通信收发信机新技术及雷达通信一体化信号源设计

1、Harbin Institute of Technology通信收发信机课程报告题 目：通信收发信机新技术及雷达通信一体化信号源设计院 （系） 电子与信息工程学院 学 科 信息与通信工程 学 生 学 号 哈尔滨工业大学通信收发信机新技术及雷达通信一体化信号源设计随着通信技术的不断发展，人们对通信的需求愈来愈复杂化和多样化，其发展的最终目标是人们能够无拘无束地获取和交换信息，其总趋势是数字化、智能化、综合化、个人化和全球一网化。现代通信技术的发展正围绕“5W通信”这一目标逐步向前推进，通信收发信机也相应的采用了新的技术，有了新的发展。1 通信收发信机最新技术1.1 OFDM通信收发信机OFDM技

2、术是在上个世纪70年代提出的，真正被广泛应用还是在快速傅里叶变换算法出现以后。由于数字信号处理DSP技术的飞速发展，OFDM作为一种可以有效对抗多径干扰和高效率的传输技术，引起了众多学者的研究兴趣。OFDM技术已被广泛的应用于各项通信系统中成为了LTE和WiMAX通信系统的关键技术，并且其频谱利用率高、成本低等原因受到越来越多的人关注，随着人们对通信的数据化、宽带化、个人化和移动化的要求，OFDM技术在综合无线通信接入领域将得到广泛的应用。多载波系统通过把高速数据流分解为若干个低速率的并行数据传输，从而构成多个低速率符号并行发送的传输系统。在单载波系统中，一次衰落或干扰就可能导致传输的失败，但

3、是多载波系统中，某一时刻只会有少部分的子信道受到深度衰落的影响，因为无线信道中虽然总的信道是非平坦的，但是各个子信道上是相对平坦的，而且由于每个子数据流的速率较低，符号的持续时间较长，只要能够大于信道的最大时延扩展就可以消除ISI。为了提高频分复用的频带利用率，传统的多载波系统是将各个子信道的频谱重叠，在接收端用滤波器进行分离，而OFDM的高频谱利用率得益于其采用了正交的子载波，在接收端可以通过相关解调技术分离出来，如图1所示。OFDM系统框图如图2。图1 传统多载波与OFDM图2 OFDM系统框图OFDM 收发机的 FPGA 设计1：OFDM系统发送端的设计结构的框图如图3，把随机信源经过信

4、道纠错编码，这里采用的卷积编码，之后通过交织器，对编码后的信号进行交织，然后把比特流映射到星座图上，数据由单比特的数据流变成了位宽为16位的两路正交的数据流，在把数据流固定位置插入导频序列，经过IFFT变换后把数据形成正交的子载波，加入循环前缀和帧头完成基带数据的处理，最后经过数模变换和射频处理把数据发送出去。图3 发射机框图图4是基于IEEE802.11a协议的OFDM接收系统的结构图，接收机的解调处理过程可以这样描述，在接收到无线电信号后，经过射频处理、采样送入基带处理模块，经过帧检测模块的检测判决数据包的起始位置，为了把频率限制在一个固定的范围内，利用接收到信号的短训练序列做频偏的粗估计

5、，基本的粗同步之后使用长训练序列就进行频率的细估计，然后是符号同步，找到FFT计算的窗口，信道均衡以后的数据进行残留的频偏估计和相位旋转的估计，然后进行数据的解调、解交织、信道解码。由于发设计的结果是固定的，帧结构也是按照协议约定好的，那么接收端的在数据的解调、解交织、信道解码也是固定的方法。而对OFDM系统，各种同步算法和信道估计的技术是决定接收机性能的关键。图4 接收机结构框图1.2 MIMO通信收发信机传统的无线通信系统采用一个发射天线和一个接收天线，即所谓的单入单出SISO（Single-Input Single-Output）系统，如果发射端和接收端都采用多天线阵列，就构成了MIMO

6、（Multiple-Input Multiple-Output）系统。对MIMO技术的研究源于对多天线阵元空间分集的性能研究。自从MIMO技术的提出以来，研究的热点除了空时编码技术之外，MIMO信道测量与建模、多天线技术、波束成形、MIMO多用户检测等方面的研究也被广泛关注2。MIMO技术充分利用了随机衰落和可能存在的多径传播，充分利用空间资源，在不增加系统带宽和天线发射总功率的情况下，有效的对抗无线信道的衰落，大大提高了系统的频谱利用率和信道容量。MIMO技术作为下一代宽带无线通信系统的框架技术，是实现充分利用空间资源以提高频谱利用率的一个必然途径，基于MIMO的无线通信理论和传输技术显示了

7、巨大的潜力和发展前景。2发2收MIMO系统是在发送端配置2根发送天线，接收端配置2根接收天线，其原理框图如图5所示，从图中可以看出，发送通道和接收通道分别由两个基本的单天线电路构成。按照MOMO系统的要求，两个发送通道采用相同的本地振荡频率;两个接收通道采用相同的本地振荡频率3。图5 2发2收MIMO系统的原理框图2发2收MIMO系统误码性能测试流程图如图6，在发送端，首先由MATLAB产生发送数据，并对发送数据进行BPSK调制；然后对发送数据进行Alamouti空时编码，将发送数据分配到两个发送天线上，两个发送天线的数据同时进行发送；最后对两个天线的发送数据进行波形成形，再经过数模变换和上变

8、频之后，通过两个天线发送出去。在接收端，依然用逻辑分析仪同时对两个接收通道的采样结果进行捕获，并用MATLAB对两个接收天线上的接收数据进行分析，包括同步、信道估计、线性合并及最大似然译码。最后将接收数据和发送数据进行比较，计算传输过程产生的误码率。图6 2发2收MIMO系统误码性能测试流程图1.3 雷达通信一体化收发信机近年来，一个新的名词“雷达通信一体化”进入人们的视野。作为无线电理论最重要的两种应用，无论理论基础还是系统实现，雷达和通信系统都极为相似：首先，雷达系统和通信系统的理论基础都涉及到电磁理论、电路与系统、信号与信号处理、计算机技术等，随着计算机理论的不断发展，各种先进的理论都在

9、不断应用在雷达系统和通信中；其次，雷达系统和通信系统在原理上都是电磁波发射和接收的过程，雷达信号与通信信号都是经过天线发射，以电磁波的形式空间进行传输，并被接收机接收；再次，雷达系统和通信系统都是由发射机、天线、接收机、信号处理器、显示终端等组成。可见，如果对雷达进行改造，适当增加一些频率转换和信号变换的电路，那么完全有可能利用脉冲多普勒雷达进行通信，进而实现雷达通信一体化4。上世纪70年代，美国海军就在机械扫描的雷达上进行了大量的通信数据传输研究。2006年，Northrop Grumman公司又对基于有源相控阵雷达的通信系统进行了相关研究，并与多家公司以及国防工业厂商合作使得该一体化雷达系

10、统得到应用，美国F-22战斗机中装备的有源相控阵雷达就兼备了雷达、电子对抗和通信的功能。2007年8月，美国雷声公司和L-3通信公司表示，通过他们的合作使得现代的战术飞机有源相控阵（AESA）雷达可以获得高数据率（达274Mbps）的通信能力，并准备投入生产和使用，在这个项目中，仅仅需要L-3公司提供一个能够产生新的波形的调制解调器（Modem）以及由雷声公司为雷达开发的一套名为“战机实时通信使者”的软件，就可以使飞机平台之间以及飞机平台和地面指挥员之间的通信产生革命性的变化5。目前已有的研究表明，在几乎不影响雷达原有功能的基础上，进行系统设计，就可以利用雷达资源进行可靠地通信，既可以完成雷达

11、的定位、测速等功能，又能够确保高速、准确的信息传输。收发信机是雷达通信一体化的关键部分，本文接下来将尝试设计雷达通信一体化信号源。2 基于FPGA的雷达通信一体化信号源设计2.1 QuartusII软件及VHDL硬件语言简介现场可编程门阵列（FPGA）芯片，因其具有很强的并行处理能力和实时性等特性，在无线通信领域有着非常广泛的应用，而且随着 FPGA 技术的发展，越来越多的通信模块趋向于在 FPGA 中实现。FPGA的集成开发环境一般由芯片的生产厂商提供，功能非常强大，设计非常方便，不仅可以完成设计输入（原理图或 HDL）、仿真、综合、下载等功能，还内嵌了很多开发工具包。常用的集成开发环境有X

12、ilinx公司的Foundation Series ISE，Altera公司的 Max+plus II和QuartusII软件。常用的开发语言有AHDL，VHDL和 VerilogHDL。Quartus II 是Altera公司继Max+plusII之后开发的一种针对其公司生产的系列CPLD/FPGA器件的综合性开发软件。QuartusII软件界面友好，使用便捷，功能强大，是一个完全集成化的可编程逻辑设计环境，是先进的EDA工具软件。该软件具有开放性、与结构无关、多平台、完全集成化、丰富的设计库、模块化工具等特点，支持原理图、VHDL、VerilogHDL以及AHDL等多种设计输入形式，内嵌自

13、有的综合器以及仿真器，可以完成从设计输入到硬件配置的完整PLD设计流程。该软件还具有运行速度快，界面统一，功能集中，易学易用等特点。VHDL是一种硬件描述语言，于1981年美国国防部提出。如今，大多数的EDA（Electronic Design Automation）工具都采用VHDL作为主要硬件描述语言，VHDL语言具有强大的硬件描述、便于共享和复用、良好的性能评估等一系列优点6。在本文中，采用QuartusII软件以及VHDL语言对雷达信号源进行仿真，由于用FPGA实现通信系统的性能复杂，我们只对BDDPSK调制方式进行了功能仿真，并在FPGA开发板上对正弦信号源和BDDPSK信号产生模块

14、进行了调试，用示波器观察了相关波形。BDDPSK为双差分相移键控调制方式，研究表明，这种调制方式具有较好的抗多普勒频移性能7 89。2.2 总体设计及各模块设计思想仿真及硬件实现时选用的开发板以Altera公司的CycloneII系列EP2C8Q208C8芯片为核心，开发板上晶振为50MHz，考虑到芯片的性能，设定了一下FPGA功能仿真和硬件实现时的参数。各参数设定情况均已在图7上说明，这样，在最终一个脉冲内，发送10个码元，数据传输速率为200kbps。除倍频和滤波模块外，各模块均使用VHDL语言编程实现。50MHz时钟SSB信号DSB信号BDDPSK信号触发脉冲形成500KHz触发脉冲占空

15、比50%20KHz雷达脉冲占空比40%100分频25分频m序列产生器and双差分编码BPSK调制2倍频正弦信号发生器10MHz正弦波滤波图7 BDDPSK调制整体框图其中BPSK调制框图及相应模块如图8和图9所示：已调信号数据输入时钟输入50MHz正弦信号发生器跳变检测图8 BPSK调制框图 图9 BPSK调制模块下面就各重要模块分别介绍：(1) m序列发生器（1011100）m序列是伪随机序列的一种，它的显著特点是：均衡性、预先可确定性和循环特性，在通信领域得到了广泛的应用。本设计用一种带有两个反馈抽头的三级反馈移位寄存器得到一串“1011100”循环序列。通过更换时钟频率，可以方便地改变输

16、入码元的速率。m序列产生器的电路结构及相应模块如图10及图11所示。m序列时钟信号D QCLKD QCLKD QCLK或门异或门或非门图10 m序列产生电路图11 m序列产生模块(2) 正弦信号发生器由于BDDPSK为模拟信号，而FPGA只能产生数字信号，这就需要正弦信号发生器，采用直接数字频率合成（DDS）技术产生所需的模拟信号。正弦波信号发生器可以用查找表来实现，实现框图如图12所示。正弦波查找表由Matlab产生，对一个正弦波周期进行抽样、量化、编码，编码深度为100，宽度为8。这样，得到的正弦波频率为 (1)K=1时，有 (2)式1表示正弦信号发生器输出的频率分辨率，根据奈奎斯特准则，

17、输出频率不能超过时钟频率的一半。在实际中，输出时钟频率最好限制在参考时钟频率的40%内。正弦信号发生器原理及用VHDL语言编程的模块如下图所示：频率控制字K参考频率N位相位累加器正弦波查找表D/A滤波器图12正弦信号发生器原理(3) 信号跳变检测基带码元跳变输出时钟信号D QCLK异或门图13 信号跳变检测电路对于BDDPSK调制，在检测到基带码元的上升沿时，使输出波形相位跳变即可，即在跳变沿处修改查找表地址指针，使地址指针加50并对结果模100，得到的即是倒相后的波形样值地址。跳变检测原理如图13图所示。(4) 双差分编码BDDPSK信号的双差分编码比较简单，按照公式3和公式4实现即可。 (

18、3)式中，为模2加，为的前一码元，为原始数据，最初值设定为0。由以上规律，双差分编码规则 (4)式中，最初值设定为0。(5) 分频及倍频分频由计数器实现，倍频由NCO数控振荡器实现。相应模块如下： 图14 分频模块 图15 倍频模块 2.3 BDDPSK信号源的功能仿真结果图16 触发脉冲、发送数据、双差分编码数据、双差分调制信号图17 BDDPSK及其DSB调制信号图18 BDDPSK及其DSB调制信号(放大)2.4 正弦信号源及BDDPSK信号的硬件实现由于开发板的性能关系，只在开发板上调试并运行了正弦信号源模块和BDDPSK调制模块，因为开发板上的DA是串行的，所以外接了并行的DA芯片，

19、以产生模拟信号，所选用的DA芯片为高速DA芯片是AD公司推出的AD9708。AD9708是8位，125MSPS的DA转换芯片，内置1.2V参考电压，差分电流输出。通过示波器观察，得到了的正弦信号和BDDPSK信号如图19和图20所示：图19 10MHz正弦波图20 500kHz BDDPSK信号此外，雷达通信一体化信号也在硬件上做了调试，但是由于DA的关系，在未发射信号时出现了高电平如图21所示，与我们设想的不太一致，如果时间充裕的话，需要做进一步的测试和讨论。图21 一体化信号3 小结目前，对于通信收发新机的研究还在继续，主要集中在现有技术的FPGA实现，如OFDM通信收发信机、MIMO通信

20、收发信机，OFDM和MIMO作为4G的核心技术，对其研究的火热也是可以想见的，另外一个比较热门的领域就是雷达通信一体化收发信机，其采用软件无线电技术，在不改变雷达性能的基础上，使其具有通信能力。学生在自己的FPGA开发板上尝试设计了雷达通信一体化信号源，由于芯片及开发板性能的原因，参数不能保证与雷达系统相同，但是其基本原理是一样的。尽管设计相对简单，但学生通过这样一个设计初步了解了FPGA开发的简单流程，收获颇多。由于学生对QuartusII软件使用较为熟练，所以在设计中使用了此软件。本课程中也学习了ISE软件的使用，在使用ISE软件考核时得到的正弦、余弦波波形如图22。图22 考核是得到的正/余弦波形参考文献1 龚磊. 基于FPGA的OFDM收发信机的研究与实现. 西安电子科技大学硕士论文, 2013.2 朱国富. MIMO 通信系统发信机设计D. 电子科技大学硕士论文, 2012.3 赵恩锋. MIMO收发信机的研发D. 西安: 西安电子科技大学硕士论文, 2011.4 韩威. 定向宽带数据链相关技术研究. 哈尔滨工业大学硕士论文, 2011: 1-8.5 张琪. 一体化雷达