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中頻直擴(kuò)接收機(jī)基于SMU200A的測試方案
2011-04-13
中頻直擴(kuò)接收機(jī)基于SMU200A的測試方案
李秀坤
摘要：本方案可方便、高效的對產(chǎn)品進(jìn)行邊界條件驗(yàn)證，從而提高產(chǎn)品的適應(yīng)性，加快系統(tǒng)研制腳步。
本文介紹了擴(kuò)頻技術(shù)在軍工通信中的應(yīng)用，針對其使用環(huán)境進(jìn)行了分析，描述了信道環(huán)境變化對同步的影響，提出一種以RS公司的矢量信號(hào)源發(fā)生器SMU200A為核心，搭建擴(kuò)頻通信半實(shí)物仿真平臺(tái)，對解調(diào)端的信號(hào)處理卡進(jìn)行測試的方案。
關(guān)鍵詞：擴(kuò)頻技術(shù) 同步 環(huán)境模擬 邊界測試
A Test System with SMU200A for DSSS IF Receiver
LI Xiu-kun
（China Airborne Missile Academy, Luoyang, 471009）
Abstract: The application of spread spectrum technology in military communication has been introduced briefly in this article. Its working environment has been analyzed and the influence from the environment changing of signal channel on the synchronization is described. A test system was put forward. In this system, a hardware in the loop simulation platform for spread spectrum communication has been established, in which the vector signal source generator SMU200A from RS Company is used as the core. The platform is used to test the signal processing card at the demodulated end. Its practice test has shown that it can validate the boundary condition of a product conveniently and effectively so as to raise the adaptability of the product, speed up the development progress of a system.
KEY WORDS:spread spectrum; synchronization; environment simulation; boundary test.
1 引言
近年來，擴(kuò)展頻譜技術(shù)（Spread Spectrum）在軍事通信中取得了廣泛的應(yīng)用。
擴(kuò)展頻譜技術(shù)是將基帶信號(hào)（即信息）的頻譜擴(kuò)展至很寬的頻帶上，然后再進(jìn)行傳輸，即將待傳送的信息數(shù)據(jù)用偽隨機(jī)編碼調(diào)制，實(shí)現(xiàn)頻譜擴(kuò)展后再傳輸，接收端則采用相同的擴(kuò)頻碼進(jìn)行解擴(kuò)解調(diào)處理來恢復(fù)出所傳信息數(shù)據(jù)。
根據(jù)直擴(kuò)原理，只有當(dāng)接收端的本地?cái)U(kuò)頻序列與接收信號(hào)中擴(kuò)頻序列相位一致時(shí)，即擴(kuò)頻序列同步時(shí)，才能實(shí)現(xiàn)接收信號(hào)的解擴(kuò)和解調(diào)，否則信號(hào)將淹沒在噪聲中。而在實(shí)際的擴(kuò)頻系統(tǒng)中，由于多種原因造成接收信號(hào)中擴(kuò)頻序列相位與載波相位的不穩(wěn)定。因此，同步是擴(kuò)頻系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，也是影響整個(gè)擴(kuò)頻系統(tǒng)性能的重要因素。通過對分析影響擴(kuò)頻同步的因素并對其進(jìn)行接近于實(shí)際的模擬，成為系統(tǒng)研制的關(guān)鍵因素。
本文以RS公司的SMU200A作為核心，搭建了一個(gè)直擴(kuò)中頻接收機(jī)的半實(shí)物仿真測試平臺(tái)。利用該平臺(tái)，可以方便、高效的對所設(shè)計(jì)的直擴(kuò)接收機(jī)建立各種邊界條件，從而驗(yàn)證同步方案是否滿足系統(tǒng)要求，并達(dá)到優(yōu)化的目的。
2 擴(kuò)頻系統(tǒng)使用環(huán)境分析
一個(gè)擴(kuò)頻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)好壞，主要在于中頻接收機(jī)的設(shè)計(jì)，尤為重要的是偽碼、載波同步能力。影響擴(kuò)頻同步通常有以下幾種原因：
1） 頻率源的漂移
系統(tǒng)中的發(fā)送設(shè)備和接收設(shè)備處于不同的物理位置，采用不同的本振源，作為軍用設(shè)備，會(huì)有相當(dāng)長的儲(chǔ)藏期，正常使用時(shí)，由于本振源頻率的漂移，將引起碼元時(shí)鐘速率的偏移，累積為碼相位的偏移；同時(shí)由于載波頻率的漂移，也使得收發(fā)頻差增大，影響系統(tǒng)同步。
2）多普勒頻移
軍用通信中載波發(fā)送端與接收端平臺(tái)速度差異造成發(fā)射信號(hào)的多普勒頻移、一次變化率、二次變化率較大，對接收信號(hào)的捕獲和跟蹤造成很大困難。
3） 電波傳輸時(shí)延
收發(fā)平臺(tái)空間位置的轉(zhuǎn)移會(huì)導(dǎo)致時(shí)延的不同，從而引起同步的不確定性。
4） 多徑效應(yīng)
在某些使用條件下，收發(fā)平臺(tái)間會(huì)存在多條路徑。多徑效應(yīng)會(huì)引起碼相位、載波頻率相位延遲造成同步的不確定。
除以上因素外，系統(tǒng)射頻組件的熱噪聲、實(shí)際環(huán)境中可能存在的突發(fā)干擾和隨機(jī)干擾也是影響同步的重要因素。
3 測試方案
3.1 方案選擇
通過上述分析，可以知道如果想對擴(kuò)頻系統(tǒng)的接收性能進(jìn)行精確的測試，必須要有一個(gè)可以精確反映上述影響因素的信號(hào)模擬和環(huán)境模擬的設(shè)備，以在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中建立近似于實(shí)際的半實(shí)物仿真環(huán)境，對中頻直擴(kuò)接收機(jī)的各種邊界條件進(jìn)行測試。
目前具備以上功能的性能較佳的儀器有Agilent公司的E4438C和RS公司的SMU200A。可以進(jìn)行發(fā)射信號(hào)模擬和環(huán)境模擬。發(fā)射信號(hào)模擬可以完成調(diào)制信號(hào)輸入、載波頻率和輸出功率選擇，環(huán)境模擬可以完成信噪比模擬、多徑模擬、時(shí)延模擬。
SMU200A矢量信號(hào)發(fā)生器采用模塊化設(shè)計(jì)理念，擁有兩個(gè)獨(dú)立的信號(hào)發(fā)生單元，基帶部分可以同時(shí)安裝兩個(gè)信號(hào)發(fā)生器，可以實(shí)時(shí)產(chǎn)生復(fù)雜的信號(hào)，并且隨機(jī)配備有一個(gè)任意波形發(fā)生器，它可以存儲(chǔ)64Msample的I和Q信號(hào)，兩路不同基帶產(chǎn)生的信號(hào)可以相互疊加。同時(shí)其采用現(xiàn)代直觀式用戶界面，可清晰顯示從基帶到RF輸出整個(gè)過程的信號(hào)流圖，使它具有非凡的易操作性。還可通過內(nèi)置瞬態(tài)記錄儀顯示基帶信號(hào)圖形，可顯示信號(hào)的矢量或星座圖、I/Q特性、輸出頻譜，這樣可檢查所生成信號(hào)是否符合要求。顯示界面見圖1。
E4438C是單通道，環(huán)境模擬需外配兩塊卡，操作較為麻煩，故選擇SMU200A進(jìn)行仿真平臺(tái)搭建和最終測試。同時(shí)選擇RS公司的FSQ作為信號(hào)分析設(shè)備進(jìn)行射頻信號(hào)檢測和驗(yàn)證。
測試平臺(tái)實(shí)現(xiàn)框圖見圖2。
測試平臺(tái)中，通過主控機(jī)將需調(diào)制的編碼擴(kuò)頻信號(hào)送入SMU200A中，在SMU200A中進(jìn)行調(diào)制，選擇合適的信道環(huán)境設(shè)置，輸出一個(gè)近似于真實(shí)環(huán)境的射頻信號(hào)，送入待測試的中頻直擴(kuò)接收機(jī)中，解調(diào)后的信號(hào)由主控機(jī)讀取，并進(jìn)行誤碼率判斷。
圖2 中頻直擴(kuò)接收機(jī)測試平臺(tái)實(shí)現(xiàn)框圖
3.2 信號(hào)產(chǎn)生和環(huán)境模擬
本測試平臺(tái)中可對以下條件進(jìn)行設(shè)置以滿足實(shí)驗(yàn)室測試需要的信號(hào)和環(huán)境模擬。
1） 射頻信號(hào)特征的設(shè)置
在測試平臺(tái)中應(yīng)可對輸出的射頻信號(hào)特征進(jìn)行設(shè)置，如開關(guān)控制、射頻頻率、功率、調(diào)制模式等。圖3中顯示了可設(shè)置的各種射頻信號(hào)特性。
2) 信噪比的設(shè)置
由于真實(shí)環(huán)境中收發(fā)距離的變化會(huì)引起接收端信號(hào)強(qiáng)度的變化，折算到中輸入端將反應(yīng)為信噪比的變化，同時(shí)在實(shí)時(shí)情況下由于收發(fā)兩端天線的位置、運(yùn)動(dòng)速度及方向的變化也會(huì)產(chǎn)生失配效應(yīng)，從而造成接收端信噪比的變化。本方案中采用將加性高斯白噪聲（AWGN）加于真實(shí)信號(hào)上的方法完成對信號(hào)信噪比變化的模擬。AWGN設(shè)置中可以方便的改變載噪比，載噪比的動(dòng)態(tài)范圍可以從-30dB到+30dB。帶寬范圍從1kHz到80MHz。
當(dāng)發(fā)射信號(hào)從發(fā)射機(jī)傳播到接收機(jī)時(shí)，發(fā)生各種衰減效應(yīng)，多個(gè)傳播路徑間可能會(huì)發(fā)生有益或有害的相互疊加，同時(shí)收發(fā)兩端的相對運(yùn)動(dòng)引發(fā)多普勒效應(yīng)。本方案中的fading模塊可以模擬上述效應(yīng)。此模塊可以對兩通道的信號(hào)進(jìn)行衰落模擬，總共可以提供40條路徑，帶寬為80MHz，時(shí)間分辨率為10ns。可模擬多種多徑衰落：靜態(tài)路徑、純多普勒效應(yīng)、銳利傳播、萊斯衰落、恒定相位衰落、對數(shù)正態(tài)衰落、Suzuki衰落等。
4) 控制信道的幀格式編排及誤碼率、誤塊率測試
實(shí)際軍事通信中，控制信道的幀格式有其特殊性，可以連續(xù)編排不同的幀格式數(shù)據(jù)，并在所生成的信號(hào)插入不同的錯(cuò)誤位數(shù)，通過這種方式，在接收端測試誤碼率和誤塊率，以檢測接收機(jī)是否滿足系統(tǒng)要求。
5) 背景信號(hào)的施加
實(shí)際軍事通信中，數(shù)據(jù)傳輸?shù)沫h(huán)境中必定存在多種背景信號(hào)，可能是我方其他分組件產(chǎn)生或泄漏的信號(hào)，也可能是敵方通信的信號(hào)，或者是惡意的干擾信號(hào)，為檢測接收機(jī)的工作狀況，測試平臺(tái)必須具備施加背景信號(hào)的能力。利用SMU200A的雙通道特性，可以通過多種方式施加需要的背景信號(hào)。
a） 基帶疊加
一個(gè)基帶信號(hào)發(fā)生器用來實(shí)時(shí)產(chǎn)生需要評測的信號(hào)，另外一個(gè)實(shí)時(shí)產(chǎn)生用作背景的干擾信號(hào)，可以使一個(gè)背景文件，也可以是多個(gè)背景文件的合成，兩個(gè)信號(hào)以數(shù)字信號(hào)的形式合在一起，還可以設(shè)置一定的頻率偏移，輸出后直接送給直擴(kuò)接收機(jī)，檢測接收機(jī)的接收檢測能力。
SMU200A的信號(hào)路徑可以根據(jù)需要隨時(shí)切換（在經(jīng)過衰落模擬器處理后），因而可以模擬許多以前不可能或者需要耗費(fèi)大力氣制作的場景模擬。例如，為了模擬收發(fā)天線由于平臺(tái)滾動(dòng)引起天線失配信號(hào)畸變引發(fā)的數(shù)據(jù)幀衰落現(xiàn)象模擬，可以對一個(gè)基帶信號(hào)產(chǎn)生器產(chǎn)生的所需數(shù)據(jù)幀進(jìn)行衰落處理，然后再將其加到另外一個(gè)基帶信號(hào)模擬器產(chǎn)生的信號(hào)上，就得到了需模擬的場景。
b）射頻疊加
如上所述，在基帶產(chǎn)生需要評測的信號(hào)和實(shí)際可能的背景信號(hào)，然后通過射頻通道輸出。這種狀況下即使在功率和頻率偏移方面存在顯著不同也是可以的。
c）混合疊加
可以將外部模擬I/Q信號(hào)輸入到SMU200A中，對其進(jìn)行衰落、噪聲、損害處理，然后與內(nèi)部信號(hào)疊加輸出，也可以將外部信號(hào)加到內(nèi)部基帶信號(hào)上，從而實(shí)現(xiàn)更為復(fù)雜的信號(hào)場景模擬。
對于a）和c）的測試信號(hào)及場景信號(hào)，信號(hào)頻率差異在80MHz以內(nèi)，對于方案b），測試信號(hào)與場景信號(hào)的頻率差可大于80MHz，但此測試平臺(tái)的信號(hào)帶寬只有80MHz。
3.3 信號(hào)的測試與分析
采用FSQ26完成對射頻信號(hào)的頻譜測試、調(diào)制域分析，功能主要如下：
1）高端的頻譜分析功能：
Ø 各種分辨率濾波器供測量使用，高斯、FFT、信道、RRC；
Ø 各種檢波器可供選擇，RMS、AUTO、MIN/MAX、QUASI、PEAK、SAMPLE、AVERAGE，以適應(yīng)多種信號(hào)類型的測試；
Ø 可方便快捷的測量頻域、時(shí)域的信道功率；
2）調(diào)制信號(hào)分析功能：
解調(diào)和分析帶寬高達(dá)120MHz，由硬件完成比較費(fèi)時(shí)的分析算法，提高了測量速度與準(zhǔn)確度；可處理模擬AM、FM、φM調(diào)制信號(hào)，可確定頻偏、示波器頻率穩(wěn)定時(shí)間等各項(xiàng)參數(shù)，并且可使用FFT濾波器對解調(diào)信號(hào)進(jìn)行分析。
可用于所有常見調(diào)制模式：BPSK、QPSK、0QPSK；Π/4 DQPSK；8PSK、D8PSK、3 Π/8 BPSK；MSK；FSK；16,32,64,128,256 (D)QAM。
可顯示以下測量結(jié)果：同相和正交信號(hào)-時(shí)間關(guān)系曲線；幅度、相位-時(shí)間關(guān)系曲線；眼圖；矢量圖；星座圖；調(diào)制錯(cuò)誤列表；數(shù)位流解調(diào)；頻譜分析；調(diào)制參數(shù)的統(tǒng)計(jì)分析；放大器失真測量；
3）相位噪聲測量功能
可自動(dòng)測量完整的偏置頻率范圍，并可測定相位噪聲中的殘留FM，F(xiàn)SQ本身的相位噪聲極低，在測量時(shí)無需再增加其他相位噪聲測量系統(tǒng)，從而避免了操作的麻煩。
4 結(jié)論
通過本平臺(tái)的搭建，對某直擴(kuò)接收機(jī)進(jìn)行了實(shí)測，發(fā)現(xiàn)了設(shè)計(jì)的缺陷，并對設(shè)計(jì)缺陷進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)。
通過本平臺(tái)的搭建，可以完成對發(fā)射信號(hào)及環(huán)境的模擬以及對信號(hào)的分析、檢測，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)建立近似于實(shí)際使用環(huán)境的半實(shí)物仿真環(huán)境，以方便、高效的對產(chǎn)品進(jìn)行邊界條件驗(yàn)證，提高產(chǎn)品的適應(yīng)性，加快系統(tǒng)研制腳步。
但是本平臺(tái)有一定的局限性，由于SMU200A的多普勒頻移只有2.4kHz，故而收發(fā)平臺(tái)相對速度大的通信系統(tǒng)不能適應(yīng)。
[1] 曾興雯，劉乃安，孫獻(xiàn)璞編著. 擴(kuò)展頻譜通信及其多址技術(shù)[M].西安. 西安電子科技大學(xué)出版社. 2004.5.
[2] 李秀坤，向冰，張楷生，朱學(xué)勇.高動(dòng)態(tài)中頻直擴(kuò)接收機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J], 航空兵器，2008（6）.40～43.
[3] www.rohde-schwarz.com. SMU200A.pdf version01.00 2003.9
[4] www.rohde-schwarz.com. FSQ_bro_cn.pdf version01.00 2003.9
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