基于HSP50216和VC5410的短波分析接收机的设计

[摘要]基于当前流行的软件无线电系统方案，文章设计了一种采用可编程数字下变频器(HSP50216)和通用数字信号处理器(TMS320VC5410)相结合的短波分析接收机，介绍了该机的工作原理、硬件组成结构，分析了各功能单元的实现方案和软件处理流程。

[关键词]短波分析接收机干扰站DDCDSP软件无线电

1引言

短波是指信号频率在2MHz～30MHz的无线电波。短波通信由于具有通信距离远、信道不易被摧毁(采用地球电离层的反射)、反侦察能力强、通信时隐蔽性好等特点，所以在军事通信领域被广泛采用。

有资料反映，美军在科索沃战争、阿富汗战争和伊拉克战争中军事信息的传递90％是通过短波定频通信方式。因此我军要打赢未来高科技局部战争，要想有效地取得战场的制信息权，就必须有能力干扰和抑制敌方的通信能力，特别是敌方短波通信能力。

随着通信技术和电子技术的发展，现代短波通信技术与传统的相比有了长足的发展，按调制波形分有数字调制和模拟调制；按调制方式分有调幅、调频、调相、独立边带、单边带等；按利用频率资源分有定频通信和跳频通信，跳频通信中又有不同的跳频点和跳频图案算法。这使得本来就复杂的短波信号变得更加复杂，给快速实时地截获、分析、干扰敌方短波信号带来了更大的困难。

短波通信电子战就是要对敌方各种战术短波通信信号进行侦察、测向和干扰。对敌方短波信号进行有效干扰是短波通信电子战的主要任务，是高科技条件下军事战争中夺取制信息权的重要内容。大量实践证明，制约短波干扰的关键问题不是干扰信号功率的大小，而是如何能快速准确地判断出敌方信号。

根据现代电子战的要求，我们研制了基于软件无线电架构的数字化、网络化的实时短波信号干扰系统(简称干扰站)。它能够快速实时地全景式搜索敌方的短波通信信号，并对可疑信号进行分析，确认为敌方信号后，经过测距和测向，然后对之实施干扰。

2短波干扰站的工作机理

短波干扰站具有宽带、大动态、高分辨率、高速、低信噪比的信号处理能力。它由中央主控台、短波搜索接收机、短波分析接收机、短波测向接收机、短波干扰机组成，这些分机在中央主控台的控制下构成了局域网络。图1所示为短波干扰站的系统框图：

其工作机理是：短波搜索接收机对指定频率范围的敌方短波信号进行全景监视，快速实时地捕获可疑目标信号并根据优先级算法上报给中央主控台；中央主控台把关键目标信号的频率点发给短波分析接收机，通过细致分析后确定多个敌方目标信号，下达作战命令给短波测向机和干扰机；短波测向机根据分析提供的敌方目标信号的主要参数对敌方信号进行测距和测向，由干扰机实施信号干扰。

在工业控制计算机内部插入不同的信道模块和数字信号处理模块，就构成了短波干扰站不同功能的各分机，各分机均通过以太网口互连。在正常工作情况下，各分机均由中央主控台控制；在军事战争等特殊情况下，各分机可以在人工方式下分别进行控制和操作；另外在紧急情况下，中央主控台可以直接操作短波干扰机对敌方信号进行干扰。

3短波分析接收机的工作原理

短波分析接收机是短波干扰站的一个分系统，它由一台工控机、电源模块、二道岗主板、模拟滤波模块、频率合成模块、窄带信道模块、宽带信道模块、数字信号处理模块构成。其分系统框图如图2所示：

如图2所示，短波分析接收机由电源模块提供直流+24V或交流工频220V、50Hz输入，由天线部分接收无线短波信号，经模拟滤波模块限带滤波后送入窄带信道模块或宽带信道模块，变换到二中频14MHz，然后把14MHz的模拟信号送入数字信号处理模块。由数字信号处理模块上的AID转换器把该模拟信号转换为数字信号，分别进行快速傅立叶变换(FFT)和解调处理，最后把FFT变换的结果通过PCI桥传送给上位的工控机，由工控机进行分析处理。整个短波信号的处理系统由频率合成模块提供标频。

短波分析接收机提供了窄带、宽带两种信道，窄带信道模块具有10kHz带宽，可以进行约10Hz分辨率的分析；上位工控机通过对FFT结果的分析，可以获得该短波信号的主要参数如通信体制、工作方式、工作频率、调制方式、相对电平等，然后把这些特征上报中央主控台。宽带信道模块具有500kHz带宽，频率分辨率低，大约为600Hz，主要用来监视短波频段，仅仅是一种辅助功能。

模拟滤波模块采用声表面波滤波器，该模块的滤波器均由数字信号处理模块上的主控DSP的外部数据总线经74HC2455E动控制，其滤波器的选通方式如表1所示。

短波分析接收机要求频率合成模块输出频率锁定时间小于1ms，由于传统的DDS+PLL方式输出频率锁定时间一般都在5ms以上，不能满足要求，所以采用DDS直接输出所需要的频率。考虑到最高时钟频率、频率码位数、谐波失真和无伪动态范围这几项性能指标，DDS芯片采用AD公司的直接频率合成器AD9852。

DDS的时钟信号为200MHz，该时钟采用PLL方案产生。AD9852输出的频率经过四波段滤波器，使其输出杂散降低，再经过放大送到宽／窄带信道模块作为一本振信号，一本振信号的输出范围是43 4MHz～714MHz。

4数字信号处理模块硬件实现

数字信号处理模块是短波分析接收机的核心模块，所有的战术指标和功能要求都和它有关，其硬件结构框图如图3所示：

本系统数字信号处理模块的硬件实现方法和主要元器件选型如下：

(1)模／数转换器(A/D)。输入数字信号处理模块的信号是限带的14MHz中频调制信号，经过AD变换后，由16245进行电平转换，送入数字下变频器。考虑到数字信号处理的精度和速度要求，采用美国AD公司的AD9240作为AD转换器。它是+5V单一电源供电的低功耗芯片，最大采样率是10MSPS，转换位是14位，动态范围为90dB，无失真的信噪比(SNR)／>77dB。

(2)数字下变频器(DDC)。如果直接把1.4MHz中频调制信号送入数字信号处理器DSP，则DSP的运算负担将过大，无法满足信号实时性的要求，因此采用硬件DDC的方法把1.4MHz中频信号下变频搬移到基带信号并滤波。考虑到FFT通道和解调通道的滤波要求不一致，本系统采用了两片数字下变频器，分别进行FFT通道和解调通道的下变频。

现选择美国Intersil公司的HSP50216四路可编程数字下变频器(QPDC)，它是为高动态范围的应用而设计的，具有4个通道，其中每个通道包括：数字混频器、正交载波NCO、数字滤波器、重采样滤波器、一个笛卡尔一极性坐标转换器和一个自动增益控制(AGC)回路。HSP50216可以接收4路16位数字信号。每个通道载

波NCO频率可以由微处理器分别设置。混频器的输出经过CIC和FIR滤波器的滤波，这些滤波器具有各不相同的抽取系数。数字AGC控制的增益调整范围可以达到96dB，并且信号阈值和斜率是可编程的。笛卡尔一极性坐标转换器可以提供幅值和相位输出。通过FIR滤波器，频率鉴别器可以提供频率值的输出。HSP50216的输出选项有：I采样值、Q采样值、幅度、相位、频率值和AGC的增益。其输出分辨率也是可选的，从4位定点数到32位浮点数，便于系统扩展。

在HSP50216中对1.4MHz中频信号进行抗混滤波、抗镜频滤波、梳状积分滤波(CIC)、抽取滤波、FIR滤波、坐标变换，最后把信号频率搬移到零频。

(3)数字信号处理器(DSP)。本系统选择美国TI公司的DSP TMS320VC5410，其性价比高，单片就能够满足实时4096点FFT在短波信号处理中的速度和精度。它采用双电源供电，内核电压是+2.5V，外围I／O电压是+3.3V，并具有节电模式，大大降低了功耗。VC5410是高性能的定点DSP，最高速度可达100MIPS；如采用增强型VC5410A，则最高速度可达160MIPS。VC5410和VC5410A的管脚互相兼容，可以直接替换，便于系统升级。VC5410具有大容量的片上RAM和ROM 8K字的DARAM和56K字的SARAM，16K字的ROM，降低了系统成本，提高了系统的稳定性。VC5410还拥有丰富的外设，它有3个多通道缓；中串行口、DMA控制器、主机接口(HPI)、16位预定标定时器、软件可编程的PLL电路，从而可以方便地和PCI接口电路、数字下变频器HSP50216、AID转换器(AD9240)、D／A转换器(AD73311)连接。特别是VC5410的多通道缓冲串行口(MCBSP)的接口能力很强，每帧传输可多达128字，也即具有128个通道，每字具有6种位格式，即8位、12位、16位、20位、24位、32位，可以和HSP50216的串行口无缝连接。

(4)PCI桥接器。本系统选择美国TI公司的PCI2040，它是专用的PCI-DSP桥接控制器。该芯片的性价比高，单片就能驱动4片DSP。它完全满足PCI总线的协议标准，并能提供C54x和C6x系列DSP的HPI口无缝连接。外部PCI总线通过HPI口可以访问DSP所有的片上空间。PCI2040采用先进的亚微米静态CMOS技术，兼容+3 3V和+5V信号电压，具有低功耗性能，其PCI总线频率可达33MHzv。

(5)可编程逻辑器件(CPLD)。本系统选择美国ALTERA公司的MAX7000系列CPLD芯片——EPM7256AE，它采用单电源+3.3V供电，兼容+3.3V和+5V信号电压，可对每个引脚进行摆率控制，满足特殊的信号波形要求。EPM7256AE具有掉电自保持功能，可以多次重复烧写。如图3所示，本系统只采用了1片EPM7256AE，为整个数字信号处理模块提供逻辑译码和时序，图中是为了绘图方便而把它分成了两部分。

(6)电源模块。本系统采用电能转换效率高的DC-DC变换器PT6921A，它能够把+5V电压高效地变换为+2.5V和+3.3V，为数字信号处理模块提供双电源。

5数字信号分析软件设计

短波信号实时分析模块软件可分为中频处理软件和基带处理软件。由于本系统的数字中频输入为1.4MHz，而DSP选择100MIPS的VC5410，因此仅用VC5410来完成中频处理和基带处理是不现实的。本系统采用专用的数字下变频器HSP50216完成中频处理，在HSP50216中实现了校准滤波器、数字抽取滤波器、数字插值滤波器、边带滤波器、自适应陷波器，通过DSP的控制来选择不同的滤波器。滤波后即可得到满足系统处理要求的基带信号。

基带处理软件又可分为信号层处理软件和数据流处理软件。信号层处理软件是对原始的基带信号进行处理，在FFT—DSP通道中，实现对基带信号的FFT变换、校准、自检、AGC等处理，其软件流程框图如图4所示。在解调－DSP通道中，实现对基带信号的各种数字解调算法，如AM、FM、PM、CW、USB、LSB等处理。由于硬件性能的不一致性(即同一款硬件在同样的工作条件下其性能有略微的差异)以及滤波器通带内相对电平的不一致性(即模拟滤波器或数字滤波器在设计时通带内增益有略微的差异)，为了保证DSP在FFT变换后，在整个通带内相对电平幅度一致，应该对整个滤波器通带增益进行校准。在实际样机中，经过校准后整个滤波器通带增益的误差为0.1dB，满足总参提出的技术指标要求(通带波动≤0.5dB)。

基带信号FFT变换有窄带和宽带两种模式，对窄带信号进行5种分辨率的FFT变换，4096点、2048点、1024点、512点、256点，通过上位工控机的四抽一平均，使得对窄带信号具有最小10Hz的分辨率，满足对短波信号实时分析的要求。在短波分析接收机中对宽带信号仅采用1024点的FFT变换，即对宽带信号具有大约600Hz的分辨率，满足对短波信号实时扫描监视的要求。

在宽带和窄带工作模式下，短波分析接收机都应具有自检功能，对本机的模拟滤波模块、窄带信道模块、宽带信道模块、频率合成模块、电源模块以及数字信号处理模块自身进行检测并给出故障提示。自检又分为开机自检、中央主控台命令自检以及工作中自检。

数据流处理软件主要是通过PCI2040桥接器和上位工控机进行实时数据交互，根据双方约定的控制命令数据交互表，由上位工控机向数字信号处理模块发送DSP工作方式字、校准时的频率编号字、增益控制方式字、FFT点数、信道模式字、天线衰减量、准联调检测位以及面板检测频率字；而数字信号处理模块在一次FFT变换结束后向上位工控机发送规定点数的FFT结果，上位机根据此结果进行相应的分析处理并上报中央主控台。

6结束语

短波信号的实时分析技术是短波信号干扰站的关键技术之一，本文基于当前流行的软件无线电系统方案，成功研制出采用可编程专用集成芯片和通用数字信号处理器相结合的短波分析接收机，它是目前实现短波中频软件无线电技术的有效方案。外场试验表明，该机符合总参提出的各种技战术指标，可以灵活且综合地实现多种无线电接收机的功能，充分体现了软件无线电所具备的各种优越性。

在使用了本文所研制的短波分析接收机后，短波干扰站工作性能大为改善，它能够从大量的、杂乱无章的短波信号中实时准确地捕获敌方通信信号，并获取敌方信号的多种基本特征，如通信体制、工作方式、工作频率、调制方式、相对电平等，从而在复杂的情况下迅速判断出敌我，并对敌方信号实施有效的干扰。

目前国内基于软件无线电思想的短波中频数字接收系统正处于发展初期。在理论研究和样机制作上，很多高校和科研院所都做了大量的工作并取得了一定的成绩；但是在实际的产品研制中还有很多工作要做，特别是在研制出的产品和其他通信设备的互连互通、产品的成本和性价比、产品功耗和嵌入式等方面。

作者简介

汪志水：工程师，现任职于同方电子科技有限公司装备技术保障基地，主要从事通信装备、指控装备的技术研究和技术保障工作。