基于FPGA的多体制遥测信号调制数字化设计方法

魏小东，艾冬生，孙发鱼，闫志宏

(1.西安机电信息技术研究所，陕西 西安 710065；2.西北工业集团有限公司，陕西 西安 710043)

0 引言

PCM/FM作为国际遥测标准和国军标规定的遥测体制，仍广泛应用于各类导弹、火箭弹等飞行器的遥测系统中。目前，常规兵器遥测系统最高传输码率大多低于2 MBps。主流发射机实现调制多采用单点或两点锁相调频方法，需要设计对应的硬件系统来满足这种调制方式的不同载波频率、码率和频偏等指标需求。

传统模拟调制一般采用变容二极管直接调频或锁相调频技术实现。受变容二极管频率特性限制，直接调频法不能实现高码率调制，锁相调频可实现高码率，但低频响应较差，无法实现直流调制[1]。另外，采用模拟调制体制的遥测发射机不能进行通用化、可重构设计。

随着常规兵器测试需求的不断提升，遥测参数大幅提升(模拟参量可达上百个)，加之图像传输需求，模拟调制的传输码速率已经无法满足遥测系统的需求[2]。因此，本文提出一种标准统一的弹载遥测调制系统，该系统具有传输码速率高、灵活性和通用性等特点。系统采用可重构设计，通过模块间相互组合调整，不仅能够满足小型弹载遥测系统小容量、低码率的任务需求，也可以满足测量参数分布范围广的大容量、高码率遥测任务需要[3]。多体制遥测调制系统可通过软件重新配置不同类型任务的特定需求，能够有效推动弹载遥测传输设备的系列化、通用化发展。

1 多体制遥测系统调制原理及总体方案

1.1 原理及特点

多体制遥测调制实现需要通过PC上位机控制总线控制调制模块。PC上位机在计算机上使用编程语言编写串口通信协议的控制界面，在界面中，选择调制参数信息，发送命令后控制指令就会通过串口通信发送至FPGA中，然后FPGA接收到PC上位机传送过来的串口数据，根据需求进行对应调制。基于目前兵器遥测技术的应用需求，多体制遥测调制应具有以下特点：

1) 工作频率：2 200～2 300 MHz；

2) 调制方式：PCM/FM、PCM/QPSK；

3) 调制码速率：20 KBps～20 MBps；

4) 中心频率、频偏等参数可在线配置。

1.2 总体方案

本文采用全数字方法设计实现多体制遥测调制，通过数字化技术构建一个具有开放性、标准化、模块化、通用、统一的硬件平台。通过注入不同的算法软件,可实现PCM/FM、PCM/QPSK调制模式，同时实现高码率调制[4]。

高码率数字化调频体制是利用载波的频率变化来传递信号信息。调制输出信号的瞬时频率值与调制信号的时变频率正相关。数字化调制通过DDS技术实现将量化后的调制信号作为相位值变化量附加到DDS输出信号上，控制输出信号正比于调制信号的时变频率，实现调频。

图1 数字化调频实现原理框图Fig.1 Schematic block diagram of digital frequency modulation

高码率数字化调相体制同调频体制的区别在于，调相体制是利用载波的不同初始相位值直接表示数字信号信息，采用数字化方法实现调相过程主要有零中频法和中频法两种。零中频法是指在FPGA内部完成对基带信号的正交变换，经D/A输出正交模拟基带信号，再同射频载波信号进行正交调制，输出已调射频信号。中频法是指在FPGA内部，正交基带信号同生成的正交中频载波cos(ωct)和sin(ωct)相乘，输出I/Q两路正交中频调制信号，经上变频至射频后经天线发出[5]。

两种方法相比，前者是直接调制至射频载波，无带外杂散干扰，但由于数模转换器输出的模拟信号无法严格控制正交性，并且模拟载波会泄露信号信息，会导致射频调制输出信号带内频谱精确度差、信号信息泄露较高。后者直接在数字域实现调制，可严格实现基带信号相位及幅度的正交特性，输出的中频调制信号经上变频至射频输出，可以保证已调信号信息泄露较少，提高带内信息准确度，经比较最后选择后者即中频调制后上变频至射频输出方法。

2 基于FPGA的多体制遥测调制实现方法

2.1 系统架构

多体制调制模块的主要功能是完成PCM/FM、PCM/QPSK调制，输出70 MHz中频调制信号，硬件连接如图2所示，主要分为5个功能单元：FPGA及基带生成单元、参考时钟单元、RS422通信接口单元、程序/参数存储单元和D/A转换单元。其中FPGA作为信号处理调制核心，通过RS422串口同上位机实现通信，程序/参数存储单元分别完成程序和参数的存储保存功能，D/A转换单元将FPGA输出的数字信号转换成模拟信号。

图2 硬件结构图Fig.2 Hardware structure diagram

FPGA作为调制模块的核心处理单元，采用ALTERA公司的Cyclone Ⅲ系列EP3C40Q240C8芯片，该芯片具有丰富的可用资源，如：逻辑单元、乘法器单元、寄存器单元与锁相环单元。由于EP3C芯片内部不具有断电保存功能，因此必须加载外部存储器实现程序/参数存储。调制方式、码速率、载波频率等参数可以通过上位机软件进行灵活设置。

FPGA开发设计语言采用Verilog HDL语言，软件开发环境采用QuartusⅡ 13.1.0，运用Modelsim SE-64 10.4软件对调制输出信号进行仿真，以验证程序可靠性，最后将程序加载到FPGA后进行验证测试。

2.2 数字调制算法

2.2.1PCM/FM调制算法

PCM/FM调制信号时域表达式如式(1)，其中ωc为载波角频率，Ac是载波幅度，Kf为调制常数。假设输入PCM码流速率为fb，调制波的最大幅度为Am时，那么根据通信原理，最佳的频偏为f=0.35fb，调制常数Kf=f/Am=0.35fb/Am。

(1)

在正交域中，信号s(t)可以看作是由载波正弦信号被一个复数基带信号所调制，即被信号I(t)+jQ(t)所调制，用两个正交向量I(t)、Q(t)来表示。

S(t)=I(t)cos(ωct)+Q(t)sin(ωct)，

(2)

式(2)中，

(3)

对于数字调制信号而言，模拟信号积分过程可以转换成数字累加过程，因此PCM/FM调制信号表达式为：

(4)

2.2.2PCM/QPSK调制算法

正交相移键控(QPSK)是利用载波四个不同的相位来表示数字信息的调制方式，正交相移键控信号可表示为[6]：

(5)

式(5)中，ωc是载波的角频率，φn为载波相位，由基带数字信号控制；g(t)为码元波形函数，令I(t)=∑g(t-nTs)cosφn，Q(t)=∑g(t-nTs)sinφn，则有：

S(t)=I(t)cos(ωct)-Q(t)sin(ωct)。

(6)

QPSK每个码元含有两比特信息，QPSK信号可以看作是I、Q两路正交的BPSK信号调制后相加得到的。相同传输速率条件下，QPSK的频谱利用率是BPSK 的两倍。QPSK具有两种相位取值方式，一是：0°、90°、180°、270°；二是：45°、135°、225°、315°。

QPSK调制方式分为相位选择法和正交调相法，本文选用高码率下性能更优秀的正交调相法，输入的数字信号经串并转换产生I、Q两路速率减半的并行信号。两路并行信号要通过成形滤波器，成形滤波器一方面可以提高频谱利用率，另一方面能够消除码间干扰。滤波后两路信号分别与正弦波和余弦波相乘，形成两路调制信号再相加得到QPSK信号。

2.3 DDS载波生成模块

直接频率合成器是调制器的关键组成单元之一，其优点在于电路简单、体积小、锁定时间短、电路参数不固定可调、电路可复制性及一致性强[7]。

图3为DDS的实现设计框图。

图3 DDS实现设计框图Fig.3 DDS implementation design block diagram

由图3可知，DDS主要由相位累加器和ROM(read only memory，只读存储器)查找表组成。在系统时钟fclk的驱动下，相位累加器完成频率控制字累加，其输出值与相位控制字求和构成相位码，即相位地址，并通过该地址获取ROM查找表中的正余弦值，得到数字频率信号。其中正弦查找表通过Matlab生成[8]。

由于相位累加器的寄存器位宽为N，因此其地址满量程为2N。设相位累加器每次累加的值为K(频率控制字)，则需2N/K次累加才能达到累加器的量程。由于系统工作时钟周期Tclk为：Tclk=1/fclk，因此ROM查找表中余弦值完成一次累加输出的时间T为：

(7)

则输出数字信号的频率fout为：

(8)

由上式可知，当fout为定值时，可以通过控制频率控制字K来改变DDS的输出频率[6]。

2.4 成形滤波器

无限宽的频谱方波信号通过有限宽信道传输时会在时间轴上扩展带来码间干扰，降低传输准确性。信号通过成形滤波器后，一方面可以消除码间干扰，另一方面可以加快带外衰减，提高频带利用率。成形滤波器采用根升余弦滚降滤波器原理设计[9]，其传递函数为：

(9)

式(9)中，a是滚降系数，Ts为码元持续时间。滚降系数a取值范围为0～1，a越大，时域波形衰减越快，带内振荡起伏越小，利于减小码间干扰和定位误差，但占用频带越宽；a越小，波形振荡起伏越大，但占用频带越窄。为兼顾减小码间串扰、提高频带利用率，选择滚降系数a为0.22。

2.5 主控模块

主控模块与外部控制系统相连，设计框图如图4所示。通过外部计算机输入指令参数并传输至调制模块执行调制指令，实现发射机载波频率可控，频点可变，调制模式可选择[10]。

图4 主控模块设计框图Fig.4 Design block diagram of main control module

3 测试与验证

样机主要由基带调制和上变频模块组成，其功能测试主要通过频谱仪对射频频谱进行测试，模拟信号源产生一连串伪随机码，作为基带调制输入的PCM数字信号。测试系统连接如图5所示。硬件测试系统实物搭建图如图6所示。

图5 硬件测试图Fig.5 Hardware test diagram

图6 实物搭建图Fig.6 Physical construction drawing

3.1 PCM/FM测试

测试参数：

频率：2 250 MHz；

传输码元速率：2 MBps、7 MBps；

传输码型：NRZ_L；

PCM码流：0x12345678，循环发送。

图7分别为传输码元速率为2 MBps和7 MBps时的频谱曲线。对发射机PCM/FM射频输出信号99%占用带宽进行测试，分别约为2.32 MHz和8.11 MHz，与理论值符合。

图7 2/7 MBps码率调制频谱曲线Fig.7 RF analysis of 2/7 MBps transmission rate

3.2 PCM/QPSK测试

测试参数：

频率：2 250 MHz；

传输符号速率：15.36 Msps；

传输码型：NRZ_L；

滚降滤波器滚降系数：0.22；

传输数据：0x12345678，循环发送。

图8为传输符号速率为15.36 Msps射频输出信号99%占用带宽进行测试，结果约为18.7 MHz，与理论值符合。

图8 QPSK调制频谱曲线Fig.8 Test results of QPSK RF analyzer

4 结论

本文基于数字化调制技术设计了多体制遥测调制系统，具有模块化和可重构特点，实现了调制码率可设置、调制体制可选择。在满足常规兵器遥测现有体制的基础上，提高了传输码率，扩展了调制类型，极大地弥补了传统兵器遥测弹载装置复杂环境下应变能力的不足，具有较强的工程适用性。