通信收發(fā)信機(jī)新技術(shù)及雷達(dá)通信一體化信號源設(shè)計

1、Harbin Institute of Technology通信收發(fā)信機(jī)課程報告題 目：通信收發(fā)信機(jī)新技術(shù)及雷達(dá)通信一體化信號源設(shè)計院 （系） 電子與信息工程學(xué)院 學(xué) 科 信息與通信工程 學(xué) 生 學(xué) 號 哈爾濱工業(yè)大學(xué)通信收發(fā)信機(jī)新技術(shù)及雷達(dá)通信一體化信號源設(shè)計隨著通信技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對通信的需求愈來愈復(fù)雜化和多樣化，其發(fā)展的最終目標(biāo)是人們能夠無拘無束地獲取和交換信息，其總趨勢是數(shù)字化、智能化、綜合化、個人化和全球一網(wǎng)化。現(xiàn)代通信技術(shù)的發(fā)展正圍繞“5W通信”這一目標(biāo)逐步向前推進(jìn)，通信收發(fā)信機(jī)也相應(yīng)的采用了新的技術(shù)，有了新的發(fā)展。1 通信收發(fā)信機(jī)最新技術(shù)1.1 OFDM通信收發(fā)信機(jī)OFDM技

2、術(shù)是在上個世紀(jì)70年代提出的，真正被廣泛應(yīng)用還是在快速傅里葉變換算法出現(xiàn)以后。由于數(shù)字信號處理DSP技術(shù)的飛速發(fā)展，OFDM作為一種可以有效對抗多徑干擾和高效率的傳輸技術(shù)，引起了眾多學(xué)者的研究興趣。OFDM技術(shù)已被廣泛的應(yīng)用于各項通信系統(tǒng)中成為了LTE和WiMAX通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，并且其頻譜利用率高、成本低等原因受到越來越多的人關(guān)注，隨著人們對通信的數(shù)據(jù)化、寬帶化、個人化和移動化的要求，OFDM技術(shù)在綜合無線通信接入領(lǐng)域?qū)⒌玫綇V泛的應(yīng)用。多載波系統(tǒng)通過把高速數(shù)據(jù)流分解為若干個低速率的并行數(shù)據(jù)傳輸，從而構(gòu)成多個低速率符號并行發(fā)送的傳輸系統(tǒng)。在單載波系統(tǒng)中，一次衰落或干擾就可能導(dǎo)致傳輸?shù)氖?，?/p>

3、是多載波系統(tǒng)中，某一時刻只會有少部分的子信道受到深度衰落的影響，因為無線信道中雖然總的信道是非平坦的，但是各個子信道上是相對平坦的，而且由于每個子數(shù)據(jù)流的速率較低，符號的持續(xù)時間較長，只要能夠大于信道的最大時延擴(kuò)展就可以消除ISI。為了提高頻分復(fù)用的頻帶利用率，傳統(tǒng)的多載波系統(tǒng)是將各個子信道的頻譜重疊，在接收端用濾波器進(jìn)行分離，而OFDM的高頻譜利用率得益于其采用了正交的子載波，在接收端可以通過相關(guān)解調(diào)技術(shù)分離出來，如圖1所示。OFDM系統(tǒng)框圖如圖2。圖1 傳統(tǒng)多載波與OFDM圖2 OFDM系統(tǒng)框圖OFDM 收發(fā)機(jī)的 FPGA 設(shè)計1：OFDM系統(tǒng)發(fā)送端的設(shè)計結(jié)構(gòu)的框圖如圖3，把隨機(jī)信源經(jīng)過信

4、道糾錯編碼，這里采用的卷積編碼，之后通過交織器，對編碼后的信號進(jìn)行交織，然后把比特流映射到星座圖上，數(shù)據(jù)由單比特的數(shù)據(jù)流變成了位寬為16位的兩路正交的數(shù)據(jù)流，在把數(shù)據(jù)流固定位置插入導(dǎo)頻序列，經(jīng)過IFFT變換后把數(shù)據(jù)形成正交的子載波，加入循環(huán)前綴和幀頭完成基帶數(shù)據(jù)的處理，最后經(jīng)過數(shù)模變換和射頻處理把數(shù)據(jù)發(fā)送出去。圖3 發(fā)射機(jī)框圖圖4是基于IEEE802.11a協(xié)議的OFDM接收系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖，接收機(jī)的解調(diào)處理過程可以這樣描述，在接收到無線電信號后，經(jīng)過射頻處理、采樣送入基帶處理模塊，經(jīng)過幀檢測模塊的檢測判決數(shù)據(jù)包的起始位置，為了把頻率限制在一個固定的范圍內(nèi)，利用接收到信號的短訓(xùn)練序列做頻偏的粗估計

5、，基本的粗同步之后使用長訓(xùn)練序列就進(jìn)行頻率的細(xì)估計，然后是符號同步，找到FFT計算的窗口，信道均衡以后的數(shù)據(jù)進(jìn)行殘留的頻偏估計和相位旋轉(zhuǎn)的估計，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)的解調(diào)、解交織、信道解碼。由于發(fā)設(shè)計的結(jié)果是固定的，幀結(jié)構(gòu)也是按照協(xié)議約定好的，那么接收端的在數(shù)據(jù)的解調(diào)、解交織、信道解碼也是固定的方法。而對OFDM系統(tǒng)，各種同步算法和信道估計的技術(shù)是決定接收機(jī)性能的關(guān)鍵。圖4 接收機(jī)結(jié)構(gòu)框圖1.2 MIMO通信收發(fā)信機(jī)傳統(tǒng)的無線通信系統(tǒng)采用一個發(fā)射天線和一個接收天線，即所謂的單入單出SISO（Single-Input Single-Output）系統(tǒng)，如果發(fā)射端和接收端都采用多天線陣列，就構(gòu)成了MIMO

6、（Multiple-Input Multiple-Output）系統(tǒng)。對MIMO技術(shù)的研究源于對多天線陣元空間分集的性能研究。自從MIMO技術(shù)的提出以來，研究的熱點除了空時編碼技術(shù)之外，MIMO信道測量與建模、多天線技術(shù)、波束成形、MIMO多用戶檢測等方面的研究也被廣泛關(guān)注2。MIMO技術(shù)充分利用了隨機(jī)衰落和可能存在的多徑傳播，充分利用空間資源，在不增加系統(tǒng)帶寬和天線發(fā)射總功率的情況下，有效的對抗無線信道的衰落，大大提高了系統(tǒng)的頻譜利用率和信道容量。MIMO技術(shù)作為下一代寬帶無線通信系統(tǒng)的框架技術(shù)，是實現(xiàn)充分利用空間資源以提高頻譜利用率的一個必然途徑，基于MIMO的無線通信理論和傳輸技術(shù)顯示了

7、巨大的潛力和發(fā)展前景。2發(fā)2收MIMO系統(tǒng)是在發(fā)送端配置2根發(fā)送天線，接收端配置2根接收天線，其原理框圖如圖5所示，從圖中可以看出，發(fā)送通道和接收通道分別由兩個基本的單天線電路構(gòu)成。按照MOMO系統(tǒng)的要求，兩個發(fā)送通道采用相同的本地振蕩頻率;兩個接收通道采用相同的本地振蕩頻率3。圖5 2發(fā)2收MIMO系統(tǒng)的原理框圖2發(fā)2收MIMO系統(tǒng)誤碼性能測試流程圖如圖6，在發(fā)送端，首先由MATLAB產(chǎn)生發(fā)送數(shù)據(jù)，并對發(fā)送數(shù)據(jù)進(jìn)行BPSK調(diào)制；然后對發(fā)送數(shù)據(jù)進(jìn)行Alamouti空時編碼，將發(fā)送數(shù)據(jù)分配到兩個發(fā)送天線上，兩個發(fā)送天線的數(shù)據(jù)同時進(jìn)行發(fā)送；最后對兩個天線的發(fā)送數(shù)據(jù)進(jìn)行波形成形，再經(jīng)過數(shù)模變換和上變

8、頻之后，通過兩個天線發(fā)送出去。在接收端，依然用邏輯分析儀同時對兩個接收通道的采樣結(jié)果進(jìn)行捕獲，并用MATLAB對兩個接收天線上的接收數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，包括同步、信道估計、線性合并及最大似然譯碼。最后將接收數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，計算傳輸過程產(chǎn)生的誤碼率。圖6 2發(fā)2收MIMO系統(tǒng)誤碼性能測試流程圖1.3 雷達(dá)通信一體化收發(fā)信機(jī)近年來，一個新的名詞“雷達(dá)通信一體化”進(jìn)入人們的視野。作為無線電理論最重要的兩種應(yīng)用，無論理論基礎(chǔ)還是系統(tǒng)實現(xiàn)，雷達(dá)和通信系統(tǒng)都極為相似：首先，雷達(dá)系統(tǒng)和通信系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)都涉及到電磁理論、電路與系統(tǒng)、信號與信號處理、計算機(jī)技術(shù)等，隨著計算機(jī)理論的不斷發(fā)展，各種先進(jìn)的理論都在

9、不斷應(yīng)用在雷達(dá)系統(tǒng)和通信中；其次，雷達(dá)系統(tǒng)和通信系統(tǒng)在原理上都是電磁波發(fā)射和接收的過程，雷達(dá)信號與通信信號都是經(jīng)過天線發(fā)射，以電磁波的形式空間進(jìn)行傳輸，并被接收機(jī)接收；再次，雷達(dá)系統(tǒng)和通信系統(tǒng)都是由發(fā)射機(jī)、天線、接收機(jī)、信號處理器、顯示終端等組成?？梢姡绻麑走_(dá)進(jìn)行改造，適當(dāng)增加一些頻率轉(zhuǎn)換和信號變換的電路，那么完全有可能利用脈沖多普勒雷達(dá)進(jìn)行通信，進(jìn)而實現(xiàn)雷達(dá)通信一體化4。上世紀(jì)70年代，美國海軍就在機(jī)械掃描的雷達(dá)上進(jìn)行了大量的通信數(shù)據(jù)傳輸研究。2006年，Northrop Grumman公司又對基于有源相控陣?yán)走_(dá)的通信系統(tǒng)進(jìn)行了相關(guān)研究，并與多家公司以及國防工業(yè)廠商合作使得該一體化雷達(dá)系

10、統(tǒng)得到應(yīng)用，美國F-22戰(zhàn)斗機(jī)中裝備的有源相控陣?yán)走_(dá)就兼?zhèn)淞死走_(dá)、電子對抗和通信的功能。2007年8月，美國雷聲公司和L-3通信公司表示，通過他們的合作使得現(xiàn)代的戰(zhàn)術(shù)飛機(jī)有源相控陣（AESA）雷達(dá)可以獲得高數(shù)據(jù)率（達(dá)274Mbps）的通信能力，并準(zhǔn)備投入生產(chǎn)和使用，在這個項目中，僅僅需要L-3公司提供一個能夠產(chǎn)生新的波形的調(diào)制解調(diào)器（Modem）以及由雷聲公司為雷達(dá)開發(fā)的一套名為“戰(zhàn)機(jī)實時通信使者”的軟件，就可以使飛機(jī)平臺之間以及飛機(jī)平臺和地面指揮員之間的通信產(chǎn)生革命性的變化5。目前已有的研究表明，在幾乎不影響雷達(dá)原有功能的基礎(chǔ)上，進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計，就可以利用雷達(dá)資源進(jìn)行可靠地通信，既可以完成雷達(dá)

11、的定位、測速等功能，又能夠確保高速、準(zhǔn)確的信息傳輸。收發(fā)信機(jī)是雷達(dá)通信一體化的關(guān)鍵部分，本文接下來將嘗試設(shè)計雷達(dá)通信一體化信號源。2 基于FPGA的雷達(dá)通信一體化信號源設(shè)計2.1 QuartusII軟件及VHDL硬件語言簡介現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）芯片，因其具有很強(qiáng)的并行處理能力和實時性等特性，在無線通信領(lǐng)域有著非常廣泛的應(yīng)用，而且隨著 FPGA 技術(shù)的發(fā)展，越來越多的通信模塊趨向于在 FPGA 中實現(xiàn)。FPGA的集成開發(fā)環(huán)境一般由芯片的生產(chǎn)廠商提供，功能非常強(qiáng)大，設(shè)計非常方便，不僅可以完成設(shè)計輸入（原理圖或 HDL）、仿真、綜合、下載等功能，還內(nèi)嵌了很多開發(fā)工具包。常用的集成開發(fā)環(huán)境有X

12、ilinx公司的Foundation Series ISE，Altera公司的 Max+plus II和QuartusII軟件。常用的開發(fā)語言有AHDL，VHDL和 VerilogHDL。Quartus II 是Altera公司繼Max+plusII之后開發(fā)的一種針對其公司生產(chǎn)的系列CPLD/FPGA器件的綜合性開發(fā)軟件。QuartusII軟件界面友好，使用便捷，功能強(qiáng)大，是一個完全集成化的可編程邏輯設(shè)計環(huán)境，是先進(jìn)的EDA工具軟件。該軟件具有開放性、與結(jié)構(gòu)無關(guān)、多平臺、完全集成化、豐富的設(shè)計庫、模塊化工具等特點，支持原理圖、VHDL、VerilogHDL以及AHDL等多種設(shè)計輸入形式，內(nèi)嵌自

13、有的綜合器以及仿真器，可以完成從設(shè)計輸入到硬件配置的完整PLD設(shè)計流程。該軟件還具有運(yùn)行速度快，界面統(tǒng)一，功能集中，易學(xué)易用等特點。VHDL是一種硬件描述語言，于1981年美國國防部提出。如今，大多數(shù)的EDA（Electronic Design Automation）工具都采用VHDL作為主要硬件描述語言，VHDL語言具有強(qiáng)大的硬件描述、便于共享和復(fù)用、良好的性能評估等一系列優(yōu)點6。在本文中，采用QuartusII軟件以及VHDL語言對雷達(dá)信號源進(jìn)行仿真，由于用FPGA實現(xiàn)通信系統(tǒng)的性能復(fù)雜，我們只對BDDPSK調(diào)制方式進(jìn)行了功能仿真，并在FPGA開發(fā)板上對正弦信號源和BDDPSK信號產(chǎn)生模塊

14、進(jìn)行了調(diào)試，用示波器觀察了相關(guān)波形。BDDPSK為雙差分相移鍵控調(diào)制方式，研究表明，這種調(diào)制方式具有較好的抗多普勒頻移性能7 89。2.2 總體設(shè)計及各模塊設(shè)計思想仿真及硬件實現(xiàn)時選用的開發(fā)板以Altera公司的CycloneII系列EP2C8Q208C8芯片為核心，開發(fā)板上晶振為50MHz，考慮到芯片的性能，設(shè)定了一下FPGA功能仿真和硬件實現(xiàn)時的參數(shù)。各參數(shù)設(shè)定情況均已在圖7上說明，這樣，在最終一個脈沖內(nèi)，發(fā)送10個碼元，數(shù)據(jù)傳輸速率為200kbps。除倍頻和濾波模塊外，各模塊均使用VHDL語言編程實現(xiàn)。50MHz時鐘SSB信號DSB信號BDDPSK信號觸發(fā)脈沖形成500KHz觸發(fā)脈沖占空

15、比50%20KHz雷達(dá)脈沖占空比40%100分頻25分頻m序列產(chǎn)生器and雙差分編碼BPSK調(diào)制2倍頻正弦信號發(fā)生器10MHz正弦波濾波圖7 BDDPSK調(diào)制整體框圖其中BPSK調(diào)制框圖及相應(yīng)模塊如圖8和圖9所示：已調(diào)信號數(shù)據(jù)輸入時鐘輸入50MHz正弦信號發(fā)生器跳變檢測圖8 BPSK調(diào)制框圖 圖9 BPSK調(diào)制模塊下面就各重要模塊分別介紹：(1) m序列發(fā)生器（1011100）m序列是偽隨機(jī)序列的一種，它的顯著特點是：均衡性、預(yù)先可確定性和循環(huán)特性，在通信領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。本設(shè)計用一種帶有兩個反饋抽頭的三級反饋移位寄存器得到一串“1011100”循環(huán)序列。通過更換時鐘頻率，可以方便地改變輸

16、入碼元的速率。m序列產(chǎn)生器的電路結(jié)構(gòu)及相應(yīng)模塊如圖10及圖11所示。m序列時鐘信號D QCLKD QCLKD QCLK或門異或門或非門圖10 m序列產(chǎn)生電路圖11 m序列產(chǎn)生模塊(2) 正弦信號發(fā)生器由于BDDPSK為模擬信號，而FPGA只能產(chǎn)生數(shù)字信號，這就需要正弦信號發(fā)生器，采用直接數(shù)字頻率合成（DDS）技術(shù)產(chǎn)生所需的模擬信號。正弦波信號發(fā)生器可以用查找表來實現(xiàn)，實現(xiàn)框圖如圖12所示。正弦波查找表由Matlab產(chǎn)生，對一個正弦波周期進(jìn)行抽樣、量化、編碼，編碼深度為100，寬度為8。這樣，得到的正弦波頻率為 (1)K=1時，有 (2)式1表示正弦信號發(fā)生器輸出的頻率分辨率，根據(jù)奈奎斯特準(zhǔn)則，

17、輸出頻率不能超過時鐘頻率的一半。在實際中，輸出時鐘頻率最好限制在參考時鐘頻率的40%內(nèi)。正弦信號發(fā)生器原理及用VHDL語言編程的模塊如下圖所示：頻率控制字K參考頻率N位相位累加器正弦波查找表D/A濾波器圖12正弦信號發(fā)生器原理(3) 信號跳變檢測基帶碼元跳變輸出時鐘信號D QCLK異或門圖13 信號跳變檢測電路對于BDDPSK調(diào)制，在檢測到基帶碼元的上升沿時，使輸出波形相位跳變即可，即在跳變沿處修改查找表地址指針，使地址指針加50并對結(jié)果模100，得到的即是倒相后的波形樣值地址。跳變檢測原理如圖13圖所示。(4) 雙差分編碼BDDPSK信號的雙差分編碼比較簡單，按照公式3和公式4實現(xiàn)即可。 (

18、3)式中，為模2加，為的前一碼元，為原始數(shù)據(jù)，最初值設(shè)定為0。由以上規(guī)律，雙差分編碼規(guī)則 (4)式中，最初值設(shè)定為0。(5) 分頻及倍頻分頻由計數(shù)器實現(xiàn)，倍頻由NCO數(shù)控振蕩器實現(xiàn)。相應(yīng)模塊如下： 圖14 分頻模塊 圖15 倍頻模塊 2.3 BDDPSK信號源的功能仿真結(jié)果圖16 觸發(fā)脈沖、發(fā)送數(shù)據(jù)、雙差分編碼數(shù)據(jù)、雙差分調(diào)制信號圖17 BDDPSK及其DSB調(diào)制信號圖18 BDDPSK及其DSB調(diào)制信號(放大)2.4 正弦信號源及BDDPSK信號的硬件實現(xiàn)由于開發(fā)板的性能關(guān)系，只在開發(fā)板上調(diào)試并運(yùn)行了正弦信號源模塊和BDDPSK調(diào)制模塊，因為開發(fā)板上的DA是串行的，所以外接了并行的DA芯片，

19、以產(chǎn)生模擬信號，所選用的DA芯片為高速DA芯片是AD公司推出的AD9708。AD9708是8位，125MSPS的DA轉(zhuǎn)換芯片，內(nèi)置1.2V參考電壓，差分電流輸出。通過示波器觀察，得到了的正弦信號和BDDPSK信號如圖19和圖20所示：圖19 10MHz正弦波圖20 500kHz BDDPSK信號此外，雷達(dá)通信一體化信號也在硬件上做了調(diào)試，但是由于DA的關(guān)系，在未發(fā)射信號時出現(xiàn)了高電平如圖21所示，與我們設(shè)想的不太一致，如果時間充裕的話，需要做進(jìn)一步的測試和討論。圖21 一體化信號3 小結(jié)目前，對于通信收發(fā)新機(jī)的研究還在繼續(xù)，主要集中在現(xiàn)有技術(shù)的FPGA實現(xiàn)，如OFDM通信收發(fā)信機(jī)、MIMO通信

20、收發(fā)信機(jī)，OFDM和MIMO作為4G的核心技術(shù)，對其研究的火熱也是可以想見的，另外一個比較熱門的領(lǐng)域就是雷達(dá)通信一體化收發(fā)信機(jī)，其采用軟件無線電技術(shù)，在不改變雷達(dá)性能的基礎(chǔ)上，使其具有通信能力。學(xué)生在自己的FPGA開發(fā)板上嘗試設(shè)計了雷達(dá)通信一體化信號源，由于芯片及開發(fā)板性能的原因，參數(shù)不能保證與雷達(dá)系統(tǒng)相同，但是其基本原理是一樣的。盡管設(shè)計相對簡單，但學(xué)生通過這樣一個設(shè)計初步了解了FPGA開發(fā)的簡單流程，收獲頗多。由于學(xué)生對QuartusII軟件使用較為熟練，所以在設(shè)計中使用了此軟件。本課程中也學(xué)習(xí)了ISE軟件的使用，在使用ISE軟件考核時得到的正弦、余弦波波形如圖22。圖22 考核是得到的正/余弦波形參考文獻(xiàn)1 龔磊. 基于FPGA的OFDM收發(fā)信機(jī)的研究與實現(xiàn). 西安電子科技大學(xué)碩士論文, 2013.2 朱國富. MIMO 通信系統(tǒng)發(fā)信機(jī)設(shè)計D. 電子科技大學(xué)碩士論文, 2012.3 趙恩鋒. MIMO收發(fā)信機(jī)的研發(fā)D. 西安: 西安電子科技大學(xué)碩士論文, 2011.4 韓威. 定向?qū)拵?shù)據(jù)鏈相關(guān)技術(shù)研究. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)碩士論文, 2011: 1-8.5 張琪. 一體化雷達(dá)