 的三态控制0 6 1 6 4 表4 1 基带信源数据格式6 8 表4 2 控制字数据格式6 9 第i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图目录 图2 1 背景信号生成系统结构框图5 图2 2 静态背景信号产生器原理框图6 图2 3 动态背景信号生成系统总体结构图7 图2 4 正交调制频谱变化图8 图2 5d d s 的f p g a 实现框图9 图2 68 0 3 3 0 m h z 基带信号生成框图1 2 图2 7 标准s s b 信号产生流程图1 3 图2 8 单支路背景信号产生流程1 3 图2 9x i l i n x 设计流程图1 5 图2 1 0a d 9 9 5 7 功能框图1 9 图2 1 1a d 9 9 5 7i 作于q d u c 模式时的详细功能框图1 9 图2 1 2 并行输入端口时序图2 0 图2 1 3 串行i o 端口时序图2 2 图2 1 4c y 7 c 6 8 0 1 3 内部结构框图2 3 2 3 图2 15 单支路硬件分布电路板框图2 4 图2 1 6f p g a 管脚分配示意图2 4 图2 17t p s 7 5 5 01 电源模块电路图2 5 图2 1 8l s m 2 系列1 8 v 电源模块电路图2 5 图2 1 9l s m 2 系列2 5 v 电源模块电路图2 6 图2 2 0l s m 2 系列3 3 v 电源模块电路图2 6 图2 2 1 单支路基带信号生成单元硬件内部结构图2 7 图3 1 正交调制数学模型2 8 图3 2 成形滤波器的频谱( 左) 和奇函数波形( 右) 。3 5 图3 3 数字信号成型滤波过程3 5 图3 4 内插( l - - 4 ) 前后的频谱结构图3 8 图3 5 完整的内插器方框图3 8 图3 6 多级内插滤波结构3 9 图3 7 各级滤波器通带阻带示意图4 0 图3 8 各级滤波器幅度响应4 0 图3 9 内插前后限带基带模拟信号的频谱和波形比较4 l 图3 1 0 内插前后限带基带模拟信号的频谱和波形比较4 2 第页 国防科学技木大学研究生院硕士学位论文 图3 1 1f n 和吼的生成模块4 4 图3 1 2d d s 直接频率合成器的i p 核生成4 5 图3 1 3 使用第一种方法生成f s k 的三路信号生成总体资源分布图4 6 图3 1 4 使用第二种方法生成f s k 的三路信号生成总体资源分布图4 7 图3 1 5 乘法器i p 核生成4 7 图3 1 6d s p 逻辑片内部结构和功能简图1 9 1 4 8 图3 1 7 ；d i l l 减法器i p 核生成4 9 图3 18 瑞利衰落仿真模型5 2 图3 1 9 瑞利衰落仿真中数据流格式转换图5 3 图3 2 0 改进的瑞利衰落仿真模型5 3 图4 1c y 7 c 1 4 2 0 a v l 8 内部结构图5 5 图4 2d d r 与f p g a 接口的连接【1 0 1 5 6 图4 3m i g 工具界面5 6 图4 4d d r i is r a m 控制器生成文件程序结构图2 0 5 8 图4 5c y 7 c 1 4 2 0 a v l8 时序关系图5 9 图4 6 两级d c m 级联结构图：6 0 图4 7 两级级联后的d c m 布局布线后仿真波形6 1 图4 8 读写控制r w 为0 写状态时控制信号及写入数据c h i p s c o p e 图6 2 图4 9 读写控制r 矿为1 读状态时控制信号及读出数据c h i p s c o p e 图6 2 图4 10c h i p s c o p e 捕获数据截图6 3 图4 11 双倍数据速率转换结构图6 4 图4 1 2c h i p s c o p e 捕获数据截图6 5 图4 1 3u s b 总线控制的接口图6 6 图4 1 4u s b 口下载界面6 7 图4 1 5m i c r o s o f tv i s u a lc + + 界面6 9 图4 1 6 三路信号叠加的控制字数据下载7 0 图4 17 三路信号叠加频谱示意图7 0 第v 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。 学位论文作者签名：圭竽一 吼加密年l 1 只叩 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? 允许论文被查阔和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行捡索，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) 学位论文作者签名： 作者指导教师签名： 日期：分学年l f 月j 尹日 日期：汐口占年j 月7 尹日 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第一章概论 本章主要对动态背景信号生成系统的研究背景进行了相关介绍，说明了课题 研究的必要性以及相关应用意义，同时对国内外战场复杂电磁环境的研究现状和 发展趋势进行了相关分析和展望，最后介绍了课题的研究内容和文章结构安排。 1 1 课题研究背景及应用意义 现代战场上，由于大量使用电子信息装备，不仅数量庞大、体制复杂、种类 多样，而且功率大，使得战场空间中的电磁信号非常密集，形成了极为复杂的电 磁环境。所谓复杂电磁环境，是指在一定的战场空间内，由空域、时域、频域、 能量上分布的数量繁多、样式复杂、密集重叠、动态交迭的电磁信号构成的电磁 环境，其形成与发展及其对信息化战争的影响，当前十分引人注目。从它的定义 可以看出，复杂电磁环境是电磁环境在空域、时域、频域和能量上的复杂化表现 形式。复杂电磁环境主要包括军用装备电磁辐射及侦搜环境、民用电子设备电磁 辐射环境、自然电磁辐射环境其主要特点有： 一，广泛性 交战双方为削弱对方电子战能力、降低或破坏对方电子设备的使用效能，同 时保障己方设备效能的正常发挥，将会采取各种措施，在陆地、海上、空中乃至 太空等多维空间展开争夺电磁频谱主导权的斗争，对象涉及无线电通信、雷达、 制导、导航、声呐和电信、广播、电视等各种电子设备，范围遍及整个电磁频谱 空间。 二，密集性 一在一定的空域、时域、频域上，军地大量电子设备同时集中使用，电磁波十 分密集，工作频率非常集中，导致作战区域内的电磁环境十分复杂。 三，动态性 在信息化战场上，交战双方为保持通信联络畅通和作战指挥的不间断，必将 不断使用新体制雷达、电台和新的通信频率，致使战场电磁频谱环境随双方在电 磁频谱领域斗争态势的不断变化而变化。 四，对抗性 在未来战争中，为准确掌握敌方的作战行动，交战双方将加强对电子设备的 侦察监视，并对指挥、通信、雷达等系统实施软硬打击，侦察与反侦察、干扰与 反干扰、压制与反压制、摧毁与反摧毁的斗争将十分激烈，电子信息系统将工作 第1 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 在激烈对抗的电磁环境中。 五，可控性 虽然战场电磁环境的构成很复杂，但只要统筹好电磁频谱的使用，实施科学、 规范、严格的管理，就可以避免相互之间的自扰，就能够对复杂电磁环境实施有 效控制。 六，相对性 复杂电磁环境是一个相对概念，对于电磁频谱管控能力及电子设备抗干扰能 力强的一方而言，这种复杂性也许并不存在，但对于管控不力、技术水平较弱的 一方而言，可能稍有情况就变得十分复杂。 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。因此，如何产 生多路背景信号是我们模拟产生复杂电磁环境的关键。 所谓背景信号是指其信号非实时调制产生的信号，不需要解调，通过设置场 景中每个信号的调制样式、载频、信号幅度等参数，并依据一定设置控制每个信 号的出现与隐没，以形成复杂电磁环境的背景信号。 目前，世界各国都十分重视电子战训练场建设，美、英、法、俄等大国加大 对电子战训练场的投入，不断改进训练手段。如北约靶场的战术雷达威胁模拟器 可以模拟苏制s a 8 地空导弹系统和z s u 2 3 4 四联火炮的“炮盘”雷达，美国中 部的大西洋电子战靶场配备的信号模拟器可模拟 s a 一2 ，s a 一3 ，s a 5 ，s a 一6 ，s a 8 ，s a 1 1 地空导弹系统、z s u 2 3 4 、通信干扰机和m 波段干扰机等信号。一些发展中国家也在努力增强本国的电子战实力，在加速研 制、改进和完善电子战装备和手段的同时，加紧建立电子战训练场，对部队进行 严格的电子战训练。 1 2 国内外的研究现状及发展趋势 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。国内对背景信号的模拟器的研 究尚处于发展阶段，国防科技大学x x 系于2 0 0 2 年研制成功的战场复杂电磁环境 第2 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 模拟器，能够在h f v h f u h f 等频段内模拟出高密度的各种调制方式的背景信号， 国内已经有公司研制成功了相应的战场电子战装备信号模拟设备，能够软件无线 电技术模拟v h f u h f l 频段内雷达和通信信号，能够模拟产生常规脉冲、脉冲压 缩、脉冲多普勒、频率捷变以及重频参差等雷达信号，产生c w f m a s k f s k b p s k 等各种模拟或数字通信信号，也能模拟如l i n k 4 刖l i n k l l 等复杂的数据链信号。 不过这些都是对单个或少数几路通信信号的模拟，对于真实战场通信环境中的高 频段、多样式、高密度的电磁信号环境的仿真研究还有待进一步增强。 随着技术的更新换代和器件性能的快速提升，背景信号生成系统不仅可以实 现背景信号场景的快速切换，而且还能够在此基础之上针对每幅背景信号的信号 数目、各种调制方式、信号载频在频域上的分布、信号在幅度上的分布实现灵活 的操控，充分模拟出真实战场通信环境的高电磁密度，宽频段覆盖等特性，并最 终实现实时运算。 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。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测设备构造的通信信 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。在该环境中瞬时带宽内信号数量应达到数百个，信 号本身也必须具备一定的动态变化特性。 1 3 课题研究的内容及论文组织结构 本课题来源于教研室的“x x x 工程”项目“复杂电磁环境下动态背景信号生 成系统”。该系统能够在2 5 0 m h z 的瞬时带宽内产生不少于四百个可控的背景信 号，每个信号的调制样式、幅度、调制指数和频率等参数动态可控，系统以辐射 式或注入式输出供通信装备试验使用。本课题主要研究4 0 0 路动态背景信号的生 成。 第一章是“绪论 ，分析本文的研究背景，简要地介绍了复杂电磁环境下特 点及研究现状，以及本文的组织结构。 第二章以实验室研制成功的上一代战场静态电磁环境模拟器为技术依托，提 出了动态背景信号生成系统的“f p g a + d d s + d d r 实现方案，对系统的组成、工 第3 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 作流程和硬件设计等方面做了详细介绍。 第三章重点的分析了了f p g a 内部多路背景信号生成理论支持及实现方法， 通过研究各种生成方式特点，从充分利用f p g a 内部资源出发，如何优化信号性 能成为研究重点。 第四章研究了基于x i l i n x 公司m i g 核工具的d d r i is r a m 控制器设计方案， 通过分析s r a m 高速存储读写的原理及时序特点，独立设计完成对d d r i is 洲 控制，对各部分功能进行了分析，对各模块时序进行了相关硬件验证。最后加入 u s b 总线控制单元，通过u s b 口下载控制字实现对多路信号生成的控制及对 d d r i is r a m 的控制。在硬件设计部分，参与设计了动态背景信号生成系统的各 模块硬件电路图，包括d d r i is r a m 原理图，以及f p g a 同d d r i is r a m 接 口的硬件电路。 第4 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第二章系统整体设计方案及硬件结构 本章首先从背景信号生成系统的功能出发，介绍了几种背景信号生成器的构 想和优缺点，在此基础上提出了本课题选择的方案“f p g a + d d s + d d r 。然 后通过分析标准信号生成流程，从资源合理利用角度出发，给出背景信号生成系 统的整体设计方案，分析了f p g a 内实现多路信号生成的关键所在固定信源， 最后介绍了用来实现5 0 路基带信号生成单元的各芯片的选取，并重点分析了 a d 9 9 5 7 数字上变频技术，给出了整体系统的硬件结构图。 2 1 背景信号生成方案分析 动态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、实时变化的的动态电磁信号环境，尽可能真实地 模拟出战场的通信环境。 能够在h f 频段、v h f 频段、u h f 频段内各提供1 组瞬时带宽分别为5 0 0 i m z 、 2 5 0 m h z 、2 5 0 m h z 的频率可控的多路信号，其中i - i f 波段的5 0 0 k h z 内存在1 0 0 路信号，v h f 、u h f 波段的2 5 0 m h z 带宽内存在4 0 0 路信号。本课题主要研究的 是中频8 0 至3 3 0 m h z 的多路背景信号生成系统，具有实时生成、编辑、修改、存 储各参数的软件控制功能。 h f 背景信号产生单元在系统控制器的控制下，产生1 5 m h z - - 8 0 m h z 频段内 的背景信号，产生的信号直接通过功放输出，v h f 波段系统控制器的控制下产生 8 0 3 3 0 m h z 内的2 5 0 m h z 带宽的背景信号，u h f 波段信号模拟器在系统控制器的 控制下产生3 3 0 3 0 0 0 m h z 内的2 5 0 m h z 带宽的背景信号，结构框图如图2 2 所示。 主要的部分是v h f 和u h f 频段内不少于4 0 0 路基带背景信号生成单元。 图2 1 背景信号生成系统结构框图 2 1 1 各种信号生成方案比较 第5 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 软件无线电( s o f t w a r ed e f i n e dr a d i o ) ，顾名思义是用现代化软件来操纵、控制 传统的“纯硬件电路”的无线通信。无线通信功能由软件控制来实现，打破了有史以 来设备的通信功能的实现仅仅依赖于硬件发展的格局。以下介绍基于广义软件无 线电技术的各背景信号生成方案。 2 1 1 1 各种背景信号发生器介绍 ( 一) 静态背景信号产生器【4 1 已经投入使用的静态背景信号模拟器由国防科技大学x x 教研室研制并投入 使用，其方案特点在于预先计算出一组场景的波形数据，通过系统控制器存入高 速s r a m 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。具体生成框图见下图。 系 统 控 制 器 图2 2 静态背景信号产生器原理框图 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，生成中频背景信号( 2 0 - 8 0 m h z ) ，输出至 d d s 进行频谱搬移。由于当时读取存储器s r a m 的循环周期为5 m s ，所以对于变 化周期大于5 m s 的动态背景在此背景信号产生器中是无法反映的，因此形成了宽 频带、高密度、多样式的静态背景。 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。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。 ( 二) “d s p + f p g a 方案 6 1 第6 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 随着数字信号处理器( d s p ) 和现场可编程门阵列器件( f p g a ) 的发展，采 用“d s p + f p g a ”的数字硬件系统显示出其优越性，正越来越得到人们的重视。通用 的d s p 优点是通过编程可以应用到广泛的产品中，并且主流制造商生产的d s p 芯 片已能满足算法控制结构复杂、运算速度高、寻址方式灵活和通信性能强大等需 求。而f p g a 芯片具有接口设计灵活，易于实现时序控制的特点，并且有许多功 能丰富的i pc o r e 可以完成工程实践应用。这样，采用“d s p + f p g a 的通用数字信 号处理系统可以把二者的优点结合起来，兼顾速度和灵活性，既满足底层信号处 理算法要求，又满足高层系统控制分析的需要。 “d s p + f p g a 方案如下图所示，整个系统主要分为三个部分，信号运算生 成模块、信号组合处理模块和数模变换模块组成，三个模块之间通过f p g a 灵活 的实现各个模块之间的高速数据传输。 图2 3 动态背景信号生成系统总体结构图 如图2 3 所示，信号运算生成模块由d d r 2u n b u f f e r e ds d r a m 内存条和d s p t m s 3 2 0 c 6 4 1 6 处理器组成，信号组合处理模块由两片x i l i n x 公司的v i r t e x 一4l x l 0 0 系列f p g a 芯片和两片c y p r e s s 公司的d d ri i s r a m 存储芯片组成，数模变换模 块由d a c 芯片a d 9 7 3 6 并加上相应的接口组成。 整个背景信号生成系统的工作流程包括数据准备阶段和背景信号生成阶段。 数据准备阶段主要的功能就是完成5 0 0 路调制信号的生成，即完成了信号运算生 成模块的功能。主要由d s p 通过f p g a 从d d r 2s d r a m 中读出基带数据信号进 第7 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 行调制，调制完成后再通过f p g a 送回d d r 2s d r a m 进行存储，等待f p g a 的 下一步处理。背景信号生成阶段对应完成信号组合处理模块的功能，即由f p g a 从调制信号中按照用户需求选取任意路信号，每路信号乘以相应的幅度衰落信息 并进行叠加后实时送出到外部d d r i is r a m 进行存储。当d d r i is r a m 存满一 幅背景信号的所有样点之后，控制d a c9 7 3 6 对此d d r i is r a m 进行读取，完成 数模变换模块的功能。与此同时f p g a 转向另外一个d d r i is r a m 进行写入， 继续存储下一幅场景，当存满之后再进行d d r i is r a m 存储器的切换，这样就 实现了不同场景之间的无缝切换，如此反复，从而实现背景信号的动态变化。 ( 三)“f p g a + d d s 方案构想 本课题的信号生成算法相对比较简单，但数据量大、处理速度要求高，考虑 数字上变频技术，即先生成各种低频基带调制信号，再将其频谱搬移到v h f 和 u h f 高频段的某中心载频处。 数字上变频技术依据正交调制原理，正交调制的优点在于不会在高频段出现双 倍基带频谱宽度，不会引起频谱混叠。如图2 4 所示，经正交调制后，频谱宽度与 基带信息频谱宽度相同。 ，j 一、| j i、频域 1 i ，1一， 0 一一一1。一， 0 图2 4 正交调制频谱变化图 所以考虑采用f p g a ( 现场可编程门阵列) 来实时产生信号。f p g a 性能好， 规模大，可重复编程且开发投资小，随着器件的不断更新换代，芯片的处理速度越 来越快，逻辑功能越来越强大，逻辑资源越来越丰富，完全可以用f p g a 代替d s p 来实现信号产生。 直接数字合成( d i r e c td i g i t a ls y n t h e s i s ，d d st 1 ) 技术，可以用于数字上( 下) 变频、解调以及实现各种信号调制方式。d d s 一般包括相位累加器、相位加法器、 相位幅度转换器等组成，在参考时钟的驱动下，相位累加器对频率控制字k 进行 第8 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 线性累加，得到的相位码对波形存储器寻址，使之输出相应的幅度码。无论是波 形存储表的深度还是字节内的比特数，对d d s 的性能影响都很大，都是d d s 的 关键参数。 1 、正弦波形存储器的地址数目决定了相位量化误差，一个n 位的相位累加器， 其最高相位分辨率为痧= 2 z t 2 。相位累加器的位数越高，相位分辨率就越高， 在参考时钟一定的情况下，d d s 的频率分辨率就越高，但r o m 表占用的资源也 越大。在实际的d d s 中，可利用正弦波的对称性，将2 7 r 范围内的幅、相点减少 到三以内来降低r o m 的存储量。+ 2 2 、每个地址对应的比特数决定了幅度量化误差，每个地址对应的比特数越多， 对应于每个幅值的量化位数就越高，则量化误差就越小，这样实现的d d s 的性能 就越高，但是r o m 表占用的资源也会随之增加。 相位累加器由n 位全加器和n 位累加寄存器级联而成，对二进制的频率控制 字( f r e q u e n c yc o n t r o lw o r d ，f c w ) 进行累加运算。由于相位累加器的位数有限， 对固定的频率控制字进行累加，有限次之后必会使相位累加器溢出，这样就可以 产生周期的相位信息。用相位信息作为地址读取波形存储器中相应的幅度点，就 会输出周期的正弦( 余弦) 信号。d d s 在f p g a 中的实现框图如图2 5 所示。 f c s i n 秒 c o s 口 图2 5d d s 的f p g a 实现框图 加法器与寄存器一起构成相位累加器，频率控制字通过相位累加器得到相应 的相位信息，每来一个时钟脉冲，相位就在原来的基础上增加一个相位增量( 即 频率控制字) 。d d s 的频率精度由累加器的字长决定，为了保证足够的频率分辨 率，累加器的位数要足够长。如果直接将累加器输出作为正弦查找表的输入地址， 正弦查找表将会很长，需要很多的存储资源。在f p g a 实现的时候，必须考虑资 源的使用情况，因此需要使用量化器对累加器的输出进行截取以得到地址信息。 这种截取不会降低频率分辨率，但是会带来相位噪声，因为截取后的相位查找表 的准确度将会大大降低。 d d s 的输出频率。以及频率分辨率通过下式计算： 第9 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 f f z 叫= 百j c l k f c w 矽= 晋 么 ， z ( 2 1 ) 式中，= 怡为参考时钟( 输入信号的采样频率) ，n 为相位累加器的位数，f c w 为频率控制字( 相位累加器的相位增量) 。 2 1 1 2 各方案优缺点比较 静态背景信号产生器的优点是成本低、结构简单、易实现。预先计算好的背 景场景的波形数据可达到1 2 0 0 路信号叠加，但信号的载频点，调制样式，幅度等 参数无法实时控制，要切换一组背景只能事先计算定义一组信号的频率，调制样 式等参数，重新生成波形数据存入存储器。可以说静态背景是“死背景 ，无法 与目前日益发达的抗干扰技术抗衡。 d s p 的优点是通过编程可以应用到广泛的产品中，并且主流制造商生产的d s p 芯片已能满足算法控制结构复杂、运算速度高、寻址方式灵活和通信性能强大等 需求。数据准备阶段，d s p 已算好5 0 0 路信号并将其存储到d d r 2s d r a m ，5 0 0 路信号参数无法实时控制。 经仿真验证，“d s p + f p g a ”方案实时性较差，场景切换间隔一定时间，切换 时间长，无法体现实时产生控制的思想，动态化效果不好。因为传统的d s p 芯片 结构本质上是串行的，当遇到需处理的数据量大、处理速度要求高、但是运算结 构相对比较简单的底层信号处理算法，d s p 难以发挥其优越性，这类工作适合用 f p g a 硬件实现。 “d d s + f p g a 方案，结构简单，信号生成运用正交调制原理，算法成熟， 便于实时控制，但总体控制单元设计复杂，才能实时控制多路参数可调的背景信 号，参数可调说明背景信号不再是静止不动的。f p g a 开发从硬件和软件工具上都 比较成熟，经过综合考虑选择“f p g a + d d s ”方案。 2 1 2 “f p g a + d d s ”具体方案分析 根据动态背景特点，在8 0 3 3 0 m h z 的瞬时带宽中分布着多种实时控制的调制 信号，每路信号的工作参数，包括幅度，调制方式，调制指数，频率等实现动态 可控，并随着一定规律形成信号的出现与隐没，操作直观简便，密度达到1 4 0 0 个2 5 0 m h z 。输出信号样式包括a m 、f m 、s s b 、d s b 、c w 、2 a s k 、2 f s k 、2 p s k 、 q p s k 等，频率分辨率优于2 0 0 h z ，信号频谱宽度u h f 和v h f 频段小于3 0 k h z ， 单路信号的杂散抑制优于3 5d b ，互调抑制优于2 0 d b 。每路信号幅度瞬时变化最 大范围为2 0 d b 。 第1 0 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 2 1 2 1 子带划分的具体方案7 l 如果一个频段带宽越宽，则模拟该段信号所需的采样率也越高，由此导致计 算量大大增加。为了减少计算量，必须设法降低采样率。我们考虑将2 5 0 m h z 的 频带分成几个子带，每段频率范围内产生几十个信号，再将频谱拼接成2 5 0 m h z ， 则2 5 0 m h z 内可以生成4 0 0 路背景信号。子带的引入，解决了由于载频相差较大 而带来的高速率采样问题，极大地减小了数据量，使系统能够使用目前已有的 f p g a 器件和d d s 器件来实现。 将8 0 - - 3 3 0 m h z 的频带范围划分为带宽为3 1 2 5 m h z 的8 个子带，则8 个子带 的频率范围分别为：8 0 - 1 1 1 2 5 m h z ，1 1 1 2 5 - - - 1 4 2 5 m h z ，1 4 2 5 1 7 3 7 5 m h z ， 1 7 3 7 5 2 0 5 m h z ，2 0 5 - 2 3 6 2 5 m h z ，2 3 6 2 5 2 6 7 5 m h z ，2 6 7 5 2 9 8 7 5 m h z ， 2 9 8 7 5 - - 3 3 0 m h z ，其中心载频分别为8 0 m h z 、1 11 2 5 m h z 、1 4 2 5 m h z 、1 7 3 2 5 m h z 、 2 0 5 m h z 、2 3 6 2 5 m h z 、2 6 7 5 m h z 、2 9 8 7 5 m h z 。先由信号产生模块产生0 - - - 3 1 2 5 m h z 内的信号，然后进行频率搬移，分别搬至上述8 个频带内，拼接成8 0 - - 3 3 0 m h z 的瞬时带宽。以8 0 - 1 1 1 2 5 m h z 频段为例，假设该频段内需要产生频率为石、五、 d v o = ( 1 + 导) 、厶的5 0 个不同频率的信号，信号之和记为s 。则只需要在o o k 3 1 2 5 m h z 内产生频率为石、五、石、厶的5 0 个信号，信号之和记为s ，然 后搬移至8 0 - - 1 1 1 2 5 m h z 频段内即可得到s 。 每一个调制后的信号都可以表示成同相分量和正交分量的表示方式，由此可 得信号之和s 7 的表达式为： s ( ，2 ) = s ( 功+ 逆( 功+ + 瓯( 刀) = 正( 功c o s c o i n + q ( n ) s i n c o i n + 1 2 ( n ) c o s c o z n + 奶( n ) s i n c 0 2 n + 七ln ( n ) e o s c o u n + o n ( n ) s i n c o n n = i i ( n ) c o s o j o + q 忉+ 鸟( 功s i n c o o + 哆k + 七l n ( n ) c o s o j o + 厶n + q n ( n ) s i n c o o + a c o d n = i i ( n ) e o s a c o l n + q ( n ) s i n a c o r n + + 厶( n ) c o s a e o n n + q ( n ) s i n a c o n n c o s c o o n + 【一i i ( n ) s i n a t o l n + q ( 功c o s a a n + + ( 一如( 功s i n a c o n + q ( n ) c o s a c o n ) s i n c o o n ( 2 2 ) 式中，n 等于5 0 ，q = 劬一( 扛1 ，2 ，n ) 。q 为经d d s 频谱搬移后的 8 0 1 11 2 5 m h z 内任意载频点，为d d s 设置的中心载频，劬为f p g a 内部生 成的载频，其频率范围是0 - 3 1 2 5 m h z 。定义同相、正交分量为： l o ( n ) = l l ( n ) c o s a c o l n + q i ( n ) s i n a c f i n + 十厶( n ) c o s a c o u n + q ( 刀) s i n a c a u n ( 2 3 ) 第1 1 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 鳊( 门) = - i i ( n ) s i n a c o l n + q ( n ) c o s a c o l n + + ( 一凡( n ) s i n a c o u n - i - o n ( n ) c o s a o ) n ) ( 2 4 ) 则有： s ( 聆) = i o ( n ) c o s 国o ( n ) + q o ( ，2 ) s i n ( d o n ( 2 5 ) 八个子带依据上述原理，拼接生成8 0 3 3 0 m h z 的中频信号。考虑到电路板空 间的限制，不能在同一块电路板上实现8 个子带的信号生成，因此每一块电路板 上实现1 个子带的单支路信号生成，单支路包括5 0 个符合方案要求的背景信号。 8 0 - - 一3 3 0 m h z 子带拼接基带信号生成框图如图2 6 所示。 l 匿产胆 背景信号广一1l 广一1 l 匾翌产竺1 11 2 5 - 1 4 2