一种高效、灵巧的多通信信号产生方法

常 琪 ， 韩 煜 ， 黄雅峥 ， 王 飞

（1.通信信息控制和安全技术重点实验室 浙江 嘉兴 314033；2.中国电子科技集团公司第三十六研究所 浙江 嘉兴 314033；3.解放军93575部队 河北 承德 067406）

在现代通信对抗装备试验中，只有在真实或者逼近真实的复杂战场电磁环境下才能如实地检验出被测通信对抗装备的实战性能，从而为装备的研制及部队的作战需求提供真实可信的技术依据。随着新通信技术的快速发展、新的通信体制不断涌现，真实战场环境中的通信信号呈现出信号密度增加，常规、扩频、跳频和数据链信号并存的趋势，战场电磁环境变得愈来愈复杂。在这种情况下，用实体电台来模拟战场通信信号，不仅会浪费大量的人力、物力和财力，而且根本无法满足新体制通信对抗装备的试验要求。因此，对模拟真实的战场环境及兼容多种体制通信信号技术进行研究具有一定的现实性和迫切性。

通信信号战场环境模拟作为通信对抗装备试验中不可或缺的组成部分，其功能取决于被测通信装备及通信对抗装备的试验要求。文中通信信号产生方法具有通用性，其信号样式灵活、参数可控，能够根据不同战术背景和试验条件的要求，生成所需的瞬时宽频段、多种信号样式、大信号密度、动态可控的战场背景信号环境和标准可侦测、可解调通信信号。

1 信号产生原理及结构

1.1 通用基带数字正交调制

信号模拟产生方法的优点是易于产生多样式、灵活可控、可重复的复杂信号环境。一般说来，信号产生不外乎两种方法[1]。

一种是各路信号单独用硬件产生，然后合成一路输出。该方法采用“虚拟仪器”的模式，通过自定义脚本，在通用计算机和信号处理板卡实现互操作，使用户操作信号产生设备就像操作一台自己专门设计的仪器一样，在使用现场，能够实时置入和动态修改参数。这种模式贯彻“软件就是仪器”的思想，具有极强的灵活性和适应性，特别适用于现代愈来愈复杂的信号模拟应用场合。可以使得所产生的每一个信号的信息码、信息格式、信号调制样式、幅度、频率偏移等参数均可实现灵活变化、实时可控。但其缺点是受硬件资源所限，所产生的信号不可能非常多。

另一种方法则是任意波形发生（AWG）方法，即直接由通用计算机软件产生多路信号合成后的信号波形，利用硬件进行循环播放恢复出模拟信号。首先，用数学公式表示各类需要产生信号的波形，确定有关参数；然后，采用先进的算法计算出合成波形的数字流，将其存储在FLASH介质中，在信号处理模块的控制下，用适当的速率读出，经上变频、D/A变换后，即可得到所需频率、相应带宽的多路信号。它的主要特点是产生的信号密集、路数巨大、调制样式多，几乎不受硬件资源限制。信号产生统一模型可如图1表示。

图1 信号产生统一模型Fig.1 Unifiedmodel of signal generation

对于模拟调制 AM、FM，数字调制 FSK、BPSK、QPSK、DQPSK、OQPSK、π/4-DQPSK、GMSK、QAM 等，以及数据链LINK4A、LINK11、LINK16信号等，统一进行基带建模，正交调制，生成I/Q基带数据，数据率选择为基带信号带宽的4倍。

在此信号处理平台基础上，根据各种信号的结构，编写相应代码，并通过脚本文件与人机界面相结合，即可实现各种通信信号的模拟。选取BPSK为例分析常规信号的产生方法[2]。

BPSK信号的数学表示式为[2]:

由上式可见，BPSK信号之带宽约为:

而且当P=0.5，即+1，-1码元等概出现时，PSK信号的功率谱密度中无离散谱。

图2为matlab生成的BPSK信号，图3为BPSK信号的频谱图。

1.2 . 基于片上系统（SoC）的软硬件框架

利用Xilinx FPGA片内软核处理器MicroBlaze，构建灵活的系统软硬件框架，通过以太网（TCP/IP）与外部控制计算机相联，DDR2作为缓存，AD9516-1产生时钟、DAC5688实现A/D转换输出。FPGA片内构成框图[3]如下。

图2 BPSK信号的I路数据和Q路数据Fig.2 I-channel data and Q-channel data of BPSK signal

图3 BPSK基带信号的频谱图Fig.3 Spectrum of baseband BPSK signal

首先，控制计算机将IQ基带数据传送至DDR2中，同时将这些数据写入Flash中作存储；然后，启动序号为0至9的某一个或多个通道，通过IPIF核发送通道号、通道使能、码速率及幅度衰减、频率偏移等控制字，此时DDR便会将IQ基带数据搬送至10个通道的FIFO中，供后续信号处理使用。利用FIFO中almost full和 almostempty控制读DDR的操作，使得每个通道FIFO的数据以60MHz的时钟进行处理。

2 基于System generator建模的Farrow滤波器

利用Farrow滤波器可以实现任意数据率内插功能[5-6]，实现信号码率平滑变化。基于多项式插值的公式为：

其中 x（m-i）为输入样本，y（m，μ）为输出样本，hi（μ）冲激响应函数为

将（2）式带入（1）式，得到：

（3）式的系统框图如图5所示。

从图中不难看出该系统基本都是由一些乘、加模块构成，很方便利用 Sysgen 来建模，共需要（N+1）*（I+1）个乘、加模块，直接可以利用DSP48计算模块来实现；而bn（i）为固定的矩阵系数，在本设计中，bn（i）选取

图4 FPGA内部结构图Fig.4 FPGA internal structure

图5 Farrow滤波器的系统框图Fig.5 Block diagram of Farrow filter

3 实现结果

在本节中，将会介绍该信号模拟器的性能及测试结果。在此我们产生10路带宽为200 kHz的QPSK信号，图6和图7分别为控制计算机下发指令的界面及在频谱仪上观测到的10路QPSK信号，信噪比优于40 dBm。

图8为用89600S对其中一路QPSK进行解调的结果，从图中不难看出信号解调结果比较理想，有着很低的误码率，满足性能要求。由于篇幅的限制，测试结果不能一一列举。

4 结 论

图6 控制计算机下发指令产生10路QPSK信号Fig.6 Control interface of the signalmonitor

图7 利用89600S采集到的10路QPSK信号Fig.7 10 channel QPSK signals acquired by 89600S

图8 QPSK解调的结果Fig.8 Demodulated result of QPSK signal

本文提出了一种高效、灵巧、实时的多通道、多样式的信号产生方法。该设计资源高效利用、样式灵活多变、参数实时可控，然后对模拟器的FPGA内部结构及关键技术进行了分析。对于模拟现代复杂的战场电磁[7]环境，具有很高的应用价值。

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