基于CPCI总线可重组中频调制器设计与应用

摘要：为实现某基带中频调制设备的全数字、低故障率、小型化和可重组目标，采用基于CPCI总线技术和软件重组等设计方法完成了数字化中频调制器的设计。测试和应用结果表明，该调制器各项技术指标满足设计要求、各项功能正常，工作稳定。通过软件重组，可满足现有通用雷达设备的不同调制信号需求。
关键词：CPCI总线；中频调制器；FPGA；软件无线电

    随着测控领域各项技术的不断推进，目前，通用的测控装备基带分系统已经进入了全数字化的第四代模式。
    较传统意义上的基带设备，第四代基带设备由于采用了CPCI总线硬件平台、千万门级FPGA和高性能DSP芯片以及软件可重组设计技术，因此其具有可靠性高、通用性强、功能可重组等优势。中频调制器是基带分系统的核心器件，主要完成基带中频发射信号的产生、提供基带接收机接收解调参考基准信号、接收解调时统信号等功能。按照软件无线电的思想设计实现调制器，在同一个硬件平台上，通过配置不同的软件模块来实现不同的调制信号，缩短研制周期，避免因调制体制的变化而产生诸多问题；同时，由于数字器件的一致性较好，使得基于软件无线电的通用调制器的制造和测试成本大幅降低；此外，还能应用先进的信号处理技术提高信号的调制特性，增强调制器的灵活性和扩展性。

1 系统方案设计
1．1 系统组成
    基于CPCI总线的中频调制器将模拟与数字电路分离，以前后板方式安装于工控机内，硬件构成上主要包括调制器信号处理板、渊制器信道盒。
1．1．1 调制器信号处理板
    调制器信号处理板为CPCI标准板卡(前板)结构，电路框图如图1所示，硬件电路主要由以下几部分构成：

    (1)主控FPGA、PCI接口、双口RAM，主要完成对板卡的功能重组控制、PCI总线数据接收、发送功能。
    (2)功能可重组FPGA1及其外围器件、DSP及其外围器件。FPGA1加载中频调制器测距信号产生、噪声源模块。DSP用于调制器单元的控制等功能。
    (3)D／A变换器1，2。D／A变换器工作频率可以到1 GHz，可以直接产生70 MHz的中频信号；板卡配备2片高速D／A，具备双通道中频调制输出能力。在本基带中D／A变换器1输出上行中频调制信号。D／A变换器2在中频闭环测试时用，输出高斯白噪声，模拟信道噪声。
1. 1．2 调制器信道盒
    调制器信道盒安装于CPCI标准板卡(后板)。上行中频信道框图见图2。信号支路采用(68±1．7)MHz和(70±16．2)MHz两种滤波器。在工作状态时产生的(68±1．625)MHz(68 MHz载波，1 MHz高侧音，125 Kb／s的PN码，上行扫描范围±500 kHz)上行信号通过(68±1．7)MHz滤波器输出。在设备自检状态时产生的(70．08±16．105)MHz或(69．92±16．105)MHz(70．08 MHz或69．92 MHz载波，最大14．5 MHz副载波，1 MHz高侧音，125 Kb／s的PN码，下行多普勒范围±400 kHz)模拟下行信号通过(70±16．2)MHz滤波器输出。噪声支路采用(70±16．2)MHz的滤波器，输出模拟下行通道噪声。

1．2 工作原理
    中频调制器功能组成框图如图3所示，中频调制器为前、后板结构，以系统频标为参考相干地产生各种信号。综合基带工作状态时，中频调制器产生上行测距信号。PN码与巴克码模二加，再对主音BPSK调制，调制后的主音对载波进行PM调制。主站、副站1、副站2产生的上行信号测距PN码型不同，可以由监控选择。

    调制中频信号经过滤波、放大后输出(信号带宽：(68±1．5)MHz)，经上变频、功率放大后由天线发送到应答设备。基带设备可以接收系统监控台的控制，对上行频率进行调整或控制上行频率扫描，可控制扫描回零。基带设备在自检状态时，中频调制器产生下行模拟信号，该信号与图4所示的应答设备下发信号形式相同，即副站1测距信号对9 MHz副载波PM调制，副站2测距信号对14．5MHz副载波PM调制，然后2个已调副载波信号与主站测距信号一起对载波进行PM凋制；由监控计算机控制，可以关掉任意一路副载波信号或主站测距信号。调制器产牛的下行模拟信号带宽为(70±16．2)MHz。

2 主要技术指标
    (1)测距信号形式：PN码⊕巴克码对高侧音BPSK调制；
    (2)载波调制方式：测距信号对载波PM调制；
    (3)高侧音频率：1 MHz；
    (4)输出载频：68 MHz；
    (5)工作方式：固定点频、预置、扫描方式；
    (6)扫频带宽：±500kHz；
    (7)调制度：0～1．5 rad；
    (8)输出信噪比(自检模式)：128 dBHz。

3 测试结果及应用
3．1 常温测试
    常温条件下的测试结果表明，中频调制器满足设计指标要求(见表1)。

3．2 应用情况
    该调制器已在我部新研基带设备上得到了应用。在近两年的应用过程中，该调制器工作稳定，操作方便。同时利用自检信噪比可调的特点，极大地方便了系统测试工作。调制器软件操作界面如图5所示。

4 结论
    随着数字技术、软件无线电技术的快速发展，基带调制技术正朝多模式、多目标、多调制体制、多编码方式、软件化、高数据速率及高载波频率的方向发展，同时必须具备优异的抗干扰、保密及可扩展性能。本文所述中频调制器为典型的自主外测型调制模块化基带设备，通过DSP、FPGA软件模块的重组即可实现标准TT&C调制器。长期的应用表明，该调制设备性能稳定、操作灵活，通过软件的简单配置即可以实现多种调制模式功能，可以作为第四代标准调制设备推广应用。