王李民，劉衛(wèi)華，周志文

(1. 92493部隊，遼寧葫蘆島 125000；2. 92403部隊，福州 350007；3. 海軍工程大學，武漢 430033)

0 引言

短波接收機頻譜掃描[1]的作用是對目標信號的頻譜進行搜索截獲，提取信號的特征參數(shù)，從而對敵方的通信信號進行監(jiān)聽。頻譜掃描的主要性能指標[2]之一為掃描速度，影響掃描速度的因素包括模擬前端頻率合成器的換頻時間、AGC的調整時間以及信號分析檢測的時間。在數(shù)字化短波接收機中，可編程邏輯器件（比如DSP，F(xiàn)PGA等）的應用可大大提高，由于DSP的靈活性所以較適合在數(shù)字化結構中起邏輯控制作用。

本文在基于DSP和FPGA的短波數(shù)字化接收機硬件平臺上設計平實現(xiàn)了滿足工程應用的頻譜掃描流程，并針對掃頻速度難以滿足實際工程要求的情況，運用有限狀態(tài)機的思想合理設計和調用DSP的線程，使得在不影響接收機指標前提下有效提高了掃頻速度。

1 有限狀態(tài)機

圖1 有限狀態(tài)機狀態(tài)轉移圖

2 頻譜掃描設計方案

在本設計中，數(shù)字化短波接收機的硬件平臺采用的為中頻帶通采樣結構[3]，既可完成解調也可進行掃頻，本文只探討頻譜掃描。當接收機工作在頻譜掃描狀態(tài)下時，天線端的射頻信號經(jīng)過前端混頻、放大后到模擬中頻，設計的中頻頻率為63.078 MHz。經(jīng)ADC中頻采樣后送往FPGA和DSP進行數(shù)字處理，DSP將頻譜分析的結果最終送給 PC終端進行提取通信信號參數(shù)。其中數(shù)字處理部分主要包括FPGA進行數(shù)字下變頻，將I、Q兩路信號送給DSP進行FFT頻譜分析。頻譜掃描的系統(tǒng)框圖如圖2所示。其中數(shù)字處理部分的詳細流程圖如圖3所示。

由于在實際工程中要求頻譜掃描的速度必須大小200 MHz/s，這就要求在掃描1 MHz的頻段范圍須在5 ms內(nèi)完成。然而對接收機而言，每對頻譜掃描一次需要完成五個狀態(tài)之間的切換：1)主控發(fā)解調命令，在 DSP中做 AGC；2)主控發(fā)FFT命令，F(xiàn)PGA中開始進行采數(shù)；3)FPGA中采數(shù)結束，DSP讀取2*N個I/Q兩路數(shù)據(jù)到FIFO中；4)DSP的FIFO中數(shù)據(jù)存儲完畢，開始做FFT分析；5)FFT分析做完，通知主控通過主機并行接口(HPI，Host Parallel Interface) 取數(shù)，并等待主控下發(fā)一條命令。狀態(tài)的切換控制與時間把握決定了掃頻速度是否滿足指標要求。

圖2 頻譜掃描系統(tǒng)框圖

圖3 頻譜掃描數(shù)字處理部分流程圖

在本設計中 DSP以 64 kHz的中斷速率與FPGA進行數(shù)據(jù)交互，DSP通過調用BIOS中的API函數(shù)，比如SWI_post來觸發(fā)軟件中斷(SWI，Software Interrupt)，其處理時間相對于硬件中斷(HWI，Hardware Interrupt)比較充裕。因此，主控每次給DSP發(fā)送命令時產(chǎn)生硬中斷，保證命令的優(yōu)先級，而信號處理置于SWI層。由于高優(yōu)先級可打斷低優(yōu)先級的SWI，所以設計了如圖4的狀態(tài)機[4,5,6]。

圖4 頻譜掃描狀態(tài)機示意圖

如圖4中的狀態(tài)為前述一次掃頻的五種狀態(tài)，外部觸發(fā)事件可能是為主控發(fā)送的命令，也可能為信號處理產(chǎn)生的標志位。當接收到外部觸發(fā)事件時，轉移到下一個狀態(tài)，兩個轉移的時間為ti。由前述可知，完成1 MHz的頻段掃描時間T=t0+t1+t2+t3+t4，T=≤5 ms。主控在讀取DSP的頻譜掃描數(shù)據(jù)時發(fā)下一條解調命令使數(shù)據(jù)和命令并行處理，壓縮主控處理的時間。

3 頻譜掃描的實現(xiàn)

在本設計中，當工作在接收機的頻譜掃描狀態(tài)下時，DSP為保證整個運算的精度，對FPGA送來的緩存數(shù)據(jù)進行移位處理，使得進行FFT處理時的數(shù)據(jù)為滿16位。移位后進行加窗處理，然后調用dsp64x.lib中的 DSP_fft16x32(const short*ptr_w, int npoints, int *ptr_x, int *ptr_y)函數(shù)，其中ptr_w為輸入的旋轉因子，為16位浮點型，npoints為FFT點數(shù)，ptr_x為輸入的正交數(shù)據(jù)I/Q兩路，其存放順序為I0,Q0,I1,Q1,…IN,QN,N=n points，ptr_y為線性FFT變化的32位數(shù)據(jù)。

4 效果測試

測試條件為輸入中頻信號頻率為 63.398 MHz，幅度為-22 dBm，進行譜分析時頻率分辨率為1 kHz，掃描范圍為fIF±400 kHz。DSP將計算的頻譜分析結果由 32位線性數(shù)轉化為 32位Q16格式的dB值，如圖5所示為DSP中分析的信號頻譜。

在輸入單音信號情況下，在 DSP中做 FFT譜分析后捕捉到通信信號(即為圖所示的主峰位置)頻率63.398 MHz(其中400點的位置為中頻頻率，右偏為正、左偏為負，所以右偏320點即中頻偏移+320 kHz)，幅度為-83 dBm(由于為中頻輸入，模擬前端的放大量60 dB沒有計算在內(nèi))，所以本數(shù)字化短波電臺的頻譜掃描在短波范圍內(nèi)能夠有效捕捉到目標信號。

為測試頻譜掃描時每個狀態(tài)的開銷時間，采用示波器三個探頭的高低電平來捕捉。如圖6所示，圖中每個探頭的高低電平代表1/0狀態(tài)，比如此時電平狀態(tài)分別為低高低，則掃頻狀態(tài)為010(2進制)，代表DSP正從FPGA中讀取采樣值。依此類推，由圖可知每部分時間開銷分別為t0=2 ms，t1=260 μs，t2=510 μs，t3=1.4 ms，t4=500 μs，滿足T=t0+t1+t2+t3+t4=4.67 ms≤5 ms。由此可見，將有限狀態(tài)機運用在接收機的頻譜掃描中可有效提高掃頻速度，使得滿足工程需求。

5 結束語

本文設計和實現(xiàn)了數(shù)字化短波接收機中的頻譜掃描功能，并針對掃頻速度難以滿足工程需要的現(xiàn)狀，運用有限狀態(tài)機的思想合理調度DSP的線程，在不影響接收機性能指標的前提下壓縮了掃頻時間，滿足實際應用提出的掃描1 MHz的頻段在5 ms以內(nèi)。

圖6 一次掃描主控與DSP、FPGA時間開銷圖

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