CN106533587A - 一种vhf通信信道的电平检测装置 - Google Patents

一种vhf通信信道的电平检测装置 Download PDF

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Abstract

在VHF通信系统中，充分了解VHF通信信道的信道特性对更好的设计VHF通信系统具有重要意义。本发明公开了一种VHF通信信道的电平检测装置，适用于对VHF通信信道中电平特性检测。为了得到更优的检测性能，不同于以往设计，本发明采用高位宽数字FFT分析方法进行低门限电平检测，使得电平检测门限可达‑150dBm。同时，该装置采用了数字AGC代替模拟AGC，通过调整AGC的时间常数，增加了AGC响应时间的自由度，使其适应性、灵活性提高，并且便于调试，易于实现，集成度高。本发明主要电路部件主要采用FPGA实现，适应性高、调试难度低。

Description

一种VHF通信信道的电平检测装置
技术领域
本发明涉及VHF频段通信领域，特别是公开了一种VHF通信信道的电平检测装置，适用于VHF通信信道中具有电平检测要求的系统。
背景技术
在VHF通信信道中，充分了解信道的单频特性中值电平、中值传输损耗、衰落速率、衰落深度、中值衰落持续时间等特性对更好的设计VHF通信系统具有重要意义。传统的电平检测装置多采用数字检波和模拟检波两种方式，数字检波较模拟检波具有自由度高、便于调试的优势，故而被应用广泛。目前，在VHF通信系统中，采用数字包络检波方式，电平检测门限一般仅为-130dBm。本发明提出了一种VHF通信信道的电平检测装置，适用于VHF通信信道下的电平检测，并且采用了高位宽FFT分析算法，使得电平检测门限可达-150dBm；同时，具备集成度高、易于实现的优势。
发明内容
本发明的目的是对现有电平检测装置进行改进，使其具有更优检测能力。本发明采用高位宽数字FFT分析方法进行低门限电平检测，使得电平检测门限可达-150dBm。同时，该装置采用了数字AGC代替模拟AGC，通过调整AGC的时间常数，增加了AGC响应时间的自由度，使其适应性、灵活性提高，并且便于调试，易于实现，集成度高。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种VHF通信信道的电平检测装置，包括发送端、接收端、第一铷钟2、第二铷钟16、第一电源4和第二电源14；所述的发送端包括第一PC机1、第一监控单元3、信号生成单元5、数/模转换单元6、第一带通滤波器7、射频发送单元8和第一天线；所述的接收端包括射频接收单元9、第二带通滤波器10、第二监控单元15、第二PC机17和第二天线；其特征在于：所述的接收端还包括数字AGC11、模/数转换单元12和电平检测单元13；
所述的第一PC机1设置中频频点和射频中心频点，根据所设置的中频频点和射频中心频点生成控制指令并将控制指令发送至第一监控单元3；第一监控单元3解析控制指令得到携带中频频点信息的第一监控数据和携带射频中心频点信息的第二监控数据，将第一监控数据发送至信号生成单元5，将第二监控数据发送至射频发送单元8；信号生成单元5根据第一监控数据生成相应的数字中频信号，并将数字中频信号发送至数/模转换单元6；所述的数字中频信号包含I路信号和Q路信号；数/模转换单元6将数字中频信号转换为模拟调制信号并发送至第一带通滤波器7；第一带通滤波器7对模拟调制信号进行带通滤波处理后输出至射频发送单元8；射频发送单元8根据第二监控数据将滤波后的模拟调制信号进行混频、滤波和功率放大，形成指定中心频率、VHF频段的高频信号经第一天线发送至VHF通信信道；
第二天线接收到第一天线发送来的高频信号后，送入射频接收单元9；第二PC机17设置中频频点和射频中心频点，并根据中频频点和射频中心频点生成控制指令发送至第二监控单元15；第二监控单元15解析控制指令得到携带中频频点信息的第一监控数据和携带射频中心频点信息的第二监控数据，将携带中频频点的第一监控数据发送至电平检测单元13，将携带射频中心频点信息的第二监控数据发送至射频接收单元9；射频接收单元9根据携带射频中心频点信息的第二监控数据将高频信号进行低噪声放大并混频到指定的中频后，将中频信号发送至第二带通滤波器10；第二带通滤波器10将中频信号滤除带外的噪声，把滤除噪声后的中频信号发送至数字AGC11；数字AGC11根据电平检测单元13发送的衰减信息对滤除噪声后的中频信号进行放大，并将放大后的中频信号输出至模/数转换单元12；模/数转换单元12将放大后的中频信号转换为数字中频信号并将数字中频信号发送至电平检测单元13；；电平检测单元(13)将数字中频信号同时送入内部的饱和检测单元和下变频单元两部分；在第一部分中：数字中频信号依次进行饱和检测、积分滤波处理和衰减控制得到衰减信息，将衰减信息发送至数字AGC(11)；在第二部分中：根据第二监控单元(15)发送的第一监控数据将数字中频信号依次进行下变频、低通滤波和求频谱处理得到电平信息，将电平信息发送至第二监控单元(15)；第二监控单元15将收到的电平信息发送给第二PC机17；第二PC机17对收到的电平信息进行实时显示、概率统计和存储处理；
第一铷钟2和第二铷钟16分别为发送端和接收端提供时钟信息；第一电源4和第二电源14分别为发送端和接收端提供电源。
其中，所述的电平检测单元13包括：饱和检测单元18、第一级积分单元19、第二级积分单元20、衰减控制单元21、频率控制字生成单元22、NCO23、下变频单元24、第一低通滤波单元25、第二低通滤波单元26、FFT分析单元27和信号输出单元28；饱和检测单元18对数字中频信号分别进行饱和检测并取绝对值生成饱和指示和能量信息，将饱和指示发送至衰减控制单元21，将能量信息发送至第一级积分单元19；所述的饱和指示用于指示数字中频信号处于饱和状态或不饱和状态；第一积分单元19和第二积分单元20依次对能量信息进行积分滤波处理，得到包络检波信号，第二积分单元20将包络检波信号发送至衰减控制单元21；衰减控制单元21根据饱和指示直接输出衰减信息或根据包络检波信号与预设的上下门限关系输出衰减信息，将衰减信息分别发送至数字AGC11和信号输出单元28；频率控制字生成单元22根据第一监控数据提供的中频频点信息，生成频率控制字，并将频率控制字发送至NCO23；NCO23根据频率控制字生成cos信号和sin信号，分别发送至下变频单元24；下变频单元24根据cos信号和sin信号对输入的数字中频信号进行下变频，将下变频后的信号分为I路信号和Q路信号，分别将I路信号和Q路信号一一对应发送至第一低通滤波器25和第二低通滤波器26；第一低通滤波器25对I路信号滤除二倍频信号后，将I路基带信号发送至FFT分析单元27，第二低通滤波器26对Q路信号滤除二倍频信号后，将Q路基带信号发送至FFT分析单元27；FFT分析单元27对I路基带信号和Q路基带信号进行求频谱处理，获得数字中频信号的频谱信息，将频谱信息输出至信号输出单元28；所述的频谱信息的幅度代表数字中频信号的能量，频谱信息的位置携带信道频偏信息；信号输出单元28将衰减信息与数字中频信号的能量相加，得到电平信息，将电平信息输出至第二监控单元15。
其中，当饱和指示中显示数字中频信号处于饱和状态时，衰减控制单元21直接输出衰减信息分别至数字AGC11和信号输出单元28；当饱和指示中显示数字中频信号处于不饱和状态时，衰减控制单元21根据包络检波信号与预设的上下门限关系输出衰减信息分别至数字AGC11和信号输出单元28。
本发明与背景技术相比，具有如下优点：
1、本发明采用了高位宽数字FFT分析算法，使得电平检测门限可达-150dBm。
2、本发明提出了采用数字AGC的设计思路，与传统的模拟AGC相比，适应性、灵活性更高且易于实现。
3、本发明主要电路部件主要采用FPGA实现，电路设计、调试难度低；适用于VHF通信系统中的电平特性测试。
附图说明
图1是本发明的发送端和接收端之间信息传输的电原理方框图；
图2是本发明的电平检测单元的电原理图。
具体实施方式
下面结合附图1和附图2对本发明做进一步详细的说明。
图1是本发明的发送端和接收端之间信息传输的电原理方框图，包括发送端、接收端、第一铷钟2、第二铷钟16、第一电源4和第二电源14；所述的发送端包括第一PC机1、第一监控单元3、信号生成单元5、数/模转换单元6、第一带通滤波器7、射频发送单元8和第一天线；所述的接收端包括射频接收单元9、第二带通滤波器10、数字AGC11、模/数转换单元12、电平检测单元13、第二监控单元15、第二PC机17和第二天线；
发送端单元：所述的第一PC机1设置中频频点和射频中心频点，根据所设置的中频频点和射频中心频点生成控制指令并将控制指令发送至第一监控单元3；第一监控单元3解析控制指令得到携带中频频点信息的第一监控数据和携带射频中心频点信息的第二监控数据，将第一监控数据发送至信号生成单元5，将第二监控数据发送至射频发送单元8；信号生成单元5根据第一监控数据生成相应的数字中频信号，并将数字中频信号发送至数/模转换单元6；所述的数字中频信号包含I路信号和Q路信号；数/模转换单元6将数字中频信号转换为模拟调制信号并发送至第一带通滤波器7；第一带通滤波器7对模拟调制信号进行带通滤波处理后输出至射频发送单元8；射频发送单元8根据第二监控数据将滤波后的模拟调制信号进行混频、滤波和功率放大，形成指定中心频率、VHF频段的高频信号经第一天线发送至VHF通信信道；
接收端单元：第二天线接收到第一天线发送来的高频信号后，送入射频接收单元9；第二PC机17设置中频频点和射频中心频点，并根据中频频点和射频中心频点生成控制指令发送至第二监控单元15；第二监控单元15解析控制指令得到携带中频频点信息的第一监控数据和携带射频中心频点信息的第二监控数据，将携带中频频点的第一监控数据发送至电平检测单元13，将携带射频中心频点信息的第二监控数据发送至射频接收单元9；射频接收单元9根据携带射频中心频点信息的第二监控数据将高频信号进行低噪声放大并混频到指定的中频后，将中频信号发送至第二带通滤波器10；第二带通滤波器10将中频信号滤除带外的噪声，把滤除噪声后的中频信号发送至数字AGC11；数字AGC11根据电平检测单元13发送的衰减信息对滤除噪声后的中频信号进行放大，并将放大后的中频信号输出至模/数转换单元12；模/数转换单元12将放大后的中频信号转换为数字中频信号并将数字中频信号发送至电平检测单元13；；电平检测单元(13)将数字中频信号同时送入内部的饱和检测单元和下变频单元两部分；在第一部分中：数字中频信号依次进行饱和检测、积分滤波处理和衰减控制得到衰减信息，将衰减信息发送至数字AGC(11)；在第二部分中：根据第二监控单元(15)发送的第一监控数据将数字中频信号依次进行下变频、低通滤波和求频谱处理得到电平信息，将电平信息发送至第二监控单元(15)；第二监控单元15将收到的电平信息发送给第二PC机17；第二PC机17对收到的电平信息进行实时显示、概率统计和存储处理；
第一铷钟2和第二铷钟16分别为发送端和接收端提供时钟信息；第一电源4和第二电源14分别为发送端和接收端提供电源。
第一监控单元3、第二监控单元15、信号生成单元5和电平检测单元13由FPGA构成；数字AGC11包含两级数控衰减器、多级放大器和滤波器等部分；射频发送单元8包括本振、混频器、功率放大器、天线等部分；射频接收单元9包括低噪声放大器、本振、混频器、滤波器等部分。
图2是本发明的电平检测单元的电原理图。电平检测单元13包括：饱和检测单元18、第一级积分单元19、第二级积分单元20、衰减控制单元21、频率控制字生成单元22、NCO23、下变频单元24、第一低通滤波单元25、第二低通滤波单元26、FFT分析单元27和信号输出单元28；饱和检测单元18对数字中频信号分别进行饱和检测并取绝对值生成饱和指示和能量信息，将饱和指示发送至衰减控制单元21，将能量信息发送至第一级积分单元19；所述的饱和指示用于指示数字中频信号处于饱和状态或不饱和状态；第一积分单元19和第二积分单元20依次对能量信息进行积分滤波处理，得到包络检波信号，第二积分单元20将包络检波信号发送至衰减控制单元21；当饱和指示中显示数字中频信号处于饱和状态时，衰减控制单元21直接输出衰减信息分别至数字AGC11和信号输出单元28；当饱和指示中显示数字中频信号处于不饱和状态时，衰减控制单元21根据包络检波信号与预设的上下门限关系输出衰减信息分别至数字AGC11和信号输出单元28；频率控制字生成单元22根据第一监控数据提供的中频频点信息，生成频率控制字，并将频率控制字发送至NCO23；NCO23根据频率控制字生成cos信号和sin信号，分别发送至下变频单元24；下变频单元24根据cos信号和sin信号对输入的数字中频信号进行下变频，将下变频后的信号分为I路信号和Q路信号，将I路信号和Q路信号分别一一对应发送至第一低通滤波器25和第二低通滤波器26；第一低通滤波器25对I路信号滤除二倍频信号后，将I路基带信号发送至FFT分析单元27，第二低通滤波器26对Q路信号滤除二倍频信号后，将Q路基带信号发送至FFT分析单元27；FFT分析单元27对I路基带信号和Q路基带信号进行求频谱处理，获得数字中频信号的频谱信息，将频谱信息输出至信号输出单元28；所述的频谱信息的幅度代表数字中频信号的能量，频谱信息的位置携带信道频偏信息；信号输出单元28将衰减信息与数字中频信号的能量相加，得到电平信息，将电平信息输出至第二监控单元15。
本发明简要原理：发送端和接收端将PC机的控制指令下发给各自的监控单元，监控单元在解析出监控数据后，在发射端生成相应的信息，通过数/模转换单元、射频发送单元，经天线发射出去；在接收端，接收天线接收到信号后，经射频接收单元、数字AGC和模/数转换单元，送至电平检测单元，电平检测单元通过高位宽数字FFT分析出的电平信息，并发送给监控单元，监控单元传送给PC机，最终在PC机上实时动态显示、统计分析和存储电平信息。

Claims (3)

1.一种VHF通信信道的电平检测装置，包括发送端、接收端、第一铷钟(2)、第二铷钟(16)、第一电源(4)和第二电源(14)；所述的发送端包括第一PC机(1)、第一监控单元(3)、信号生成单元(5)、数/模转换单元(6)、第一带通滤波器(7)、射频发送单元(8)和第一天线；所述的接收端包括射频接收单元(9)、第二带通滤波器(10)、第二监控单元(15)、第二PC机(17)和第二天线；其特征在于：所述的接收端还包括数字AGC(11)、模/数转换单元(12)和电平检测单元(13)；
所述的第一PC机(1)设置中频频点和射频中心频点，根据所设置的中频频点和射频中心频点生成控制指令并将控制指令发送至第一监控单元(3)；第一监控单元(3)解析控制指令得到携带中频频点信息的第一监控数据和携带射频中心频点信息的第二监控数据，将第一监控数据发送至信号生成单元(5)，将第二监控数据发送至射频发送单元(8)；信号生成单元(5)根据第一监控数据生成相应的数字中频信号，并将数字中频信号发送至数/模转换单元(6)；所述的数字中频信号包含I路信号和Q路信号；数/模转换单元(6)将数字中频信号转换为模拟调制信号并发送至第一带通滤波器(7)；第一带通滤波器(7)对模拟调制信号进行带通滤波处理后输出至射频发送单元(8)；射频发送单元(8)根据第二监控数据将滤波后的模拟调制信号进行混频、滤波和功率放大，形成指定中心频率、VHF频段的高频信号经第一天线发送至VHF通信信道；
第二天线接收到第一天线发送来的高频信号后，送入射频接收单元(9)；第二PC机(17)设置中频频点和射频中心频点，并根据中频频点和射频中心频点生成控制指令发送至第二监控单元(15)；第二监控单元(15)解析控制指令得到携带中频频点信息的第一监控数据和携带射频中心频点信息的第二监控数据，将携带中频频点的第一监控数据发送至电平检测单元(13)，将携带射频中心频点信息的第二监控数据发送至射频接收单元(9)；射频接收单元(9)根据携带射频中心频点信息的第二监控数据将高频信号进行低噪声放大并混频到指定的中频后，将中频信号发送至第二带通滤波器(10)；第二带通滤波器(10)将中频信号滤除带外的噪声，把滤除噪声后的中频信号发送至数字AGC(11)；数字AGC(11)根据电平检测单元(13)发送的衰减信息对滤除噪声后的中频信号进行放大，并将放大后的中频信号输出至模/数转换单元(12)；模/数转换单元(12)将放大后的中频信号转换为数字中频信号并将数字中频信号发送至电平检测单元(13)；电平检测单元(13)将数字中频信号同时送入内部的饱和检测单元和下变频单元两部分；在第一部分中：数字中频信号依次进行饱和检测、积分滤波处理和衰减控制得到衰减信息，将衰减信息发送至数字AGC(11)；在第二部分中：根据第二监控单元(15)发送的第一监控数据将数字中频信号依次进行下变频、低通滤波和求频谱处理得到电平信息，将电平信息发送至第二监控单元(15)；第二监控单元(15)将收到的电平信息发送给第二PC机(17)；第二PC机(17)对收到的电平信息进行实时显示、概率统计和存储处理；
第一铷钟(2)和第二铷钟(16)分别为发送端和接收端提供时钟信息；第一电源(4)和第二电源(14)分别为发送端和接收端提供电源。
2.根据权利要求1所述的一种VHF通信信道的电平检测装置，其特征在于：所述的电平检测单元(13)包括：饱和检测单元(18)、第一级积分单元(19)、第二级积分单元(20)、衰减控制单元(21)、频率控制字生成单元(22)、NCO(23)、下变频单元(24)、第一低通滤波单元(25)、第二低通滤波单元(26)、FFT分析单元(27)和信号输出单元(28)；饱和检测单元(18)对数字中频信号分别进行饱和检测并取绝对值生成饱和指示和能量信息，将饱和指示发送至衰减控制单元(21)，将能量信息发送至第一级积分单元(19)；所述的饱和指示用于指示数字中频信号处于饱和状态或不饱和状态；第一积分单元(19)和第二积分单元(20)依次对能量信息进行积分滤波处理，得到包络检波信号，第二积分单元(20)将包络检波信号发送至衰减控制单元(21)；衰减控制单元(21)根据饱和指示直接输出衰减信息或根据包络检波信号与预设的上下门限关系输出衰减信息，将衰减信息分别发送至数字AGC(11)和信号输出单元(28)；频率控制字生成单元(22)根据第一监控数据提供的中频频点信息，生成频率控制字，并将频率控制字发送至NCO(23)；NCO(23)根据频率控制字生成cos信号和sin信号，分别发送至下变频单元(24)；下变频单元(24)根据cos信号和sin信号对输入的数字中频信号进行下变频，将下变频后的信号分为I路信号和Q路信号，分别将I路信号和Q路信号一一对应发送至第一低通滤波器(25)和第二低通滤波器(26)；第一低通滤波器(25)对I路信号滤除二倍频信号后，将I路基带信号发送至FFT分析单元(27)，第二低通滤波器(26)对Q路信号滤除二倍频信号后，将Q路基带信号发送至FFT分析单元(27)；FFT分析单元(27)对I路基带信号和Q路基带信号进行求频谱处理，获得数字中频信号的频谱信息，将频谱信息输出至信号输出单元(28)；所述的频谱信息的幅度代表数字中频信号的能量，频谱信息的位置携带信道频偏信息；信号输出单元(28)将衰减信息与数字中频信号的能量相加，得到电平信息，将电平信息输出至第二监控单元(15)。
3.根据权利要求2所述的一种VHF通信信道的电平检测装置，其特征在于：当饱和指示中显示数字中频信号处于饱和状态时，衰减控制单元(21)直接输出衰减信息分别至数字AGC(11)和信号输出单元(28)；当饱和指示中显示数字中频信号处于不饱和状态时，衰减控制单元(21)根据包络检波信号与预设的上下门限关系输出衰减信息分别至数字AGC(11)和信号输出单元(28)。
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