基于国产自主芯片的电离层测高仪设计_黄鹏.pdf

第 卷 第 期 年 月电 子 器 件 .收稿日期：修改日期：，（，）：，：；：基于国产自主芯片的电离层测高仪设计黄 鹏，杨国斌，黄春雷，李 浩（武汉大学电子信息学院，湖北 武汉）摘 要：设计了一款基于国产芯片的便携式电离层测高仪。系统使用软件无线电的设计思想，尽可能减少了外部电路的使用。发射部分采用 高速 功放天线的结构，使用 的方式可以产生 的任意波形调制信号。接收机模拟部分摒弃了传统的超外差结构，信号经天线滤波放大后，直接经高速 进入 处理，减少了模拟电路可能带来的噪声、温漂和非线性失真等问题，同时由于绝大部分信号处理都在数字域进行，极大地提高了系统的抗干扰能力。数字部分采用了数字混频数字下变频的设计，可对输入的高速采样信号进行解调滤波与下变频操作，最后得到低速的基带信息经 传输控制模块传输至上位机进行进一步处理。仿真测试与实测结果表明本设计的各项性能指标均满足要求。关键词：国产化；直接采样；软件无线电；数字下变频；高速 ；传输中图分类号：文献标识码：文章编号：（）电离层测高仪是电离层探测中最常用的设备。电离层不同高度有着不同的电子浓度，由于等离子体会反射低于等离子体振荡频率的电磁波，而等离子体振荡频率与粒子浓度正相关，因而电离层测高仪通过发送不同频率的电磁波测量回波时间即可反演出电离层所在高度及其电子浓度。作为地空环境的重要组成部分，电离层的时空变化对空间中电磁波的传播有着较大影响，电离层研究对通信、导航、空间物理学与国防军事等方面的研究具有重要意义。目前电离层测高仪的设计已较为成熟，但国内现有电离层测高仪所使用的绝大部分芯片（如 、和接口控制芯片等）均来自国外进口，同时现有的国产电离层测高仪大部分使用传统发射机和接收机的设计思路，使用了较多的模拟电路和外部芯片，系统结构较为复杂。为了响应硬件国产化与数字化的要求，武汉大学研制出了一代新型的国产电离层测高仪，该系统使用软件无线电的设计思想，进一步简化了系统的外部电路，系统的核心器件（、和接口控制芯片）均使用了国产芯片，发射端直接使用 产生发射波形，接收端使用了软件无线电中最为理想的直采结构完成了接收机的设计。系统指标分析电离层测高仪应包含发射、接收和数据传输三个模块，在此之前武汉大学研制的电离层测高仪已第 期黄 鹏，杨国斌等：基于国产自主芯片的电离层测高仪设计 实现了采用二项编码的完全互补码等波形探测电离层的功能，本系统的发射波形在原有系统的基础上，增加了线性调频连续波，进而可以应用于更多领域。本系统应满足如下性能指标：表 电离层测高仪性能指标性能指标指标要求工作频率 接收机带宽 脉冲重复频率 基带采样速率 转换位数 距离分辨率 系统设计基于上述性能指标，本文设计出如下系统，系统框图如图 所示。图 系统框图 发射模块发射对应波形至电离层，接收模块接收回波并进行解调解码等操作，最后数据经控制与数据传输模块传输至上位机进行进一步处理，同时控制与数据传输模块接收来自上位机的指令信息进而控制发射与接收模块。控制与数据传输模块本系统数据传输基于 通信协议，控制与数据传输模块结构如图 所示，接口端使用了一个批量输入端点和默认的控制端点，通过对 接口芯片的固件编程，在 端定义了 位宽的数据总线，位指令总线（地址线，数据线和 写入使能信号）和 接口。通过数据总线经接口芯片内部的 可直接将基带数据传输至批量输入端点供上位机读取，上位机通过对控制端点写入控制字的方式可实现对指令总线的控制进而控制下位机的操作，同时上位机可通过读取控制端点的数据获得下位机经 接口传输而来的 和机器状态等信息。下变频后信号采样率小于 ，、两路数据共 ，计算得数据传输速率为 ，远低于 协议的理论传输速度 ，因此选用支持 协议的 接口芯片即可满足系统要求。最终选用了芯佰微电子公司的 芯片作为 接口电路，它包含了 收发器、内核的、片上 的 和 的、多组通用的 接口和通用可编程接口（），经实测数据传输速率可满足系统需要。图 控制与数据传输模块结构图 发射模块发射系统用于产生探测所需的波形。波形由 直接数字合成产生，发射模块结构如图 所示，通过发送对应的频率控制字和相位控制字到 核实现对载波的调频调相，再经过数字调幅之后即可得到图 所示的发射波形。图 中 为码序列，（）与（）分别为调幅调相信号，（）为发射波形，、分别表示码元宽度、每个码片的持续时间和探测周期时间。发射波形（）可选择二相编码下的完全互补码或线性调频连续波，将回波信号解调解码后与本地调制码进行相关运算，可实现脉冲压缩进而获得较高的距离分辨力与压缩增益。由表 得 系 统 工 作 频 率 范 围 为 ，一般选用高于频带最高频 倍的转换速率即可较好地输出对应的信号，因此选用支持大于 转换速率的 配合 即可输出探测所需的波形。电 子 器 件第 卷图 发射模块内部结构图 发射波形示意 最 终 采 用 了 云 芯 微 电 子 公 司 生 产 的，其支持双通道、位，的转换速率，可在奈奎斯特频带内输出多载波宽带信号。内部针对直接变频发射应用做了专门设计，包括增益和偏置补偿。输出可与模拟正交调制器进行无缝连接。采用 线 接口，可对 进行配置、读取等操作。输出电流可以从 配置到 。图 接收模块结构图 选用复旦微电子公司生产的，拥有 个逻辑单元，个（）单元和 个 ，同时包含 个 和 个，经实测可以满足本系统的使用。接收模块接收模块如图 所示，主要由模拟前端与 内部的数字信号处理模块两部分组成。由于电离层探测所使用的频率较低，因而可以使用软件无线电设计中最理想的结构 对原始信号直接采样的方式来设计模拟前端，这样可以避免超外差结构复杂的电路设计，降低了整个系统的成本与功耗，同时较少的模拟器件可减少电路因环境等因素的影响而引入的噪声。直采接收模块仅包含隔离开关、带通选择滤波器和高速 转换器。由表 得系统工作频率范围为 ，由奈奎斯特低通采样定理可知，使用高于信号最高频率 倍的采样频率对原始信号采样即可完整保留原始信号中的信息。因而选用高于 转换速率的 即可满足系统要求。最 终 选 用 云 芯 微 电 子 公 司 生 产 的 芯片，这是一款 位、单通道模数转换器（），这款 内核采用多级、差分流第 期黄 鹏，杨国斌等：基于国产自主芯片的电离层测高仪设计 水线架构，并集成了输出纠错逻辑，支持用户可选的各种输入范围。集成基准电压源可简化设计。占空比稳定器可用来补偿 时钟占空比的波动，使转换器保持出色的性能。输出数据可以直接送至外部 位输出端口，这些输出可以设置为 或。需要时，灵活的掉电选项可以明显降低功耗。设置与控制的编程利用三线式 兼容型串行接口来完成，这款 的性能可很好地满足本系统的需要。数字信号处理数字信号处理模块结构见图，主要包括数字混频、数字下变频（）两部分，经该部分处理后可直接得到 两路数据。数字混频部分通过将输入信号与本地 源产生的与接收信号载波频率相同的两路正余弦信号混频，得到 两路零中频信号。由于 采样速率较高（），后续直接对采样数据进行处理与存取显然比较困难，又由于基带速率相对采样频率而言极低，我们可以采用对基带信号抽样的方式来降低信号速率而不影响基带信号所含信息，同时为了避免频谱混叠，我们在下抽的过程中还需要进行低通滤波，因而设计了数字下变频模块。数字下变频模块包含 滤波器与 补偿滤波器两个部分，设计时需要同时考虑下变频下抽系数与滤波器通带两个参数，基带信号码片宽度即图 中的 ，对应下变频后采样率为，对于 的输入采样频率，需要进行 倍的下抽，又考虑到基带信号带宽，滤波器通带截止频率选在 附近。取 滤波器一阶零点位于 处可基本满足通带要求，对于单级 滤波器，有传递函数：（）式中：，分别为抽取倍数与后级梳状滤波器的差分延迟因子，代入，可得到一阶零点位于 处，一般梳状滤波器的延迟因子 取值为 或，此处为了减少 下抽系数取，代入可计算得 滤波器下抽系数 ，同时为了增加带外信号衰减选择采用 级 级联的形式，此时主旁瓣比可达 。由于 滤波器通带不平坦且过渡带较宽，需要后级联一级 补偿滤波器来对通带进行补偿、加快过渡带下降同时将信号进一步下抽。显然为保持通带平坦，通带内补偿滤波器幅频特性应与 滤波器幅频特性互为倒数，此时补偿滤波器幅频响应近似于反正弦，为满足 倍的下抽要求，的下抽系数定为，最终滤波器幅频特性如图 所示。可以看出最终滤波器通带内有着良好的平坦度，过渡带很窄且带外有着极高的衰减。同时经过两级下抽后信号速率被降低到了 。图 滤波器幅频特性 系统测试及探测结果测试分为功能测试和电离层垂测两个部分。功能测试验证了系统各个模块功能的准确性，实际电离层垂测证明了系统的实用性。功能测试由波形产生模块产生 信号直接输入数字信号处理模块，由于复旦微电子公司生产的 支持使用 软件，因而使用 软件所带的 集成逻辑分析仪可以查看每个模块的输出波形，进而验证仿真结果。采样时钟为 ，波形产生模块时钟为 ，测试载波频率为，测试码字 循环发送，基带速率为 。测试结果如图 所示，接收机输入发射模块产生的二相编码信号，经数字混频后可得到带有差频包络的 两路和频信号，后经下变频滤波处理后得到两路基带输出，由解调后基带信号可明显看出循环发送的测试码字，进而验证了系统数字域的整体功能。图 测试结果 电离层垂测结果图 展示了利用研制好的该电离层测高仪在 年 月 日：分于湖北武汉（，）的电离层垂测结果，发射功率为 ，发射电 子 器 件第 卷接收均使用倒 天线，发射波形采用二相编码，从 至 以 的频率步进。从图中可以得到以下信息：层，和 层虚高分别位于，和 附近。对于寻常波，层和 层临界频率分别位于 和 附近，对非寻常波，层和 层临界频率分别为 和 附近，在 以上还可以看到二跳与三跳的回波，本次测试同时接收到了位于珠海的发射站发送的电离层斜测信号。图 垂测结果 结语为了响应硬件国产化与数字化的要求，设计了一款基于国产芯片的电离层测高仪。文中分析了电离层测高仪的发射，接收，数据传输等模块的设计，最后经过功能测试与实际电离层垂测，证明了系统的稳定性与实用性，对于专用电离层探测设备摆脱国外芯片的依赖，增强设备的安全性有着较大意义。参考文献：，（）：，（）：，（）：，（）：刘桐辛 基于多通道电离层探测系统的新技术研究与应用 武汉：武汉大学，（）：，（）：杨国斌 电离层综合探测系统总体设计及其关键技术研究 武汉：武汉大学，孙恒青 多通道电离层探测系统设计与应用研究武汉：武汉大学，刘林仙，乔楠楠，童强，等 基于 的 通信接口设计 测试技术学报，（）：，（），：，：，（），：，（）：尹未秋 数字中频实现技术研究 成都：电子科技大学，黄 鹏（），男，湖北荆州人，武汉大学空间物理系硕士研究生，研究方向为电波传播理论与应用，；杨国斌（），男，江西南昌人，武汉大学空间物理系教授，研究方向为电离层探测设备研制，。