高速組網(wǎng)無線數(shù)傳鏈路設(shè)計及FPGA實現(xiàn)

陳　韻，劉　建，楊　健，張云飛

(中國航天科工集團8511研究所，江蘇 南京 210007)

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·工程應(yīng)用·

高速組網(wǎng)無線數(shù)傳鏈路設(shè)計及FPGA實現(xiàn)

陳韻，劉建，楊健，張云飛

(中國航天科工集團8511研究所，江蘇 南京 210007)

為了解決雷達及電子對抗系統(tǒng)組網(wǎng)協(xié)同工作的問題，設(shè)計一種基于QPSK調(diào)制解調(diào)的高速無線數(shù)傳鏈路，并對其進行仿真及FPGA硬件實現(xiàn)。利用QPSK調(diào)制信號功率集中、帶外泄漏少、載波抑制的優(yōu)點，將其設(shè)計成為組網(wǎng)系統(tǒng)的底層通信鏈路。該無線數(shù)傳鏈路中頻頻率150MHz，傳輸信息速率為10Mbps，為了適應(yīng)各子平臺(站)相對運動的通信環(huán)境，在外加10kHz載波頻偏的條件下進行蒙特卡洛仿真，在5dB信噪比條件下誤碼率達到10e-5的量級，接近理論值。

無線通信；組網(wǎng)通信；QPSK調(diào)制解調(diào)；FPGA

0　引言

目前雷達和電子對抗技術(shù)朝著系統(tǒng)化網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展，電子對抗系統(tǒng)子系統(tǒng)或各平臺之間數(shù)據(jù)交換的業(yè)務(wù)需求越來越大，需要實時快速的情報交換以確定更加合適的偵察干擾策略[1]。這就對無線通信鏈路提出了較高的要求，應(yīng)使其具備實時性、可靠性與安全性的特點，并可應(yīng)用多平臺系統(tǒng)時間同步技術(shù)，實時實現(xiàn)各平臺的時間校正，使系統(tǒng)具有統(tǒng)一的工作時間節(jié)拍。因此，高速無線通信數(shù)傳鏈路的研制具有重要意義和廣闊的應(yīng)用前景。

現(xiàn)有高速無線數(shù)傳基帶調(diào)制解調(diào)技術(shù)分為多種，如AM、FM、擴頻技術(shù)、OFDM技術(shù)[2-5]等。但是這些技術(shù)的應(yīng)用要求固定的調(diào)制流程和通信協(xié)議，通信制式注重特定的通信環(huán)境，對于多節(jié)點協(xié)同組網(wǎng)工作方面的特殊需求并未加以設(shè)計，導致通信制式的調(diào)制解調(diào)芯片并不能完全適用[6]。而軟件無線電技術(shù)[7]則具有適用于通信技術(shù)信號頻率與帶寬的特點。本文正是利用軟件無線電的設(shè)計思想，采用大規(guī)模現(xiàn)場可編輯陣列(FPGA)設(shè)計實現(xiàn)基于正交相移鍵控(QPSK)調(diào)制解調(diào)的高速無線數(shù)傳鏈路，較好地滿足了雷達偵察干擾電子技術(shù)網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展的趨勢。

1　QPSK調(diào)制解調(diào)原理

1.1總體設(shè)計

所謂調(diào)制就是指用調(diào)制信號的變化規(guī)律去改變載波的某些參量，從而把調(diào)制信號的頻譜搬到信道允許傳輸?shù)念l段范圍內(nèi)。QPSK相移鍵控是指采用相位變化來調(diào)整載波信號的相位，從而來傳遞信息，具有頻譜分量集中、帶外泄露較小和載波頻率受到抑制的優(yōu)點。QPSK調(diào)制方式成熟，應(yīng)用廣泛，集合以上優(yōu)點，被選為組網(wǎng)偵察干擾系統(tǒng)無線鏈路調(diào)制解調(diào)方式。

總體通信鏈路設(shè)計如圖1所示。由信源端產(chǎn)生10Mbps的比特流信號，經(jīng)過QPSK調(diào)制之后變成5Msps的碼元符號，通過對其進行脈沖成型處理，再進行插值濾波，形成基帶信號。對基帶信號進行上變頻送入微波模塊，形成發(fā)射信號。接收端對接收信號進行下變頻，得到中頻采樣數(shù)據(jù)，對采樣信號進行脈沖成型匹配濾波之后，送入到載波同步模塊，跟蹤信號載波，去除頻偏及多普勒效應(yīng)，并將得到的基帶信號送入碼元同步模塊進行定時抽樣，并進行判決得到信息比特流送入到信宿中。

圖1　QPSK通信系統(tǒng)框圖

1.2調(diào)制解調(diào)原理

QPSK是利用載波4個不同的相位來表征數(shù)字信息的一種調(diào)制方式。具體調(diào)制信號可以表示為：

(1)

式中，Es代表信號在一個碼元間隔內(nèi)的能量，Ts為一個碼元周期，ωc為載波角頻率，φi為4種可能取值的相位。

QPSK信號只是用來攜帶基帶信號的數(shù)字信息，而且經(jīng)過成型濾波器得到適合于信道的傳輸波形。成型濾波器不僅可以平滑波形，提高頻帶利用率，而且可以消除碼間干擾。一般成型濾波器函數(shù)通常采用平方根升余弦滾降特性濾波器。這樣，經(jīng)過調(diào)制的QPSK信號可以表示為：

(2)

(3)

當載波信號到達接收端之后，需要對其進行解擴解調(diào)，從而恢復出信源信息。具體解擴解調(diào)所需步驟如下：

1)數(shù)字下變頻模塊完成將AD帶通采樣數(shù)據(jù)與NCO產(chǎn)生的兩路正余弦序列相乘，將接收的中頻信號的頻偏搬移到零頻，輸出I/Q兩路同相和正交分量，然后通過低通濾波器將高頻分量濾除。

2)匹配濾波器的傳輸特性為平方根余弦滾降特性，且滾降因子與成型濾波器相同。匹配濾波器與調(diào)制端的成型濾波器構(gòu)成最佳基帶傳輸系統(tǒng)，這樣能使碼元能量集中，對減小碼間干擾和定時提取非常有利。

3)載波同步模塊從匹配濾波器輸出的基帶信號中，提取剩余載波頻差，通過調(diào)整NCO來完成剩余載波頻差的消除。

4)位同步模塊是從載波同步環(huán)路內(nèi)插重采樣的兩路數(shù)據(jù)提取出I/Q兩路位同步時鐘，并利用該時鐘對I/Q兩路數(shù)據(jù)進行內(nèi)插重采樣判決輸出。

2　組網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議設(shè)計

多節(jié)點協(xié)同組網(wǎng)通信平臺需要考慮的一個問題就是多用戶分配的問題，在實際應(yīng)用中常使用組網(wǎng)工作的方式。組網(wǎng)式信息對抗系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)如圖2所示，網(wǎng)絡(luò)由1個主控計算機、1個主干擾機和多個從干擾機組成。每個干擾機設(shè)置兩個獨立的RS-485通信信道A和B，信道A用于與主控計算機通信，信道B用于與干擾機網(wǎng)絡(luò)通信。干擾機網(wǎng)絡(luò)為多點連接的RS-485網(wǎng)絡(luò)。

圖2　組網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)實驗拓撲圖

2.1關(guān)鍵節(jié)點模式

組網(wǎng)式干擾以主干擾機為核心，為防止主干擾機被摧毀后整個干擾網(wǎng)絡(luò)失效，主干擾機為動態(tài)分配模式，即每隔固定的時間間隔進行一次網(wǎng)絡(luò)同步，對網(wǎng)絡(luò)時間進行同步、確定主干擾機角色和加入新的從干擾機。存在確定主機情況下，步驟描述如下：

1)每固定的時間間隔，主干擾機發(fā)出一次網(wǎng)絡(luò)時間同步通信報文；

2)各從干擾機收到網(wǎng)絡(luò)時間同步通信報文后，根據(jù)硬件ID在各自分配的時間片內(nèi)進行應(yīng)答，某時間片內(nèi)無對應(yīng)的從干擾機應(yīng)答則認為從干擾缺失；

3)主干擾機根據(jù)應(yīng)答結(jié)果建立有效干擾機列表，進行偵察和干擾資源分配。

2.2競爭節(jié)點模式

在無法確定關(guān)鍵節(jié)點或者關(guān)鍵節(jié)點被摧毀的情況下，多個從偵察干擾機通過競爭確定主機的步驟如下：

1)從干擾機開機后開始計時，超過固定的時間間隔后仍未收到網(wǎng)絡(luò)時間同步通信報文，則從干擾機自定義為主機，網(wǎng)絡(luò)時間即為本機時間；

2)從干擾機自定義為主機后需要立即發(fā)送網(wǎng)絡(luò)時間同步通信報文，以在網(wǎng)絡(luò)中確立主機地位。

3　算法仿真及FPGA實現(xiàn)

3.1算法仿真

為了驗證本文所設(shè)計的無線數(shù)傳鏈路的性能，采用Matlab仿真軟件對對本文設(shè)計通信鏈路進行蒙特卡洛仿真。衡量通信系統(tǒng)性能的參數(shù)有多種，如輸入信號動態(tài)范圍、載波捕獲門限、載波捕獲帶寬和解調(diào)誤碼率性能。而解調(diào)誤碼性能最能夠反映出通信系統(tǒng)的性能，通過在解調(diào)端對信號注入不同程度的噪聲，獲得不同的信噪比之后，來測試不同信噪比下的誤碼性能。仿真條件為輸入信息速率為10Mbps，中頻載波為150MHz，采樣率為200MHz，為了進一步仿真出收發(fā)兩端相對運動而產(chǎn)生的多普勒頻偏和收發(fā)兩端時鐘的頻率漂移現(xiàn)象，在接收端附加了10kHz頻偏。輸入信噪比為-5～15dB條件下，無載波頻偏和有載波頻偏的誤碼率對比如圖3所示?？梢钥闯?，當信噪比為5dB時，無頻偏的數(shù)傳鏈路已不存在誤碼，而頻偏為10kHz的誤碼率也達到10e-5的量級，接近理論值水平。

圖3　誤碼率曲線圖

3.2FPGA實現(xiàn)

FPGA即現(xiàn)場可編輯邏輯門陣列，因其實現(xiàn)簡單、開發(fā)靈活方便，而受到廣泛的應(yīng)用，如今FPGA已經(jīng)成為數(shù)字信號處理的主流硬件，也是軟件無線電的標準硬件平臺。FPGA內(nèi)部整合了大量的邏輯單元、時鐘管理和DSP，使得其功能十分強大，已經(jīng)擺脫最初只能進行邏輯控制方面應(yīng)用，而開始在信號處理與計算方面獲得較大應(yīng)用。Matlab旗下系統(tǒng)工具simulink中包含Xilinx基本模塊庫，能夠完美實現(xiàn)對Xilinx所有FPGA芯片進行仿真與實現(xiàn)支持。本文使用Xilinx公司的K7系列的FPGA，采用simulink實現(xiàn)整體的無線數(shù)傳鏈路設(shè)計。

在信噪比為15dB條件下，當載波頻偏發(fā)生偏移10kHz時，經(jīng)過載波同步之后的QPSK解調(diào)后的simulink和Matlab仿真星座圖對比如圖4所示?？梢钥闯鰏imulink系統(tǒng)模塊設(shè)計與Matlab仿真基本相同，實現(xiàn)了設(shè)計功能。相同條件下的載波同步后的基帶波形如圖5所示?？梢钥闯觯?jīng)過載波同步，能夠補償外部多普勒頻偏的影響，可以正確恢復出基帶調(diào)制波形。在信噪比為15dB條件下碼元同步的simulink和Matlab仿真星座圖對比圖6所示?？梢钥闯鰏imulink系統(tǒng)模塊設(shè)計與Matlab仿真基本相同，實現(xiàn)了設(shè)計功能。相同條件下的碼元同步后的基帶波形如圖7所示。從中系統(tǒng)能夠正常地將碼元極性進行區(qū)分，為后續(xù)的碼元判決提供良好的條件。

圖4　載波頻偏10kHz條件下星座圖(SNR=15dB)

圖5　頻偏10kHz載波同步結(jié)果

圖6　碼元同步星座圖(SNR=15dB)

圖7　碼元同步基帶波形及定時誤差

4　結(jié)束語

本文在雷達偵察干擾平臺系統(tǒng)化網(wǎng)絡(luò)化的前提下，設(shè)計一種高速無線數(shù)傳鏈路，作為分立系統(tǒng)的底層鏈路。該鏈路系統(tǒng)基于軟件無線電系統(tǒng)設(shè)計思想，采用FPGA進行硬件實現(xiàn)，具有實現(xiàn)簡單、設(shè)計靈活的優(yōu)點。該鏈路系統(tǒng)基帶調(diào)制解調(diào)方式采用成熟的QPSK體制，設(shè)計中頻頻率150MHz，信息傳輸速率10Mbps，較好地滿足了偵察干擾平臺之間組網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?。本文通過Matlab仿真和simulink進行硬件實現(xiàn)，驗證了系統(tǒng)的性能指標，達到了系統(tǒng)設(shè)計要求，為各平臺(站)組網(wǎng)工作奠定了基礎(chǔ)?！?/p>

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Design of high speed wireless networking communication and FPGA implementation

Chen Yun, Liu Jian, Yang Jian, Zhang Yunfei

(No.8511 Research Institute of CASIC,Nanjing 210007, Jiangsu,China)

For the problem of cooperative combat networking of radar and ECM system,a new wireless data communication based on QPSK modulation method is introduced.And simulation and hardware implementation with FPGA of this method is introduced.The QPSK modulation is designed to link layer of cooperative combat networking because of the power concentration,carrier suppression and without out band leakage.The medium frequency of wireless data link is 150MHz,and transmission data rate is 10Mbps.To adapt to the relative movement communication environment,the Monte Carlo method is used in the condition of 10kHz Doppler frequency shift and SNR is 5dB.In this condition, the Ber is up to 10e-5 and it is closed to theoretical value.

wireless communication; networking communication; QPSK modulation; FPGA

2015-05-16；2015-06-27修回。

陳韻(1985-)，男，助理工程師，碩士，從事導彈制導仿真工作。

TN971

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