一种短波通用信号产生平台硬件结构设计

　　1 硬件平台概述

　　HF通用信号产生平台在综合控制器的控制下产生 1.5M~30MHz的HF标准通信信号(包括AM、FM、FSK、SSB、DSB、CW等)，输出电平-40~0dBm，步进值1dB。平台主要由综合控制器、HF信号产生器、HF频率综合器、功放和天线五个模块单元组成，如图1所示。综合控制器实现平台的整体控制，主要包括FPGA配置、信号参数控制等。HF信号产生器主要由FPGA控制单元、DDS信号产生单元等部分组成。为滤除信号产生器中的杂散频率分量，保证输出信号的质量，采用截止频率为 30MHz的低通滤波器。HF频率综合器产生300MHz时钟信号，提供给DDS使用。信号产生器生成的通信信号经功放、天线输出。

　　2 综合控制器

　　综合控制器主要由工控计算机、控制器接口卡等组成。系统采用分层控制方式，控制参数由控制人员通过综合控制器的控制界面输入或接收外部的控制指令来获取。这些控制参数通过工控机中的控制接口卡，经分系统中相应的控制参数接口输入到相应的分系统中，以实现对平台各个单元的工作模式及具体通信参数的控制。综合控制器在工作时，负责向其控制的设备注入运行参数，工作时对可控设备的工作状态(基带信号类型、码速率、信号样式、工作频率、功率输出、跳频参数等) 进行调控，根据指令刷新运行参数。其工作过程如图2所示。根据所采用的控制方案可以将控制系统分为两部分，一是综合控制器中的控制接口卡，另一部分是各个模块单元(即信号产生器、频率综合器)的控制参数接口。

　　控制接口卡采用微机PCI插卡的模式，实现微机与模拟器之间的连接。控制接口卡占用7 个I/O口地址，读写(基地址+0)端口代表地址数据总线上传输8位数据信息，写(基地址+2)端口代表地址数据总线上传输高8位地址信息，写(基地址+ 7)端口代表地址数据总线上传输低8位地址信息，(基地址+3)、(基地址+4)、(基地址+5)、(基地址+6)端口则控制GPS秒信号的输出，以产生模拟器所需的启动、结束脉冲。控制接口卡功能示意图如图3所示。

　　3 HF信号产生器

　　HF信号产生器采用了软件无线电的思想：首先在硬件上搭建一个通用的通信信号平台，每一种特殊的调制方式和工作体制都有一套专门的软件来完成，实际使用过程中只需要在通用的通信平台上加载一定的软件即可完成特定的功能。HF信号产生器包括控制参数接口和信号产生单元。

　　3.1 控制参数接口

　　控制参数接口主要实现各模块单元控制参数的获取。其功能示意图如图4所示，主要由一片可编程CPLD芯片(isp1032E-70LJI)编程实现。

　　3.2 信号产生单元

　　本单元所采用的硬件平台方案为DDS+FPGA方案，DDS实现信号调制，FPGA实现信号处理。DDS本身具备信号的频率调制、相位调制及幅度调制功能，因此信号处理部分需要完成相应的基带数据处理并能够同步控制DDS。FPGA是一种现场可编程逻辑阵列，它内部含有大量的实现组合逻辑的资源，借助于 EDA工具，设计者可以很方便地将这些逻辑门连接起来组成乘法器、地址发生器等各种逻辑块，利用这些逻辑模块又可以组成FIR、FFT等更高级别的逻辑结构[1]。像微处理器一样，基于RAM的FPGA可以无限制地重复编程，本系统中加载一个新的设计只需要几百毫秒，这样利用实时现场重构可以大大减少硬件的开销。

　　信号产生单元采用软件无线电技术，即采用通用的硬件平台，依据加载不同的软件来实现不同的功能。标准信号产生器的工作流图如图5所示。

　　显然，系统在工作中将各种调制方式体现为不同的调制文件(*.o)，新的调制方式对于系统而言只是增加调制文件，这是典型的软件无线电思想。在信号产生单元中，这些调制文件的载体是FPGA，这里需要考虑的是如何灵活地实现调制文件的加载，或者说如何根据上层需要，对FPGA进行任意构造。根据任务改变的需要，在不同的任务阶段，利用其现有的硬件资源，按需要形成不同的功能，完成不同的用途。这种转换是完全的，包括功能、算法、芯片管脚定义等。

　　本文中笔者采用的系统重构方法是：软件平台可对功能电路进行编程、编译、仿真和控制等，形成构造代码(比特流文件)，即调制文件不通过外部ROM，而是借助系统总线，送入FPGA配置存储器，实现相应功能。FPGA这种动态数据配置流程如图6所示。

　　控制参数由控制人员通过微机或工作站的控制界面输入，这些控制参数通过控制接口卡，送到控制总线与数据总线上，平台中的各部分通过自身的分系统控制接口获取相应的参数。这样，控制人员就可以实现对各个部分的控制，完成具体通信参数的通信方式的生成。