跳频电台综合测试技术

跳频电台综合测试技术 己口J口年f口月 黼第己g卷第l口期 跳频电台综合测试技术 向浩姚远.宋伟霖. (1.上海贝尔阿尔卡特上海201206;2.上海陆园电子科技有限公司上海200063) 本文提出了跳频电摘要:为解决跳频电台宽带信号几十个参数端到端测试的难题, 台综合测试技术:在基于SDR技术的中 频数字化硬件平台上引入跳频前端和跳频适配器接El,并采用软件集成射频发生/ 分析,音频发生/分析,频谱分析,调制分析 等多种功能模块,从而实现跳频宽带信号的综合测试;本文最后还给出了技术样机 和市场上同类产品的性能比较结果. 关键词:跳频;中频数字化;综合测试;直接数字合成;软件无线电 中图分类号:TN06文献标识码:A Frequencyhoppingradiointegratedtesttechnology XiangHaoYaoYuanSongWeilin (1.Alcatel— LucentShanghaiBell,Shanghai201206,China;2.ShangHaiDTWavesCo.,Ltd. Abstract:Theendtoendtestofwidebandfrequencyhoppingsignalcoversmorethantendynamicparameters,toresolve thisdifficultissue,thispaperpresentsthefrequencyhoppingintegratedtestmethod.Ontheint ermediatefrequencydigi— tizerplatformwhichisbasedontheSDRtechnology,thefrequencyhoppingfrontendandadapterwithinterfaceare introduced,manymodulessuchasradiofrequencygenerator/analyzer,audiofrequencygenerator/analyzer,spectrum analyzer,modulationdomainanalyzerandetc.,areintegratedtogetherbysoftware,hencethe frequencyhoppingwide— bandsignaltestisfulfilled.Atlast,thispapershowstheperformancecomparisonbetweenthe prototypeandother product. Keywords:frequencyhopping;intermediatefrequencydigitizer;integratedtest;DDS;SDR 0引言 跳频电台测试主要包含发射机的射频测量(功率,频 率),频谱分析,调制分析(频偏,调等),音频分析(失 真度,信纳比,频率,电压),跳频性能测量(跳频建立时间, 驻留时间,跳速);接收机误码检测,音频分析等项目. 因为跳频信号在整个工作频带内实时高速切换,达数 万跳每秒,传统定频测试技术不能解调出这种跳频宽带信 号,研制和维护跳频电台需要的端到端测试遇到了困难. 为满足上述测试测量要求,首先需要引入跳频测试技术: 将传统的射频信号/接收发生单元顺应升级为跳频信号发 生/接收单元,同时引入跳频适配接口以实现跳频同步等; 其次因为测试项目繁多,如果采用传统的单项分离测试技 术,以搭积木的方式来构建测试系统.,系统将会十分庞 大,借鉴常规电台测试采用的基于SDR综合测试技术,对 中频,甚至是射频进行数字化,引入跳频前端和适配器接 口,采用软件来实现众多的测试功能,可以显着地简化测 试系统. 目前高速采样技术发展迅速,单芯片采样速率可以超 过GHz,对于工作带宽有限的跳频信号,也可以省掉跳频 单元直接进行宽带采样,例如泰克公司针对中心频率不到 1GHz,带宽为26MHz左右的RFID跳频信号提出采用 实时频谱仪(RTSA)进行分析],无需跳频单元的支持; 在此测试需求下,甚至可以直接对射频信号进行带通采样 来进一步简化设计];但是跳频电台的工作频带很宽,基 于通用性和目前技术条件考虑,仍然在前端采用跳频发 生/接收单元,加上中频数字化的SDR技术来构建跳频 电台的综合测试. l中频数字化跳频综合测试硬件平台 中频数字化跳频电台综合测试硬件平台包含射频模 组(radiofrequencymodules),中频模组(intermediatefre quencymodules),音频模组(audiofrequencymodules),主 控模块(maincontroller),实时跳频控制模块(real—time 作者简介:向浩,工学硕士,主要研究方向为移动通信技术. 中国科技核心期刊一39— 理论与方法 agilefrequencycontroller)以及时基和电源等模块; 图1所示是一个中频数字化采样跳频测试系统的实 现,射频模组由输入输出(RF10),跳频信号发生(Tx LO),数字直接合成(digitaldirectlysynthesis),跳频信号 接收(RxLO),功率检测(powerdetection),调制域分析 (modulationdomainanalysis)等单元组成;中频(interme diatefrequency)模组由可编程上变频(programmableup converter),数模采样(A/Dconverter),数字下变频(digit一 己口I口年I口月 第己g卷第1口期_ aldownconverter),FPGA(field--programmablegatear— ray)和DSP(digitalsignalprocessor,数字信号处理)等组 成;音频模组包括音频发生与分析单元;主控模块由嵌入 式计算机及其驱动,外设模块组成;实时跳频控制单元主 要由MCU(microcontrollerunit)及其外接口组成;时基 单元提供系统的基准频率和工作频率;电源模块提供各个 单元电路和功能模块的工作电源. 2各功能单元技术实现 Signalfl.w一…一…Mainc.n~olfl.w一一一一一一一 cw 图1跳频综合测试硬件平台 2.1跳频信号发生 跳频信号发生采用PLL和DDS相结合的,实现 宽频带,高分辨率,高跳速,高频谱纯度的跳频合成信号 源.DDS本身就能直接产生几十兆赫兹频率以下的信 号,因此跳频信号发生单元的整个频段分为两部分实现: 在几十兆赫兹以下DDS的工作频段,直接采用PUC内的 DDS实现,并可在DSP调制算法的控制下完成调制.在 此之上频段采用PLL和DDS相结合的方案,由基准频率 通过PLL和DDS产生的频率经组合产生输出.因为 DDS对频率控制的相应速度可达到s级,因此RF跳频 信号的跳速主要取决于PLL的频率转换速度,可以采用 预置VCO电压技术缩短跳频建立时间?]. 2.2跳频信号接收 跳频信号接收单元的主要功能是将输入的射频跳频 信号变换为的固定中频数字信号,以便后续电路的信号处 理,跳频接收原理如图2所示. 仍然采用和PLL和DDS结合的方案,射频接收单元 输入信号与第一本振的输出信号混频,得到步进为2MHz 的第一中频信号,经滤波放大后,再与DDS产生第二本振 信号混频,得到真正的中频信号.经滤波放大后,分为两 路.一路经A/D转换后,输出到中频数字处理模块,另一 .-.—— 40?.-—— 路进行频率检测. 图2跳频接收原理 以第一本振信号的跳频步进2MHz为例,第一中频 信号的带宽设计为2.5MHz,通常第一中频信号频率不 一 定在通带的中心,但第二本振信号是由DDS产生,其输 出步进可以精确到赫兹级,因此第二次混频后,产生的第 二中频信号的中心频率可以调整到中频通带的中心.再 经过滤波放大和A/D变换,产生数字中频信号至数字信 号处理单元进行解调和频谱信号分析. 2.3中频调制解调及调制分析 跳频综合测试要求FM,AM,GMSK,FSK,BPSK等 多种体制的调制解调,采用软件无线电技术,在由宽带 中国科技核心期刊 己口l口年I口月 第己g卷第1口期 A/D,D/A,PDC(可编程下变频器),PUC(可编程上变频 器),DSP(数字信号处理器)等部件组成中频处理硬件平 台上,通过相应的DSP软件模块可以实现FM,AM,GM— SK,SSB,FSK,BPSK等多种调制体制的调制解调. 解调时,同样采用正交数字解调,高速A/D对中频信 号进行采样后,未解调数字化中频信号s()可以表示为: s()一n(n)cos[n+()],经过数字正交混频和低通滤 波后可以得到同相分量和正交分量:J(,z)一 a()cos(()),Q()一n()sin(()). 为了减轻后续处理的负担,通常紧跟有带抽取功能的 积分梳状滤波器(CIC),半带滤波器(HBF),有限冲击响 应滤波器(FIR),总的抽取因子为各级抽取因子的乘积, 即D—DcJcDHBFDFm. 从同相分量和正交分量j()和Q(),能进一步提取 瞬时幅度n(),瞬时频率厂(),瞬时相位(),再由解 调分析模块根据这些特征值即可完成信号的调制分析和 解调等功能. 2.4调制域分析 调制域分析模块主要用来实现对跳频时间,跳频频率 及同步时间等跳频参数的测试.调制域分析原理框图如 率相位不同而产生的偏差,通常补偿方法有模拟内插,延 迟线内插,游标法,时间一幅度转换法等. 图3调制域分析原理 2.5频谱分析 中频数字信号处理单元除了用于收发信机调制解调 和参数的测试,还用作频谱分析的核心模块;射频信号接 收模组,中频模组的模拟下变频电路,中频匹配及采样电 路,数字信号处理单元,主控模块等一起协同完成频谱分 析功能,其原理如图4所示. 图4频谱分析功能 中频数字模块可以实现数十兆带宽内的实时频谱分 析,超过此带宽步长由实时控制模块控制接收本振进行扫 频来实现;对于步长带宽以内的精细解析度分析,则可以 在下采样模块做进一步抽取后分析得到. 2.6主控模块 主控模块由嵌入式计算机和相关外设组成,用于处理 用户输入输出参数和人机界面,控制整个集成测试系统协 同工作完成各种跳频综合测试功能,并对调制参数测量, 频谱分析,音频分析和示波器等进行数据处理,校正. 在嵌入式处理器硬件平台上是整个软件系统,整个软 件的层次架构如图5所示,稳定,可靠而且运行效率高的 RT—Linux作为嵌入式操作系统,提供底层软件平台;稳定 的内核和相关驱动程序一起运行在内核空间;操作系统之 上用户空间又分为图形图像中间层和应用层:图形图像中 间层提高丰富的图形图像功能支持,Minigui就是这样一 个图形图像中间层软件,SvgaLib/GgiLib和基于Frame— Buffer的Native都是Minigui的图形引擎;应用层将各个 测试功能:频谱仪,示波器,发射/接收机测试等集成在 一 起. 2.7音频分析及其他 音频模组主要包含音频发生和音频分析两大块,用来 提供音频信号源和进行音频分析测量. 音频分析需要计算信纳比,信噪比,失真度等,对音频 信号做FFT(快速傅里叶变换),分解出基波能量,谐波能 量,噪声能量即可计算出信纳比,信噪比和失真度等音频 指标. 中国科技核心期刊 与方法己口I口年l口月第 己g卷第1口期1 图5主控软件层次架构 同时,音频分析模块还需要测量音频频率和音频电压 包括峰峰值,平均值等,这些都可以采用软件在数字域 实现. 音频发生器可以由软件产生数字波形,包括正弦波, 方波,三角波,锯齿波及脉冲波等?,这些数字波形可以 直接交给中频模块进行调制经由射频模块发出,也可以从 音频输出口送出,作为音频信号源使用. 作为综合测试仪,还需要提供音频示波器的功能,其 音频输入由AF模块进行A/D采样得到,或者是中频模 块解调后得到音频信号,送入主控模块后进行软件显示和 波形处理. 误码测试也是综合测试需要支持的功能之一,通常采 用线性反馈移位寄存器产生m序列来进行误码测试. 最后,实时跳频控制单元为收发跳频单元等射频模块 uset space 提供实时控制,同时预留跳频适配器接口,以接收具体的 跳频图案等保密内容,从而达到和跳频电台同步等目的; 另一方面,跳频电台测试的重点是其无线性能,跳频图案 等保密措施的效果可以依赖算法仿真等理论手段获取,因 此跳频电台厂家可以提供明确一些确定的测试模式,在测 试期间降低保密机制,以便更集中于其无线性能的测试和 验证. 3技术样机性能 目前支持跳频电台综合测试的一款仪器是美国IFR 公司生产的TS-4317跳频电台综合测试仪.上述关键技 术突破后,技术样机性能指标和TS-4317的对照如表1 所示. 表1技术样机和T~4317比较 一 42一中国科技核心期刊 ,?__, e KS ,??广j 己口l口年I口月 黼豳黼第己g卷第f口期 4结束语 本文阐述了跳频电台综合测试技术,能够解决当前跳 频电台测试的难题;结合跳频通信的发展趋势:应用越来越 广,跳速越来越快,工作频段也越来越宽,而且从频谱效率 的角度考虑,基于OFDM的宽带和超宽带技术应用到电 台也是一个顺应趋势,如果能进一步提高跳频发生和跳频 接收单元的跳速,扩展其工作频段,同时引人宽带/超宽带 的中频/基带处理,这样就能更好地测试跳频通信.另外, Tektronix公司的数字荧光技术(DPX,digitalphosphortech— nology)和频域触发(FMT,frequencymasktrigger)等显示 技术都值得借鉴,以提供更好的用户体验,方便分析. 参考文献 FLERCHINGERB,HIGGINST,R1CHARDSoNJ. 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