中频直扩接收机基于SMU200A的测试方案
2011-04-13
李秀坤
摘要：本方案可方便、高效的对产品进行边界条件验证，从而提高产品的适应性，加快系统研制脚步。
本文介绍了扩频技术在军工通信中的应用，针对其使用环境进行了分析，描述了信道环境变化对同步的影响，提出一种以RS公司的矢量信号源发生器SMU200A为核心，搭建扩频通信半实物仿真平台，对解调端的信号处理卡进行测试的方案。
关键词：扩频技术 同步 环境模拟 边界测试
A Test System with SMU200A for DSSS IF Receiver
LI Xiu-kun
（China Airborne Missile Academy, Luoyang, 471009）
Abstract: The application of spread spectrum technology in military communication has been introduced briefly in this article. Its working environment has been analyzed and the influence from the environment changing of signal channel on the synchronization is described. A test system was put forward. In this system, a hardware in the loop simulation platform for spread spectrum communication has been established, in which the vector signal source generator SMU200A from RS Company is used as the core. The platform is used to test the signal processing card at the demodulated end. Its practice test has shown that it can validate the boundary condition of a product conveniently and effectively so as to raise the adaptability of the product, speed up the development progress of a system.
KEY WORDS:spread spectrum; synchronization; environment simulation; boundary test.
1 引言
近年来，扩展频谱技术（Spread Spectrum）在军事通信中取得了广泛的应用。
扩展频谱技术是将基带信号（即信息）的频谱扩展至很宽的频带上，然后再进行传输，即将待传送的信息数据用伪随机编码调制，实现频谱扩展后再传输，接收端则采用相同的扩频码进行解扩解调处理来恢复出所传信息数据。
根据直扩原理，只有当接收端的本地扩频序列与接收信号中扩频序列相位一致时，即扩频序列同步时，才能实现接收信号的解扩和解调，否则信号将淹没在噪声中。而在实际的扩频系统中，由于多种原因造成接收信号中扩频序列相位与载波相位的不稳定。因此，同步是扩频系统的关键技术，也是影响整个扩频系统性能的重要因素。通过对分析影响扩频同步的因素并对其进行接近于实际的模拟，成为系统研制的关键因素。
本文以RS公司的SMU200A作为核心，搭建了一个直扩中频接收机的半实物仿真测试平台。利用该平台，可以方便、高效的对所设计的直扩接收机建立各种边界条件，从而验证同步方案是否满足系统要求，并达到优化的目的。
2 扩频系统使用环境分析
一个扩频系统的设计好坏，主要在于中频接收机的设计，尤为重要的是伪码、载波同步能力。影响扩频同步通常有以下几种原因：
1） 频率源的漂移
系统中的发送设备和接收设备处于不同的物理位置，采用不同的本振源，作为军用设备，会有相当长的储藏期，正常使用时，由于本振源频率的漂移，将引起码元时钟速率的偏移，累积为码相位的偏移；同时由于载波频率的漂移，也使得收发频差增大，影响系统同步。
2）多普勒频移
军用通信中载波发送端与接收端平台速度差异造成发射信号的多普勒频移、一次变化率、二次变化率较大，对接收信号的捕获和跟踪造成很大困难。
3） 电波传输时延
收发平台空间位置的转移会导致时延的不同，从而引起同步的不确定性。
4） 多径效应
在某些使用条件下，收发平台间会存在多条路径。多径效应会引起码相位、载波频率相位延迟造成同步的不确定。
除以上因素外，系统射频组件的热噪声、实际环境中可能存在的突发干扰和随机干扰也是影响同步的重要因素。
3 测试方案
3.1 方案选择
通过上述分析，可以知道如果想对扩频系统的接收性能进行精确的测试，必须要有一个可以精确反映上述影响因素的信号模拟和环境模拟的设备，以在实验室环境中建立近似于实际的半实物仿真环境，对中频直扩接收机的各种边界条件进行测试。
目前具备以上功能的性能较佳的仪器有Agilent公司的E4438C和RS公司的SMU200A。可以进行发射信号模拟和环境模拟。发射信号模拟可以完成调制信号输入、载波频率和输出功率选择，环境模拟可以完成信噪比模拟、多径模拟、时延模拟。
SMU200A矢量信号发生器采用模块化设计理念，拥有两个独立的信号发生单元，基带部分可以同时安装两个信号发生器，可以实时产生复杂的信号，并且随机配备有一个任意波形发生器，它可以存储64Msample的I和Q信号，两路不同基带产生的信号可以相互叠加。同时其采用现代直观式用户界面，可清晰显示从基带到RF输出整个过程的信号流图，使它具有非凡的易操作性。还可通过内置瞬态记录仪显示基带信号图形，可显示信号的矢量或星座图、I/Q特性、输出频谱，这样可检查所生成信号是否符合要求。显示界面见图1。
测试平台实现框图见图2。
测试平台中，通过主控机将需调制的编码扩频信号送入SMU200A中，在SMU200A中进行调制，选择合适的信道环境设置，输出一个近似于真实环境的射频信号，送入待测试的中频直扩接收机中，解调后的信号由主控机读取，并进行误码率判断。
图2 中频直扩接收机测试平台实现框图
3.2 信号产生和环境模拟
本测试平台中可对以下条件进行设置以满足实验室测试需要的信号和环境模拟。
1） 射频信号特征的设置
在测试平台中应可对输出的射频信号特征进行设置，如开关控制、射频频率、功率、调制模式等。图3中显示了可设置的各种射频信号特性。
2) 信噪比的设置
由于真实环境中收发距离的变化会引起接收端信号强度的变化，折算到中输入端将反应为信噪比的变化，同时在实时情况下由于收发两端天线的位置、运动速度及方向的变化也会产生失配效应，从而造成接收端信噪比的变化。本方案中采用将加性高斯白噪声（AWGN）加于真实信号上的方法完成对信号信噪比变化的模拟。AWGN设置中可以方便的改变载噪比，载噪比的动态范围可以从-30dB到+30dB。带宽范围从1kHz到80MHz。
当发射信号从发射机传播到接收机时，发生各种衰减效应，多个传播路径间可能会发生有益或有害的相互叠加，同时收发两端的相对运动引发多普勒效应。本方案中的fading模块可以模拟上述效应。此模块可以对两通道的信号进行衰落模拟，总共可以提供40条路径，带宽为80MHz，时间分辨率为10ns。可模拟多种多径衰落：静态路径、纯多普勒效应、锐利传播、莱斯衰落、恒定相位衰落、对数正态衰落、Suzuki衰落等。
4) 控制信道的帧格式编排及误码率、误块率测试
实际军事通信中，控制信道的帧格式有其特殊性，可以连续编排不同的帧格式数据，并在所生成的信号插入不同的错误位数，通过这种方式，在接收端测试误码率和误块率，以检测接收机是否满足系统要求。
5) 背景信号的施加
实际军事通信中，数据传输的环境中必定存在多种背景信号，可能是我方其他分组件产生或泄漏的信号，也可能是敌方通信的信号，或者是恶意的干扰信号，为检测接收机的工作状况，测试平台必须具备施加背景信号的能力。利用SMU200A的双通道特性，可以通过多种方式施加需要的背景信号。
a） 基带叠加
一个基带信号发生器用来实时产生需要评测的信号，另外一个实时产生用作背景的干扰信号，可以使一个背景文件，也可以是多个背景文件的合成，两个信号以数字信号的形式合在一起，还可以设置一定的频率偏移，输出后直接送给直扩接收机，检测接收机的接收检测能力。
SMU200A的信号路径可以根据需要随时切换（在经过衰落模拟器处理后），因而可以模拟许多以前不可能或者需要耗费大力气制作的场景模拟。例如，为了模拟收发天线由于平台滚动引起天线失配信号畸变引发的数据帧衰落现象模拟，可以对一个基带信号产生器产生的所需数据帧进行衰落处理，然后再将其加到另外一个基带信号模拟器产生的信号上，就得到了需模拟的场景。
b）射频叠加
如上所述，在基带产生需要评测的信号和实际可能的背景信号，然后通过射频通道输出。这种状况下即使在功率和频率偏移方面存在显著不同也是可以的。
c）混合叠加
可以将外部模拟I/Q信号输入到SMU200A中，对其进行衰落、噪声、损害处理，然后与内部信号叠加输出，也可以将外部信号加到内部基带信号上，从而实现更为复杂的信号场景模拟。
对于a）和c）的测试信号及场景信号，信号频率差异在80MHz以内，对于方案b），测试信号与场景信号的频率差可大于80MHz，但此测试平台的信号带宽只有80MHz。
3.3 信号的测试与分析
采用FSQ26完成对射频信号的频谱测试、调制域分析，功能主要如下：
1）高端的频谱分析功能：
Ø 各种分辨率滤波器供测量使用，高斯、FFT、信道、RRC；
Ø 各种检波器可供选择，RMS、AUTO、MIN/MAX、QUASI、PEAK、SAMPLE、AVERAGE，以适应多种信号类型的测试；
Ø 可方便快捷的测量频域、时域的信道功率；
2）调制信号分析功能：
解调和分析带宽高达120MHz，由硬件完成比较费时的分析算法，提高了测量速度与准确度；可处理模拟AM、FM、φM调制信号，可确定频偏、示波器频率稳定时间等各项参数，并且可使用FFT滤波器对解调信号进行分析。
可用于所有常见调制模式：BPSK、QPSK、0QPSK；Π/4 DQPSK；8PSK、D8PSK、3 Π/8 BPSK；MSK；FSK；16,32,64,128,256 (D)QAM。
可显示以下测量结果：同相和正交信号-时间关系曲线；幅度、相位-时间关系曲线；眼图；矢量图；星座图；调制错误列表；数位流解调；频谱分析；调制参数的统计分析；放大器失真测量；
3）相位噪声测量功能
可自动测量完整的偏置频率范围，并可测定相位噪声中的残留FM，FSQ本身的相位噪声极低，在测量时无需再增加其他相位噪声测量系统，从而避免了操作的麻烦。
4 结论
通过本平台的搭建，对某直扩接收机进行了实测，发现了设计的缺陷，并对设计缺陷进行了改进设计。
通过本平台的搭建，可以完成对发射信号及环境的模拟以及对信号的分析、检测，在实验室内建立近似于实际使用环境的半实物仿真环境，以方便、高效的对产品进行边界条件验证，提高产品的适应性，加快系统研制脚步。
但是本平台有一定的局限性，由于SMU200A的多普勒频移只有2.4kHz，故而收发平台相对速度大的通信系统不能适应。
[1] 曾兴雯，刘乃安，孙献璞编著. 扩展频谱通信及其多址技术[M].西安. 西安电子科技大学出版社. 2004.5.
[2] 李秀坤，向冰，张楷生，朱学勇.高动态中频直扩接收机的设计与实现[J], 航空兵器，2008（6）.40～43.
[3] . SMU200A.pdf version01.00 2003.9
[4] . FSQ_bro_cn.pdf version01.00 2003.9
最新资讯
