鄒 洲

(中國(guó)西南電子技術(shù)研究所，成都610036)

1 引言

國(guó)際海事衛(wèi)星(Inmarsat)通信系統(tǒng)在各領(lǐng)域均得到廣泛應(yīng)用，尤其在遇險(xiǎn)搜救、航空航天、民航客運(yùn)等領(lǐng)域提供了可靠的通信保障。除此之外，國(guó)際海事衛(wèi)星作為國(guó)際空間無線電通信站，擔(dān)負(fù)著各種通信任務(wù)，包括為軍隊(duì)提供應(yīng)急通信服務(wù)等。隨著海事衛(wèi)星信號(hào)在現(xiàn)代電子戰(zhàn)爭(zhēng)中發(fā)揮的作用越來越重要，針對(duì)海事衛(wèi)星信號(hào)的測(cè)向也成為現(xiàn)代電子戰(zhàn)偵察技術(shù)研究的重要內(nèi)容[1]。對(duì)海事衛(wèi)星終端發(fā)射的上行信號(hào)進(jìn)行測(cè)向，可以準(zhǔn)確掌握使用海事衛(wèi)星終端進(jìn)行通信的目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)軌跡，對(duì)最終獲取目標(biāo)的位置能起到很大的作用。

國(guó)內(nèi)在測(cè)向方面的研究文獻(xiàn)較多:文獻(xiàn)[2]介紹了干涉儀測(cè)向體制的基本原理，分析了相位差模糊對(duì)測(cè)向精度的影響;文獻(xiàn)[3]提出了一種在FPGA中實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)實(shí)時(shí)測(cè)向的方法，但并行處理能力較弱，無法快速對(duì)多個(gè)頻點(diǎn)的信號(hào)同時(shí)測(cè)向;文獻(xiàn)[4]提出了適合IFF和TACAN脈沖的高精度實(shí)時(shí)測(cè)向模型，通過直接計(jì)算單脈沖IQ信號(hào)每一個(gè)樣點(diǎn)的相位獲取計(jì)算方位所需的相位差值，但對(duì)于短時(shí)長(zhǎng)突發(fā)信號(hào)采用直接計(jì)算相位的方式會(huì)影響相位差的穩(wěn)定度和實(shí)時(shí)性;文獻(xiàn)[5]采用一塊DSP和兩塊FPGA完成了60 MHz帶寬內(nèi)通信信號(hào)的準(zhǔn)實(shí)時(shí)測(cè)向，但頻率分辨率較低只有12.5 kHz，所計(jì)算的相位差穩(wěn)定度不夠，硬件資源消耗較大;文獻(xiàn)[6]提出利用通信信號(hào)的四階累積量中的信息進(jìn)行測(cè)向，但是由于計(jì)算復(fù)雜，工程實(shí)現(xiàn)難度很大。

與常規(guī)通信信號(hào)不同，海事衛(wèi)星信號(hào)均為短時(shí)突發(fā)信號(hào)，突發(fā)的持續(xù)時(shí)間約為幾十毫秒到幾百毫秒。以常見的海事衛(wèi)星MINI－M標(biāo)準(zhǔn)通信信號(hào)為例，調(diào)制方式為 OQPSK，速率為5.6 kb/s[7]。

基于海事衛(wèi)星信號(hào)的基本特征，本文提出了一種針對(duì)海事衛(wèi)星上行信號(hào)的測(cè)向工程實(shí)現(xiàn)方法并給出了FPGA和DSP設(shè)計(jì)。與文獻(xiàn)[4－5]相比，本文提出的海事衛(wèi)星信號(hào)測(cè)向方法首先優(yōu)化了信號(hào)預(yù)處理部分的設(shè)計(jì)，將測(cè)向的頻率分辨率提高到了5.7 kHz，從而能夠?qū)︻l率間隔為10 kHz的兩個(gè)海事衛(wèi)星信號(hào)同時(shí)進(jìn)行測(cè)向;其次，對(duì)相位差的計(jì)算方法做了改進(jìn)，采用將多次FFT輸出的IQ數(shù)據(jù)共軛相乘、累積、求平均和反正切運(yùn)算的方式，在一定程度上消除了相位差波動(dòng)時(shí)對(duì)測(cè)向精度的影響;最后，運(yùn)用插值算法進(jìn)一步提高了測(cè)向精度。

2 測(cè)向算法

2.1 測(cè)向算法選擇

在實(shí)際的信號(hào)環(huán)境中，海事衛(wèi)星信號(hào)的突發(fā)性和密集性也凸顯了高速實(shí)時(shí)測(cè)向的重要性，所選擇的測(cè)向算法必須實(shí)時(shí)性強(qiáng)、精度高、頻率分辨率高。

測(cè)向體制大致可分為幅度體制、相位體制(含相位敏感型體制)、幅相結(jié)合體制及時(shí)差體制四大類。在通信(連續(xù)信號(hào))領(lǐng)域，目前應(yīng)用較多的是相位或相位敏感型測(cè)向體制，典型的如干涉儀、多普勒、瓦特遜－瓦特和阿德柯克等。相位或相位敏感型體制在準(zhǔn)確度、靈敏度等性能上較其他體制有一定優(yōu)勢(shì)，更為重要的是它具有潛在的分辨多信號(hào)的能力，因此相位或相位敏感型體制(如相關(guān)干涉儀等)正逐漸應(yīng)用于測(cè)向領(lǐng)域。

而相關(guān)干涉儀測(cè)向體制可以相對(duì)降低對(duì)硬件一致性的要求，只要求保持相對(duì)穩(wěn)定，同時(shí)測(cè)向速度比較快，比較適合突發(fā)信號(hào)的測(cè)向，因此本方案中優(yōu)先考慮相關(guān)干涉儀測(cè)向體制。

2.2 相關(guān)干涉儀測(cè)向原理

相關(guān)干涉儀測(cè)向技術(shù)是從傳統(tǒng)干涉儀測(cè)向技術(shù)發(fā)展而來的。它不需要再按照經(jīng)典的公式去計(jì)算，但仍然是利用天線之間的相位關(guān)系進(jìn)行測(cè)向。來波在天線陣的每個(gè)陣元上產(chǎn)生感應(yīng)電流，根據(jù)來波到達(dá)天線時(shí)間先后產(chǎn)生相位差。

入射信號(hào)經(jīng)預(yù)處理后，輸出為其實(shí)部與虛部，再送到測(cè)向部分。在測(cè)向部分首先分別求出該信號(hào)在多通道干涉儀的相位，然后以其中一個(gè)通道為參考，求出其余通道與參考通道的相位差，通過多組相對(duì)相位差來計(jì)算出該信號(hào)的方位，整個(gè)測(cè)向過程的原理如圖1 所示。其中，a1、b1、a2、b2、a3、b3為 FFT 的輸出實(shí)部與虛部，Φ1、Φ2、Φ3分別為其相位，Φ12、Φ13是以Φ1參考的相對(duì)相位差。

圖1 測(cè)向原理框圖Fig.1 Principle diagram of direction － finding

不同天線陣元之間的組合可以得出一組相位差，我們把這組相位差稱為被測(cè)信號(hào)在天線陣的陣響應(yīng)。在測(cè)向系統(tǒng)中，存在一個(gè)響應(yīng)樣本，這個(gè)樣本是在設(shè)備出廠時(shí)，全頻段、全方位收集的標(biāo)準(zhǔn)陣響應(yīng)樣本集。相關(guān)干涉儀測(cè)向就是將Φ12、Φ13等構(gòu)成的多組相對(duì)相位差與標(biāo)準(zhǔn)樣本集進(jìn)行相關(guān)比較，找出最相似的樣本，根據(jù)樣本在樣本空間的位置，獲取信號(hào)的入射方位。

海事衛(wèi)星上行通信信號(hào)的頻率范圍為1 626.5～1 660.5 MHz，采用相關(guān)干涉儀測(cè)向方法，測(cè)向天線選取孔徑為0.35 m的均勻圓陣。根據(jù)該天線陣的布陣形式，進(jìn)行測(cè)向精度仿真分析，仿真條件為:信號(hào)頻率范圍為1 600～1 680 MHz頻段，間隔5 MHz提取一個(gè)頻點(diǎn)作為測(cè)向頻點(diǎn)。由于信噪比等各種外界因素會(huì)引起相位的波動(dòng)，一般來說，對(duì)設(shè)備中的固定相位偏差采用靜態(tài)補(bǔ)償?shù)仁侄芜M(jìn)行校正后，考慮各種綜合因素影響，相位誤差可以控制在20°以內(nèi)。所以在仿真中以隨機(jī)值的形式引入相位差誤差，隨機(jī)值分在10°以內(nèi)、15°以內(nèi)和20°以內(nèi)3種情況分別進(jìn)行仿真分析，結(jié)果表明，假設(shè)引入的不可校正的相位差誤差最大為20°時(shí)，測(cè)向精度仍然能夠小于1°。所以，針對(duì)海事衛(wèi)星信號(hào)的測(cè)向處理，采用相關(guān)干涉儀測(cè)向算法是完全適合的。

3 數(shù)字信號(hào)測(cè)向方案及實(shí)現(xiàn)

3.1 測(cè)向方案

測(cè)向方案原理如圖2所示，A/D采集單元對(duì)接收機(jī)輸出的中頻信號(hào)采樣量化后，實(shí)時(shí)傳輸?shù)綔y(cè)向單元。測(cè)向單元將多路AD數(shù)據(jù)進(jìn)行抽取、下變頻、濾波等預(yù)處理后，對(duì)預(yù)處理后的數(shù)據(jù)同時(shí)進(jìn)行FFT運(yùn)算，對(duì)高于門限的FFT輸出的IQ幅度數(shù)據(jù)進(jìn)行反正切運(yùn)算提取相位差信息，最后采用相關(guān)干涉儀算法計(jì)算方位值。

圖2 測(cè)向方案原理框圖Fig.2 The block diagram of direction － finding

3.2 方案的FPGA和DSP實(shí)現(xiàn)

3.2.1 總體設(shè)計(jì)

FPGA相對(duì)DSP并行處理能力要高得多，運(yùn)算速度更快，但算法編程實(shí)現(xiàn)相對(duì)困難，而DSP的優(yōu)點(diǎn)在于算法實(shí)現(xiàn)相對(duì)簡(jiǎn)單，命令控制更加靈活，但是處理速度較低。根據(jù)海事衛(wèi)星信號(hào)測(cè)向的性能需求，測(cè)向部分的實(shí)現(xiàn)采用一片DSP和一片F(xiàn)PGA完成。FPGA采用Xinlix公司的V5SX95T，DSP采用TI公司的TMS6414 DSP處理器。FPGA主要完成數(shù)字下變頻、FFT實(shí)時(shí)運(yùn)算、相位差計(jì)算等并行處理運(yùn)算，DSP主要完成方位計(jì)算、插值等計(jì)算功能。

整個(gè)測(cè)向模塊由FPGA+DSP實(shí)現(xiàn)，架構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 FPGA和DSP軟件架構(gòu)框圖Fig.3 Schematic diagram of FPGA and DSP software structure

3.2.2 測(cè)向的頻率分辨率優(yōu)化

R表示頻率分辨率，fs表示采樣率，N表示FFT點(diǎn)數(shù)。根據(jù)頻率分辨率的公式

海事衛(wèi)星上行通信信號(hào)分布在1 626.5～1 660.5 MHz頻段內(nèi)，那么測(cè)向帶寬定為36 MHz覆蓋整個(gè)頻段較為合適。海事衛(wèi)星上行信號(hào)之間的頻率最小間隔為10 kHz，要達(dá)到10 kHz以上的測(cè)向頻率分辨率，N=8 192，通過計(jì)算可以得到 R=5.7 kHz。

信號(hào)預(yù)處理模塊包含對(duì)A/D數(shù)字信號(hào)的抽取、下變頻、濾波處理三部分，考慮到上述因素，結(jié)合系統(tǒng)中AD采樣率、接收機(jī)中頻帶寬、接收機(jī)中頻中心頻率，對(duì)不同的接收機(jī)輸出帶寬采用不同系數(shù)的FIR濾波器的IP核完成數(shù)字下變頻設(shè)計(jì)。接收機(jī)的輸出帶寬為60 MHz，中心頻率為140 MHz，A/D采樣率Fs為187.2 MHz，下變頻采用 Fs/4混頻，以降低資源消耗。CIC濾波器級(jí)數(shù)建議大于等于4;FIR濾波器的采樣率為46.8 MHz，通帶截止頻率為18 MHz，阻帶截止頻率為20 MHz，階數(shù)50。預(yù)處理模塊的實(shí)現(xiàn)框圖如圖4所示。

圖4 預(yù)處理模塊實(shí)現(xiàn)框圖Fig.4 Preprocessing module

3.2.3 相位差計(jì)算方法的改進(jìn)

在對(duì)常規(guī)通信信號(hào)進(jìn)行測(cè)向時(shí)，通常采用FFT運(yùn)算和反正切函數(shù)相結(jié)合的方式計(jì)算相位差。FFT運(yùn)算產(chǎn)生的頻譜數(shù)據(jù)為復(fù)數(shù)IQ數(shù)據(jù)，對(duì)其進(jìn)行反正切運(yùn)算就可以得到每個(gè)頻點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的相位，再將每一路的相位互相進(jìn)行相減運(yùn)算，獲得各路之間的相位差。但是當(dāng)相位差值在0°/360°或者±180°波動(dòng)時(shí)，使用這種相位直接相減的方法有一定概率會(huì)引起相位差計(jì)算結(jié)果出錯(cuò)的情況，同時(shí)在受到外界干擾時(shí)，相位差在一定程度上會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)，會(huì)影響最終的方位計(jì)算結(jié)果。為解決這兩個(gè)問題，本文對(duì)相位差計(jì)算方法進(jìn)行了改進(jìn)，其實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 相位差計(jì)算原理框圖Fig.5 Phase difference calculation module

具體方法是采用5個(gè)pipelined Streaming I/O的FFT模塊并行處理，將第1路FFT輸出的每個(gè)頻點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的IQ兩路數(shù)據(jù)與其他4路FFT輸出的每個(gè)頻點(diǎn)對(duì)應(yīng)的IQ兩路數(shù)據(jù)的共軛值相乘，再經(jīng)過N次相同的FFT和共軛相乘運(yùn)算，將多次結(jié)果求和后再求平均，得到4組穩(wěn)定的IQ數(shù)據(jù)并做反正切運(yùn)算，可求得一組穩(wěn)定的相位差。反正切計(jì)算采用Cordic IP core的Arctan運(yùn)算完成，在IP core生成時(shí)合理選擇Iterations及Presision的參數(shù)設(shè)置，在滿足相位差精度的要求下，盡量減少資源消耗。

8 192點(diǎn)FFT完成一次運(yùn)算的時(shí)間約為89 μs，將128次FFT運(yùn)算的結(jié)果累加求平均后求的相位差值，需耗費(fèi)約12 ms。由于海事衛(wèi)星信號(hào)的突發(fā)持續(xù)時(shí)間至少為20 ms以上，所以這種相位差累積計(jì)算的方法完全滿足海事衛(wèi)星上行信號(hào)的測(cè)向?qū)崟r(shí)性需求。

3.2.4 插值算法

根據(jù)相關(guān)系數(shù)公式

其中，φj是相位差庫(kù)中待測(cè)向頻點(diǎn)第j個(gè)建庫(kù)方位下的相位差;φi是待測(cè)向頻點(diǎn)的已標(biāo)校相位差，i為相位差序號(hào)(i=1，2，…，N);j為相位差建庫(kù)方位序號(hào)(j=1，2，…，M，M為某頻點(diǎn)上建庫(kù)方位個(gè)數(shù))。

通過計(jì)算M個(gè)方位上的相關(guān)系數(shù)ρj，并計(jì)算ρj(j=1，2，…，M)的最大值，找出最大值對(duì)應(yīng)的方位角，即為粗測(cè)測(cè)向值θc。

由于硬件資源的限制，相位差庫(kù)中的角度間隔為2°，粗測(cè)向方位值即為2的整數(shù)倍，通過插值運(yùn)算可以提高測(cè)向方位的精度。

根據(jù)粗測(cè)測(cè)向值θc、粗測(cè)測(cè)向值的相關(guān)系數(shù) ρj、粗測(cè)測(cè)向值位置前一個(gè)點(diǎn)的相關(guān)系數(shù) ρj－1、粗測(cè)測(cè)向值位置后一個(gè)點(diǎn)的相關(guān)系數(shù)ρj+1、相位差庫(kù)方位建庫(kù)間隔為θj，可通過下式計(jì)算出通過余弦插值得到的細(xì)測(cè)測(cè)向結(jié)果θ:

4 實(shí)例數(shù)據(jù)解算驗(yàn)證

為了對(duì)本文提出的海事衛(wèi)星信號(hào)測(cè)向系統(tǒng)方案的效果進(jìn)行評(píng)估，采用實(shí)際的海事衛(wèi)星終端發(fā)射的上行突發(fā)通信信號(hào)作為Matlab仿真數(shù)據(jù)和硬件試驗(yàn)平臺(tái)的輸入數(shù)據(jù)，信號(hào)的調(diào)制方式為OQPSK信號(hào)，速率為5.6 kb/s，信噪比為12 dB，每一個(gè)突發(fā)的持續(xù)時(shí)間為60～300 ms左右，信號(hào)入射方位角為91.5°。經(jīng)測(cè)試計(jì)算，測(cè)向精度的實(shí)測(cè)值與理論值如圖6所示。

圖6 測(cè)向精度Fig.6 Accuracy of direction － finding

從圖6可以看出，測(cè)向精度的實(shí)測(cè)值比理論值只降低了0.5°左右，實(shí)測(cè)值的測(cè)向精度平均值達(dá)到了 1.3°。

試驗(yàn)硬件平臺(tái)所使用的FPGA芯片為Xinlinx公司的xc5vsx95t，DSP芯片為 TI公司的 TMI6414t，F(xiàn)PGA設(shè)計(jì)使用Xilinx公司的集成開發(fā)工具ISE進(jìn)行仿真、綜合、布線等。利用ISE軟件內(nèi)嵌的工具對(duì)FPGA的資源消耗情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，器件資源消耗情況如表1所示，其中使用率最大的Slice為70%，Blockram使用率為63%，其余的都在40%以下。

表1 FPGA的資源占用情況Table1 FPGA resource consumption summary

通過計(jì)算機(jī)的顯控軟件所顯示的硬件平臺(tái)綜合處理結(jié)果如圖7所示，包括功率(單位dB)、信號(hào)中頻輸出頻率、方位值等。從圖7可以看出，顯控軟件所顯示的測(cè)向結(jié)果與真實(shí)值91.5°相比，測(cè)向精度仍優(yōu)于 1.5°。

圖7 海事衛(wèi)星信號(hào)測(cè)向結(jié)果Fig.7 The display of direction － finding result

5 結(jié)束語

本文結(jié)合海事衛(wèi)星信號(hào)的特征，以相關(guān)干涉儀測(cè)向體制為基礎(chǔ)，提出了適用于海事衛(wèi)星信號(hào)測(cè)向處理的技術(shù)方法。該方法在FPGA和DSP中合理分配算法的實(shí)現(xiàn)模塊，減少硬件資源的消耗，通過優(yōu)化算法提高了測(cè)向的頻率分辨率和相位差的穩(wěn)定度，運(yùn)用插值改善了測(cè)向精度。最后通過試驗(yàn)樣機(jī)對(duì)實(shí)采海事衛(wèi)星信號(hào)數(shù)據(jù)的測(cè)向分析結(jié)果可以證明，測(cè)向精度優(yōu)于1.5°，滿足實(shí)際工程項(xiàng)目的需要。

在未來的研究工作中，可以以本文提出的測(cè)向方案為基礎(chǔ)，根據(jù)工程的實(shí)際需要，進(jìn)一步提高測(cè)向精度和頻率分辨率。

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