CN109617632A - 基于fft的电离层散射信号电平测试的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于FFT的电离层散射信号电平测试的装置，它涉及通信领域中高灵敏度的电平测试、电离层信号接收电平数据分析的数字信号处理装置。它由GPS同步定时器、监测与控制模块、信号发射模块、信号接收模块、基于FFT的信号检测模块、接收信号数据分析模块、测试报告生成、数据存储与回放、电源等部件组成。它采用FFT谱分析的方法校正接收频率值获得可以高提纯的窄带信号能量，消除系统频偏、信道多普勒造成的接收频率偏移，弥补增大检测窗口带来的性能损失，实现电离层散射信号高灵敏度检测的目的。且本发明还具有电路结构简单、集成化程度高、性能稳定可靠、可移植性好、成本低廉等特点，特别适用于电离层信道电平测试系统。

Description

基于FFT的电离层散射信号电平测试的装置
技术领域
本发明公开一种基于FFT的电离层散射信号电平测试的装置，可消除系统频偏、信道多普勒造成的接收频率偏移，弥补增大检测窗口带来的性能损失，实现电离层信号高灵敏度检测的目的。
背景技术
电离层散射信号衰耗很大，接收电平非常微弱，需要非常高的检测灵敏度，为了提升检测灵敏度只能采用窄带提纯的方式，而受到系统的频率偏差以及电离层散射信道多普勒频移的影响，造成接收端信号偏差不固定，难以窄带提纯，无法提升检测灵敏度。为解决这一问题，引入GPS信号同步结合基于FFT校频跟踪的办法，可克服接收信号不固定偏移的影响，同时提升检测灵敏度至-150dBm。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服系统的频率偏差以及电离层散射信道多普勒频移的影响，提供一种基于FFT的电离层散射信号电平测试的装置，可以提升电离层散射信号检测灵敏度至-150dBm，本发明可使用全数字器件实现，具有集成化程度高、体积小、可移植性好等特点。
本发明采用的技术方案为：
基于FFT的电离层散射信号电平测试的装置，包括GPS同步定时器1、信号发射模块2、信号接收模块4、接收信号数据分析模块6、测试报告生成模块7和数据存储与回放8，还包括监测与控制模块3和基于FFT的信号检测模块5；所述的GPS同步定时器1接收外部输入的GPS信号，进行解析处理获取定时信息，将定时信息输出至监测与控制模块3；监测与控制模块3将获得的定时信息结合本地存储的路径时延信息产生四路专用的定时与控制信号，第一路为发送端定时与控制信号，第二路为信号接收的定时与控制信号，第三路为校频检测的定时与控制信号，第四路为数据存储、回放的定时与控制信号，并分别一一对应输出至信号发射模块2、信号接收模块4、基于FFT的信号监测模块5和数据存储与回放8；信号发射模块2根据输入的发送端定时与控制信号在约定的GPS时间标签下进行信号波形切换，将产生的受控信号发送出去；信号接收模块4根据信号接收的定时与控制信号使得本地载波与外部接收信号载波同步，并且标称频率相同，进行变频后产生零频信号，将零频信号输出至基于FFT的信号监测模块5；基于FFT的信号监测模块5根据校频检测的定时与控制信号对输入的零频信号进行高灵敏度的检测，并将检测结果输出至接收信号数据分析模块6；接收信号数据分析模块6将输入的检测结果进行分布统计得到原始数据和分析出的电离层信道参数结果，将原始数据输出至数据存储与回放8，将分析出的电离层信道参数结果输出至测试报告生成模块7；测试报告生成模块7将输入的电离层信道参数结果进行绘图以及表格处理，形成数据报告，将数据报告输出至数据存储与回放8；数据存储与回放模块8按照数据存储、回放的定时与控制信号进行原始数据与数据报告的存储，并将以前存储的原始数据进行在线回放。
其中，监测与控制模块3包括同步信号解析与脉冲产生器10、测试信号同步模块11、接收信号同步模块12、频偏信号同步模块13和分析数据同步模块14；所述的同步信号解析与脉冲产生器10接收GPS同步定时器1的GPS信号，通过解析产生四路用于发送、接收、校频检测和数据处理的定时脉冲，并分别一一对应输出至测试信号同步模块11、接收信号同步模块12、频偏信号同步模块13和分析数据同步模块14；测试信号同步模块11根据输入的发送定时脉冲，通过解析产生发送端定时与控制信号，并输出至信号发射模块2；接收信号同步模块12根据输入的接收定时脉冲，通过解析产生信号接收的定时与控制信号，并输出至信号接收模块4；频偏信号同步模块13根据输入的校频检测定时脉冲，通过解析产生校频检测的定时与控制信号，并输出至信号监测模块5；分析数据同步模块14根据输入的数据处理定时脉冲，通过解析产生数据存储、回放的定时与控制信号，并输出至数据存储与回放8。
其中，基于FFT的信号监测模块5包括第一可控载波发生器15-1、第二可控载波发生器15-2、基于FFT的频率跟踪器16、窄带高增益提纯17和链路增益校正18；所述的第一可控载波发生器15-1接收监测与控制模块3输出的校频检测的定时与控制信号以及基于FFT的频率跟踪器16输出的校频后的频率偏差值，产生与信号接收模块4输出的零频信号对应的频率载波，抵消零频信号频偏，并将抵消频偏的零频信号输出至窄带高增益提纯17；第二可控载波发生器15-2接收监测与控制模块3输出的校频检测的定时与控制信号以及基于FFT的频率跟踪器16输出的校频支路闭环的固定频率，产生处理时钟的四分之一载波，将接收的信号接收模块4输出的零频信号搬移至处理时钟的四分之一载波频率处，最后将搬移后的零频信号输出至基于FFT的频率跟踪器16；基于FFT的频率跟踪器16根据输入的信号进行FFT分析处理，形成频率校正与跟踪环路，生成校正后的频率和校频支路闭环的固定频率，将校正后的频率输出至第一可控载波发生器15-1，将校频支路闭环的固定频率输出至第二可控载波发生器15-2；窄带高增益提纯17根据输入的抵消频偏的零频信号进行高倍数的疏齿滤波器提纯，并依赖校频支路保证信号能量一直处在疏齿滤波器带内，将提纯的能量值和计算的环境噪声值分别输出至链路增益校正18；链路增益校正18根据环境噪声值的波动估算收通道增益波动，对提纯的能量值进行校正，形成高灵敏度的电平检测结果，并输出至接收信号数据分析模块6。
本发明相比背景技术具有如下优点：
1.本发明采用的监测与控制模块3，根据GPS同步信号，产生两端对等的时间基准，并参考通信距离、处理时延等指标，产生用于两端设备收发同步的各种同步与控制信号。
2.本发明的基于FFT的信号监测模块5利用基于FFT的校频跟踪环路，搜索接收信号的频差位置，在GPS定时指导下，控制收发波形切换，弥补增大检测窗口带来的性能损失，实现电离层信号高灵敏度检测的目的。
3.本发明的组成部件采用大规模现场可编程器件制作，因此可通过配置不同的程序灵活地实现对工作参数的修改，使结构大大简化，成本显著降低。
4.本发明集成化程度高，因此体积小，重量轻，性能稳定可靠，可移植性好，维修方便，设备机动能力和可移植能力明显提高。
附图说明
图1是本发明的电原理方框图。
图2是本发明监测与控制模块3实施例的电原理图。
图3是本发明基于FFT的信号监测模块5实施例的电原理图。
具体实施方式
参照图1至图3，本发明由GPS同步定时器1、信号发射模块2、监测与控制模块3、信号接收模块4、基于FFT的信号监测模块5、接收信号数据分析模块6、测试报告生成模块7、数据存储与回放8、电源9等部件组成。图1是本发明的电原理方框图，实施例按图1连接线路。其中GPS同步定时器1的作用是接收外部输入GPS信号A，进行解析处理可获取定时信息。信号发射模块2的作用是利用监测与控制模块3提供的发送端定时与控制信号在约定的GPS时间标签下进行信号波形切换，保证两端按照相同的时间基准进行，将产生的受控信号发送出去。监测与控制模块3的作用是将GPS信号A产生的定时信息，产生4路专用的定时与控制信号，该模块是系统工作的核心部件，要保证两端的收发信号同步、接收处理同步以及数据时间标签对齐。信号接收模块4的作用是根据信号接收的定时与控制信号使得本地载波与外部接收信号载波同步，并且标称频率相同，进行变频后产生零频信号。基于FFT的信号监测模块5利用基于FFT的校频跟踪环路，搜索接收信号的频差位置，在GPS定时指导下，控制收发波形切换，弥补增大检测窗口带来的性能损失，实现电离层信号高灵敏度检测的目的。接收信号数据分析模块6将输入的检测结果进行处理，原始数据部分送至数据存储与回放8，分析出的电离层信道参数结果送至测试报告生成模块7。测试报告生成模块7将输入的电离层信道参数结果进行绘图以及表格处理，形成更为清晰的数据报告，送至数据存储与回放8；数据存储与回放8模块按照时间标签与控制信号完成原始数据与数据报告的存储，并可以将以前存储的原始数据进行在线回放。GPS同步定时器1、信号发射模块2、监测与控制模块3、信号接收模块4、基于FFT的信号监测模块5、接收信号数据分析模块6、均采用的美国Altera公司生产Stratix系列FPGA芯片制作。
本发明监测与控制模块3的作用是根据GPS同步信号，产生两端对等的时间基准，并参考通信距离、处理时延等指标，产生用于两端设备收发同步的各种同步与控制信号。它由同步信号解析与脉冲产生器10、测试信号同步模块11、接收信号同步模块12、频偏信号同步模块13和分析数据同步模块14组成，图2是本发明监测与控制模块3实施例的电原理图，实施例按图2连接线路。同步信号解析与脉冲产生器10接收GPS同步定时器1的GPS信号，通过解析产生四路用于发送、接收、校频检测和数据处理的定时脉冲，并分别一一对应输出至测试信号同步模块11、接收信号同步模块12、频偏信号同步模块13和分析数据同步模块14；测试信号同步模块11根据输入的发送定时脉冲，通过解析产生发送端定时与控制信号，并输出至信号发射模块2；接收信号同步模块12根据输入的接收定时脉冲，通过解析产生信号接收的定时与控制信号，并输出至信号接收模块4；频偏信号同步模块13根据输入的校频检测定时脉冲，通过解析产生校频检测的定时与控制信号，并输出至信号监测模块5；分析数据同步模块14根据输入的数据处理定时脉冲，通过解析产生数据存储、回放的定时与控制信号，并输出至数据存储与回放8。实施例同步信号解析与脉冲产生器10、测试信号同步模块11、接收信号同步模块12、频偏信号同步模块13和分析数据同步模块14均采用同一块美国Altera公司生产Stratix系列FPGA芯片制作。
本发明控制基于FFT的信号监测模块5作用是利用基于FFT的校频跟踪环路，搜索接收信号的频差位置，在GPS定时指导下，控制收发波形切换，弥补增大检测窗口带来的性能损失，实现电离层信号高灵敏度检测的目的。它由两路可控载波发生器15-1，15-2、基于FFT的频率跟踪器16、窄带高增益提纯17、链路增益校正18组成，图3是控制基于FFT的信号监测模块5的电原理图，实施例按图3连接线路。第一可控载波发生器15-1接收监测与控制模块3输出的校频检测的定时与控制信号以及基于FFT的频率跟踪器16输出的校频后的频率偏差值，产生与信号接收模块4输出的零频信号对应的频率载波，抵消零频信号频偏，并将抵消频偏的零频信号输出至窄带高增益提纯17；第二可控载波发生器15-2接收监测与控制模块3输出的校频检测的定时与控制信号以及基于FFT的频率跟踪器16输出的校频支路闭环的固定频率，产生处理时钟的四分之一载波，将接收的信号接收模块4输出的零频信号搬移至处理时钟的四分之一载波频率处，最后将搬移后的零频信号输出至基于FFT的频率跟踪器16；基于FFT的频率跟踪器16根据输入的信号进行FFT分析处理，形成频率校正与跟踪环路，生成校正后的频率和校频支路闭环的固定频率，将校正后的频率输出至第一可控载波发生器15-1，将校频支路闭环的固定频率输出至第二可控载波发生器15-2；窄带高增益提纯17根据输入的抵消频偏的零频信号进行高倍数的疏齿滤波器提纯，并依赖校频支路保证信号能量一直处在疏齿滤波器带内，将提纯的能量值和计算的环境噪声值分别输出至链路增益校正18；链路增益校正18根据环境噪声值的波动估算收通道增益波动，对提纯的能量值进行校正，形成高灵敏度的电平检测结果，并输出至接收信号数据分析模块6。实施例两路可控载波发生器15-1，15-2、基于FFT的频率跟踪器16、窄带高增益提纯17、链路增益校正18均采用同一块美国Altera公司生产Stratix系列FPGA芯片制作。
本发明电源9提供各部件的直流工作电压，实施例采用市售通用集成稳压直流电源块制作，其输出+V电压为+3.3V、供电电流为5.5A。
本发明简要工作原理如下：
本发明在于引入GPS信号同步结合基于FFT校频跟踪的办法，克服系统的频率偏差以及电离层散射信道多普勒频移造成接收端信号偏差不固定，难以窄带提纯，无法提升检测灵敏度的困难，提升检测灵敏度至-150dBm。GPS同步定时器1的作用是接收外部输入GPS信号A，进行解析处理可获取定时信息。信号发射模块2的作用是利用监测与控制模块3提供的发送同步与控制信号完成发送波形的切换，保证两端按照相同的时间基准进行。监测与控制模块3的作用是将GPS信号A产生的定时信息，产生4路专用的定时与控制信号，该模块是系统工作的核心部件，要保证两端的收发信号同步、接收处理同步以及数据时间标签对齐。信号接收模块4的作用是将接收到的信号，转换成基带零频信号。基于FFT的信号监测模块5利用基于FFT的校频跟踪环路，搜索接收信号的频差位置，在GPS定时指导下，控制收发波形切换，弥补增大检测窗口带来的性能损失，实现电离层信号高灵敏度检测的目的。接收信号数据分析模块6将输入的检测结果进行处理，原始数据部分送至数据存储与回放8，分析出的电离层信道参数结果送至测试报告生成模块7。测试报告生成模块7将输入的电离层信道参数结果进行绘图以及表格处理，形成更为清晰的数据报告，送至数据存储与回放8；数据存储与回放8模块按照时间标签与控制信号完成原始数据与数据报告的存储，并可以将以前存储的原始数据进行在线回放。
本发明安装结构如下：
把图1至图3中所有电路器件按图1至图3连接线路，通过两块美国Altera公司生产Stratix系列FPGA芯片实现，安装在一块长、宽分别为150×160mm的印制板上，印制板上安装GPS接收信号电缆插座A、调制输出端口B以及中频输入端口C的电缆插座，组装成本发明。

Claims (3)

1.基于FFT的电离层散射信号电平测试的装置，包括GPS同步定时器(1)、信号发射模块(2)、信号接收模块(4)、接收信号数据分析模块(6)、测试报告生成模块(7)和数据存储与回放(8)；其特征在于：还包括监测与控制模块(3)和基于FFT的信号检测模块(5)；所述的GPS同步定时器(1)接收外部输入的GPS信号，进行解析处理获取定时信息，将定时信息输出至监测与控制模块(3)；监测与控制模块(3)将获得的定时信息结合本地存储的路径时延信息产生四路专用的定时与控制信号，第一路为发送端定时与控制信号，第二路为信号接收的定时与控制信号，第三路为校频检测的定时与控制信号，第四路为数据存储、回放的定时与控制信号，并分别一一对应输出至信号发射模块(2)、信号接收模块(4)、基于FFT的信号监测模块(5)和数据存储与回放(8)；信号发射模块(2)根据输入的发送端定时与控制信号在约定的GPS时间标签下进行信号波形切换，将产生的受控信号发送出去；信号接收模块(4)根据信号接收的定时与控制信号使得本地载波与外部接收信号载波同步，并且标称频率相同，进行变频后产生零频信号，将零频信号输出至基于FFT的信号监测模块(5)；基于FFT的信号监测模块(5)根据校频检测的定时与控制信号对输入的零频信号进行高灵敏度的检测，并将检测结果输出至接收信号数据分析模块(6)；接收信号数据分析模块(6)将输入的检测结果进行分布统计得到原始数据和分析出的电离层信道参数结果，将原始数据输出至数据存储与回放(8)，将分析出的电离层信道参数结果输出至测试报告生成模块(7)；测试报告生成模块(7)将输入的电离层信道参数结果进行绘图以及表格处理，形成数据报告，将数据报告输出至数据存储与回放(8)；数据存储与回放模块(8)按照数据存储、回放的定时与控制信号进行原始数据与数据报告的存储，并将以前存储的原始数据进行在线回放。
2.根据权利要求1所述的基于FFT的电离层散射信号电平测试的装置，其特征在于：监测与控制模块(3)包括同步信号解析与脉冲产生器(10)、测试信号同步模块(11)、接收信号同步模块(12)、频偏信号同步模块(13)和分析数据同步模块(14)；所述的同步信号解析与脉冲产生器(10)接收GPS同步定时器(1)的GPS信号，通过解析产生四路用于发送、接收、校频检测和数据处理的定时脉冲，并分别一一对应输出至测试信号同步模块(11)、接收信号同步模块(12)、频偏信号同步模块(13)和分析数据同步模块(14)；测试信号同步模块(11)根据输入的发送定时脉冲，通过解析产生发送端定时与控制信号，并输出至信号发射模块(2)；接收信号同步模块(12)根据输入的接收定时脉冲，通过解析产生信号接收的定时与控制信号，并输出至信号接收模块(4)；频偏信号同步模块(13)根据输入的校频检测定时脉冲，通过解析产生校频检测的定时与控制信号，并输出至信号监测模块(5)；分析数据同步模块(14)根据输入的数据处理定时脉冲，通过解析产生数据存储、回放的定时与控制信号，并输出至数据存储与回放(8)。
3.根据权利要求1或2所述的基于FFT的电离层散射信号电平测试的装置，其特征在于：基于FFT的信号监测模块(5)包括第一可控载波发生器(15-1)、第二可控载波发生器(15-2)、基于FFT的频率跟踪器(16)、窄带高增益提纯(17)和链路增益校正(18)；所述的第一可控载波发生器(15-1)接收监测与控制模块(3)输出的校频检测的定时与控制信号以及基于FFT的频率跟踪器(16)输出的校频后的频率偏差值，产生与信号接收模块(4)输出的零频信号对应的频率载波，抵消零频信号频偏，并将抵消频偏的零频信号输出至窄带高增益提纯(17)；第二可控载波发生器(15-2)接收监测与控制模块(3)输出的校频检测的定时与控制信号以及基于FFT的频率跟踪器(16)输出的校频支路闭环的固定频率，产生处理时钟的四分之一载波，将接收的信号接收模块(4)输出的零频信号搬移至处理时钟的四分之一载波频率处，最后将搬移后的零频信号输出至基于FFT的频率跟踪器(16)；基于FFT的频率跟踪器(16)根据输入的信号进行FFT分析处理，形成频率校正与跟踪环路，生成校正后的频率和校频支路闭环的固定频率，将校正后的频率输出至第一可控载波发生器(15-1)，将校频支路闭环的固定频率输出至第二可控载波发生器(15-2)；窄带高增益提纯(17)根据输入的抵消频偏的零频信号进行高倍数的疏齿滤波器提纯，并依赖校频支路保证信号能量一直处在疏齿滤波器带内，将提纯的能量值和计算的环境噪声值分别输出至链路增益校正(18)；链路增益校正(18)根据环境噪声值的波动估算收通道增益波动，对提纯的能量值进行校正，形成高灵敏度的电平检测结果，并输出至接收信号数据分析模块(6)。
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