CN110429942B - 数字式短波定频/跳频通信信号源模块 - Google Patents

数字式短波定频/跳频通信信号源模块 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种数字式短波定频/跳频通信信号源模块,包括音频调理电路、音频AD变换器、数字基带(I/Q)信号产生/采样率提升/数字正交调制器、数字频谱搬移/射频DA变换器/基带信号滤波器、调制度控制器、希尔伯特变换器、8级半带内插滤波器、1级CIC内插滤波器、信号样式选择器、信号输出FIFO、跳频码产生器、副载波产生/FM调制器、USB正交分量产生器、LSB正交分量产生器、AM调制/CW调制及调制信号选择器。本发明经济实用,利用全数字实现方案便于进行调制方式扩展,如需增加新的调制方式,只要在FPGA增加一套调制实现算法,无需进行模块设计、制作、调试,节省研制费用,新品开发周期短,经济性。

Description

数字式短波定频/跳频通信信号源模块
技术领域
本发明涉及通信技术领域,尤其涉及一种数字式短波定频/跳频通信信号源模块。
背景技术
短波(频段1.5MHz-30MHz)通信是通过短波收发信机完成信号的无线发射、接收,实现话音信号(或数字信号)的无线通信。短波无线通信是将待传送的话音信号(或数字信号)调制到可无线传输的短波频段载波信号上,完成信号的无线传送,调制方式一般有调幅(AM)、上边带(USB)、下边带(LSB)、等幅报(CW)、调频(FM)。早期,常规短波无线通信一般采用定频通信方案。随着技术的发展,为了提升通信的抗干扰性能,现在战术短波通信普遍采用跳频通信方案,跳频速率为5跳/秒-50跳/秒。
由图5可知,用混合电路方式产生短波通信信号时,由于采用的是模拟调制技术,每一种调制方式的实现都需要独立的调制电路、滤波电路,另外还需要调制方式选择电路、固定本振信号产生电路、可变本振信号产生电路、跳频码产生电路、频谱搬移电路等,整个模块的构成非常复杂,模块体积大、功耗大,且调试难度大。因为是由模拟电路、数字电路混合电路方式实现,器件特性有温度漂移,电路性能受温度影响较大,模块难以满足宽温使用需求(譬如军工产品工作温度范围要求达到-40℃-+65℃)。
混合电路方式产生短波跳频通信信号,其跳频速率一般不大于100跳/秒,另外,混合电路方式实现方案不便于进行调制方式扩展。如需增加新的调制方式,就要增加一套调制实现电路,要重新进行模块设计、制作、调试,会产生新的研制费用,占据较长的研制周期,经济性差,所以我们提出数字式短波定频/跳频通信信号源模块,用于解决上述所提出的问题。
发明内容
基于背景技术存在的技术问题,本发明提出了数字式短波定频/跳频通信信号源模块。
本发明提出的数字式短波定频/跳频通信信号源模块,包括音频调理电路、音频AD变换器、数字基带I/Q信号产生/采样率提升/数字正交调制器模块和数字频谱搬移/射频DA变换器模块;
其中,数字基带I/Q信号产生/采样率提升/数字正交调制器模块,包括信号样式选择器、希尔伯特变换器/采样率提升部分、数字正交调制器、信号输出FIFO、副载波产生/FM调制器和跳频码产生器;所述希尔伯特变换器/采样率提升部分,包括基带信号滤波器、调制度控制器、希尔伯特变换器、两个8级半带内插滤波器和两个1级CIC内插滤波器;
基带信号滤波器的输出端与调制度控制器的输入端相连接,且调制度控制器的输出端与希尔伯特变换器的输入端相连接,所述希尔伯特变换器的输出端与两个8级半带内插滤波器的输入端相连接,所述8级半带内插滤波器的输出端与1级CIC内插滤波器的输入端相连接,且两个1级CIC内插滤波器分别产生I信号和Q信号;
所述数字正交调制器包括,USB正交分量产生器、LSB正交分量产生器和AM调制/CW调制及调制信号选择器;
所述USB正交分量产生器的输入端和LSB正交分量产生器的输入端均连接有基带I/Q信号输入线和副载波I/Q信号输入线,且所述USB正交分量产生器的输出端和LSB正交分量产生器的输出端均与AM调制/CW调制及调制信号选择器的输入端相连接;
所述音频调理电路输出端与音频AD变换器输入端相连接,且AD变换器输出端与数字基带I/Q信号产生/采样率提升/数字正交调制器的输入端相连接,所述数字基带I/Q信号产生/采样率提升/数字正交调制器输出端与数字频谱搬移/射频DA变换器的输入端相连接,且数字频谱搬移/射频DA变换器可以产生短波通信信号,所述数字基带I/Q信号产生/采样率提升/数字正交调制器可以产生UART通信信号;数字频谱搬移/射频DA变换器模块的型号为AD9957。
优选地,所述数字基带I/Q信号产生/采样率提升/数字正交调制器模块中音频信号、数字信号经所述信号样式选择、所述希尔伯特变换器/采样率提升部分、所述数字正交调制器、所述信号输出FIFO处理,处理结果送给后级的DUC芯片;通过所述副载波产生/FM调制器部分实现FM调制,所述跳频码产生器将部分产生随机序列信号,控制所述副载波产生/FM调制部分的载波频率,实现跳频信号产生。
优选地,所述数字基带I/Q信号产生/采样率提升/数字正交调制器的采样率为24KSPS,所述希尔伯特变换器的采样率为24KSPS,所述8级半带内插滤波器的采样率为6.144MSPS,两个1级CIC内插滤波器分别输出I信号55.296MSPS和Q信号55.296MSPS,所述信号样式选择器的采样率为24KSPS,所述副载波产生/FM调制器的采样率为55.296MSPS,所述数字正交调制器的采样率为55.296MSPS,所述AM调制/CW调制及调制信号选择器的采样率为55.296MSPS。
优选地,所述跳频码产生器上的输入端连接有时钟产生器,且跳频码产生器接收UART通信信号。
优选地,所述数字基带I/Q信号产生/采样率提升/数字正交调制器的型号为:XC6SLX100。
本发明的有益效果是:由于采用了数字正交调制方案,以全数字方式产生来短波通信信号,硬件电路集成度大大提高,模块体积小、重量轻、功耗低,特别适用于小型化、低能耗的环保产品,由于硬件电路大幅度简化,调试难度也大为降低,生产进度和生产成本也特别具有优势,本方案产生的跳频信号的跳频速率可达到100000跳/秒,由于采用全数字方式实现,信号的数字处理没有温度漂移,模块性能不受温度影响,可满足工业设备、军事装备等宽温使用需求。
本发明经济实用,利用全数字实现方案便于进行调制方式扩展,如需增加新的调制方式,只要在FPGA增加一套调制实现算法,无需进行模块设计、制作、调试,节省研制费用,新品开发周期短,经济性。
附图说明
图1为本发明提出的数字式短波定频/跳频通信信号源模块的短波通信信号产生框图;
图2为本发明提出的数字式短波定频/跳频通信信号源模块的FPGA内部信号处理功能框图;
图3为本发明提出的数字式短波定频/跳频通信信号源模块的希尔伯特变换/采样率提升部分功能框图;
图4为本发明提出的数字式短波定频/跳频通信信号源模块的调制部分功能框图;
图5为本发明提出的数字式短波定频/跳频通信信号源模块的现有短波通信信号产生框图;
图6为本发明提出的数字式短波定频/跳频通信信号源模块的FPGA部分原理图;
图7为本发明提出的数字式短波定频/跳频通信信号源模块的FPGA部分原理图;
图8为本发明提出的数字式短波定频/跳频通信信号源模块的DUC部分原理图;
图9为本发明提出的数字式短波定频/跳频通信信号源模块的模块印制板图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步解说。
实施例
参考图1-9,本实施例中提出了数字式短波定频/跳频通信信号源模块,包括音频调理电路、音频AD变换器、数字基带(I/Q)信号产生器和数字频谱搬移/射频DA变换器;
数字基带(I/Q)信号产生器包括;基带信号滤波器、调制度控制器、希尔伯特变换器、8级半带内插滤波器、1级CIC内插滤波器、信号样式选择器、信号输出FIFO、跳频码产生器、副载波产生/FM调制器、USB正交分量产生器、LSB正交分量产生器、AM调制/CW调制及调制信号选择器,音频调理电路输出端与音频AD变换器输入端相连接,且AD变换器输出端与数字基带(I/Q)信号产生/采样率提升/数字正交调制器的输入端相连接,数字基带(I/Q)信号产生/采样率提升/数字正交调制器输出端与数字频谱搬移/射频DA变换器的输入端相连接,且数字频谱搬移/射频DA变换器可以产生短波通信信号,数字基带(I/Q)信号产生/采样率提升/数字正交调制器可以产生UART通信信号由于采用了数字正交调制方案,以全数字方式产生来短波通信信号,硬件电路集成度大大提高,模块体积小、重量轻、功耗低,特别适用于小型化、低能耗的环保产品,由于硬件电路大幅度简化,调试难度也大为降低,生产进度和生产成本也特别具有优势,本方案产生的跳频信号的跳频速率可达到100000跳/秒,由于采用全数字方式实现,信号的数字处理没有温度漂移,模块性能不受温度影响,可满足工业设备、军事装备等宽温使用需求,本发明经济实用,利用全数字实现方案便于进行调制方式扩展,如需增加新的调制方式,只要在FPGA增加一套调制实现算法,无需进行模块设计、制作、调试,节省研制费用,新品开发周期短,经济性。
目前,短波通信信号的产生采用模拟电路+数字电路的混合电路方式来产生,其具体实现方案如图5所示:在图5中,AM、USB、LSB、CW几种调制是采用模拟乘法器+模拟滤波器方式实现的,FM调制是采用压控振荡器实现的,调制方式选择电路是采用模拟开关电路实现的,频谱搬移电路是采用模拟乘法器实现的,这些是模拟电路;固定本振信号产生电路、可变本振信号产生电路是用锁相环电路实现的,跳频码产生电路是用数字电路实现的,这些是数字电路,混合电路产生方式采用的是固定频点调制+模拟变频方案,即将待调制信号调制到固定本振信号上(譬如71.4MHz本振信号),然后再与可变本振信号(譬如频率范围为73.4MHz-101.4MHz)进行混频,实现频谱搬移,产生短波通信信号。跳频信号的频率跳变在可变本振信号上实现,限于锁相环电路的特性短波跳频通信信号的跳频速率一般不大于100跳/秒,实现各种调制及频谱搬移的电路是用模拟乘法器实现的。由于模拟乘法器的产物具有一次、二次及各种高次特性,其输出不仅有所需要的二次产物,还含有有害的一次、三次、及高次产物。为了使通信信号具有较好的信号质量,必须在调制电路、频谱搬移电路的后级加模拟滤波电路,滤除一次、三次、及高次产物等杂散信号,因此短波通信信号的混合电路产生方案显得异常复杂。
本实施例中,数字频谱搬移/射频DA变换器/基带信号滤波器的输出端与调制度控制器的输入端相连接,且调制度控制器的输出端与希尔伯特变换器的输入端相连接,希尔伯特变换器的输出端与两个8级半带内插滤波器的输入端相连接,8级半带内插滤波器的输出端与1级CIC内插滤波器的输入端相连接,且两个1级CIC内插滤波器分别产生I信号和Q信号,信号样式选择器的输入端分别连接有音频信号输入器和数字信号输入器,且信号样选择器的输出端分别与数字基带(I/Q)信号产生/采样率提升/数字正交调制器和希尔伯特变换器相连接,数字基带(I/Q)信号产生/采样率提升/数字正交调制器与信号输出FIFO相连接,且可以将信号输出至AD9957,数字基带(I/Q)信号产生/采样率提升/数字正交调制器的输出端、希尔伯特变换器的输出端和跳频码产生器的输出端均与副载波产生/FM调制器的输入端相连接,副载波产生/FM调制器的输出端与数字基带(I/Q)信号产生/采样率提升/数字正交调制器的输入端相连接,USB正交分量产生器的输入端和LSB正交分量产生器的输入端均连接有基带(I/Q)信号输入线和副载波(I/Q)信号输入线,且USB正交分量产生器的输出端和LSB正交分量产生器的输出端均与AM调制/CW调制及调制信号选择器的输入端相连接,数字基带(I/Q)信号产生/采样率提升/数字正交调制器的采样率为24KSPS,希尔伯特变换器的采样率为24KSPS,8级半带内插滤波器的采样率为6.144MSPS,两个1级CIC内插滤波器分别输出I信号55.296MSPS和Q信号55.296MSPS,信号样式选择器的采样率为24KSPS,副载波产生/FM调制器的采样率为55.296MSPS,数字正交调制器的采样率为55.296MSPS,AM调制/CW调制及调制信号选择器的采样率为55.296MSPS,跳频码产生器上的输入端连接有时钟产生器,且跳频码产生器接收UART通信信号,数字基带(I/Q)信号产生/采样率提升/数字正交调制器的型号为:XC6SLX100,且数字频谱搬移/射频DA变换器的型号为:AD9957,由于采用了数字正交调制方案,以全数字方式产生来短波通信信号,硬件电路集成度大大提高,模块体积小、重量轻、功耗低,特别适用于小型化、低能耗的环保产品,由于硬件电路大幅度简化,调试难度也大为降低,生产进度和生产成本也特别具有优势,本方案产生的跳频信号的跳频速率可达到100000跳/秒,由于采用全数字方式实现,信号的数字处理没有温度漂移,模块性能不受温度影响,可满足工业设备、军事装备等宽温使用需求,本发明经济实用,利用全数字实现方案便于进行调制方式扩展,如需增加新的调制方式,只要在FPGA增加一套调制实现算法,无需进行模块设计、制作、调试,节省研制费用,新品开发周期短,经济性。
本实施例中,在使用时,话音信号通过音频调理电路放大后,经音频AD变换器变换为数字音频信号,再送给FPGA芯片进行处理。音频调理电路用音频放大器实现,音频AD变换用AD7684单片音频AD变换电路实现,送给FPGA的数字音频信号、数字通信信号在FPGA内部完成数字基带(I/Q)信号产生/采样率提升/数字正交调制器处理,再送给DUC芯片进行数字频谱搬移/射频DA变换器的处理,产生所需要的短波通信信号,在FPGA内,音频信号、数字信号经信号样式选择、希尔伯特变换器、采样率提升、数字正交调制器、信号输出FIFO等处理,处理结果送给后级的DUC芯片。通过副载波产生/FM调制器部分实现FM调制,跳频码产生器将部分产生随机序列信号,控制副载波产生/FM调制部分的载波频率,实现跳频信号产生。FPGA通过UART接口实现与外部设备(譬如上位机)的通信,接收外部设备的控制,产生所需要的通信信号,由于FPGA的输出信号采样率达到了55.296Msps,大于短波频段30MHz的全频段带宽,因此FPGA可输出短波全频段通信信号,并且通过控制FPGA内的副载波信号频率,直接在FPGA内完成跳频功能,数字频谱搬移芯片AD9957只要工作在固定频率15MHz上。FPGA内的副载波信号换频时间可达到1us,在信号驻留时间与信号换频时间为9:1时,本方案产生的跳频信号的跳频速率可达到100000跳/秒,由于采用全数字方式实现,信号的数字处理没有温度漂移,模块性能不受温度影响,可满足工业设备、军事装备等宽温使用需求。
以上所述,仅为本发明较佳的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变,都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.数字式短波定频/跳频通信信号源模块,包括音频调理电路、音频AD变换器、数字基带I/Q信号产生/采样率提升/数字正交调制器模块和数字频谱搬移/射频DA变换器模块;其中,数字基带I/Q信号产生/采样率提升/数字正交调制器模块,包括信号样式选择器、希尔伯特变换器/采样率提升部分、数字正交调制器、信号输出FIFO、副载波产生/FM调制器和跳频码产生器;
所述希尔伯特变换器/采样率提升部分,包括基带信号滤波器、调制度控制器、希尔伯特变换器、两个8级半带内插滤波器和两个1级CIC内插滤波器;
基带信号滤波器的输出端与调制度控制器的输入端相连接,且调制度控制器的输出端与希尔伯特变换器的输入端相连接,所述希尔伯特变换器的输出端与两个8级半带内插滤波器的输入端相连接,所述8级半带内插滤波器的输出端与1级CIC内插滤波器的输入端相连接,且两个1级CIC内插滤波器分别产生I信号和Q信号;
所述数字正交调制器包括,USB正交分量产生器、LSB正交分量产生器和AM调制/CW调制及调制信号选择器;
所述USB正交分量产生器的输入端和LSB正交分量产生器的输入端均连接有基带I/Q信号输入线和副载波I/Q信号输入线,且所述USB正交分量产生器的输出端和LSB正交分量产生器的输出端均与AM调制/CW调制及调制信号选择器的输入端相连接;
所述音频调理电路输出端与音频AD变换器输入端相连接,且AD变换器输出端与数字基带I/Q信号产生/采样率提升/数字正交调制器的输入端相连接,所述数字基带I/Q信号产生/采样率提升/数字正交调制器输出端与数字频谱搬移/射频DA变换器的输入端相连接,且数字频谱搬移/射频DA变换器可以产生短波通信信号,所述数字基带I/Q信号产生/采样率提升/数字正交调制器可以产生UART通信信号;
数字频谱搬移/射频DA变换器模块的型号为AD9957。
2.根据权利要求1所述的数字式短波定频/跳频通信信号源模块,其特征在于,所述数字基带I/Q信号产生/采样率提升/数字正交调制器模块中音频信号、数字信号经所述信号样式选择、所述希尔伯特变换器/采样率提升部分、所述数字正交调制器、所述信号输出FIFO处理,处理结果送给后级的DUC芯片;通过所述副载波产生/FM调制器部分实现FM调制,所述跳频码产生器将部分产生随机序列信号,控制所述副载波产生/FM调制部分的载波频率,实现跳频信号产生。
3.根据权利要求2所述的数字式短波定频/跳频通信信号源模块,其特征在于,所述数字基带I/Q信号产生/采样率提升/数字正交调制器的采样率为24KSPS,所述希尔伯特变换器的采样率为24KSPS,所述8级半带内插滤波器的采样率为6.144MSPS,两个1级CIC内插滤波器分别输出I信号55.296MSPS和Q信号55.296MSPS,所述信号样式选择器的采样率为24KSPS,所述副载波产生/FM调制器的采样率为55.296MSPS,所述数字正交调制器的采样率为55.296MSPS,所述AM调制/CW调制及调制信号选择器的采样率为55.296MSPS。
4.根据权利要求1所述的数字式短波定频/跳频通信信号源模块,其特征在于,所述跳频码产生器上的输入端连接有时钟产生器,且跳频码产生器接收UART通信信号。
5.根据权利要求1所述的数字式短波定频/跳频通信信号源模块,其特征在于,所述数字基带I/Q信号产生/采样率提升/数字正交调制器的型号为:XC6SLX100。
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