沈紹祥 ， 王 順 ， 方廣有

（1.中國科學(xué)院電子學(xué)研究所 電磁輻射與探測技術(shù)重點實驗室，北京 100190；2.中國科學(xué)院研究生院 北京 100049）

電離層主要分布在距離地面60～1 000 km的高度空間內(nèi)[1]。電離層垂測儀從地面垂直向上發(fā)射掃頻高頻脈沖波，測量從電離層反射回波到達(dá)接收機(jī)的延時，獲得不同頻率電波被電離層反射的高度隨頻率的變化圖，即頻高圖。通過對頻高圖的分析計算，得到電離層的特征參數(shù)，如電離層的折射系數(shù)n。目前國內(nèi)所部署的電離層觀測站大多數(shù)均采用國外電離層觀測設(shè)備，如美國的Dynasonde，加拿大的CADI，俄羅斯的BIZON等[2]。其價格高，設(shè)備體積大，維護(hù)安裝費用高，這對新建電離層觀測站提出了較高的要求。

該文介紹了一種相位編碼體制的電離層垂測儀系統(tǒng)設(shè)計方法。它利用FPGA內(nèi)部的DDS模塊構(gòu)建信號產(chǎn)生單元，形成起始頻率為1 MHz，終止頻率為15 MHz，頻率步進(jìn)間隔為100 kHz的信號。該信號經(jīng)barker碼進(jìn)行相位編碼調(diào)制后，通過DAC與功率放大器輸出到發(fā)射天線，并由其對空輻射出去。接收機(jī)前端采用射頻隔離開關(guān)和直接ADC實時采樣技術(shù)，有效避免了硬件IQ解調(diào)時兩通道的相位不一致性問題。該設(shè)計方法可以靈活配置發(fā)射信號形式，做到實時在線修改。經(jīng)過實際測試，表明本方案切實可行，為設(shè)備的小型化，便利化提供基礎(chǔ)。

1 系統(tǒng)概述

電離層垂測儀系統(tǒng)框圖如圖1所示，主要由天線、功放、主控板，接收機(jī)前端調(diào)理電路、接口電路和PC組成，其中主控板的晶振產(chǎn)生同源時鐘提供給DAC、FPGA和ADC使用.

圖1 電離層垂測儀系統(tǒng)功能框圖Fig.1 Diagram of sounding of ionosphere

1.1 工作流程

PC機(jī)通過USB接口發(fā)送參數(shù)到主控板。主控板上的FPGA接收參數(shù)并按照設(shè)計的邏輯時序進(jìn)行工作，啟動內(nèi)部DDS產(chǎn)生起始頻率和終止頻率分別為1 MHz和15 MHz、步進(jìn)頻率間隔為100 kHz的數(shù)字正弦信號，該信號通過巴克碼（0，π）調(diào)相，經(jīng) DAC和LPF濾波后，送入功率放大器得到發(fā)射信號.該發(fā)射信號饋入天線并輻射出去。

接收機(jī)通路中，調(diào)理電路的射頻開關(guān)用來去除強(qiáng)反射的直達(dá)波并保護(hù)接收機(jī)電路。接收信號經(jīng)可控放大后，由ADC直接采樣并存儲于SRAM中。當(dāng)所有頻點發(fā)射完成后，存儲在SRAM中的全部數(shù)據(jù)通過USB上傳到PC機(jī)后進(jìn)行處理分析。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 發(fā)射信號分析

一般相位編碼信號的復(fù)數(shù)表達(dá)式可寫為：

其中，u（t）=a（t）exp（jφ（t））為信號的復(fù)包絡(luò)函數(shù)，φ（t）是相位調(diào)制函數(shù)。

當(dāng)M等于2時，s（t）即為二相編碼信號。此時，二進(jìn)相位序列 φ（t）只有0或 π 兩個取值，也可用二進(jìn)序列{ck=exp（jφ（t））=1，-1}表示[3]。

設(shè)二相編碼信號的包絡(luò)為矩形，P為碼長，T為子脈沖寬度，v（t）為子脈沖函數(shù)，則包絡(luò)函數(shù) a（t）可表示為：二相編碼信號的復(fù)包絡(luò)可寫成：

二相編碼信號復(fù)包絡(luò)的頻譜為：

從上面分析可知，提高二相碼的碼長P可以得到更高的脈壓比，獲得好的探測效果。電離層垂測儀需要探測深空距離，故對發(fā)射信號能量有一定的要求。采用功放是提高發(fā)射信號能量的最直接方式，此外還可以考慮碼元的寬度和碼長長度，碼長越長其信號能量也會越高。綜合以上兩種方法，本設(shè)計為簡化信號產(chǎn)生單元，采用了13位碼長的巴克碼序列。設(shè)計采用碼元寬度為40 μs，碼長為 520 μs。從而使得CADI功放在發(fā)射信號時，可以近似滿功率輸出。

2.2 硬件電路設(shè)計

電離層垂測儀主要由主控板、功放、接收機(jī)調(diào)理電路組成。本系統(tǒng)的功放選用加拿大CADI系統(tǒng)的功率放大器。

2.2.1 發(fā)射信號通路

考慮到發(fā)射信號產(chǎn)生可以采用DDS形成，也可以利用數(shù)值計算的方法預(yù)先獲得波形數(shù)據(jù)。后者是將存儲在FLASH中的波形數(shù)據(jù)直接通過DAC刷出，并經(jīng)過低通濾波產(chǎn)生。系統(tǒng)設(shè)計時，兼顧了該方法的使用要求。主控板上放置了一片在線電可擦除的FLASH芯片AT49BV160D，容量1M×16 bit。一般而言，若所需發(fā)射信號的碼字過長，且頻點很多，則無法將全部頻點的波形數(shù)據(jù)都存放在一片flash中，此時要采取別的措施來解決這個問題。

該系統(tǒng)設(shè)計中，發(fā)射信號采用了FPGA內(nèi)部DDS形成方式。設(shè)DDS工作時鐘為fclk，相位累加器位寬為B（θ），則頻率分辨率為[4]：

若輸出頻率為fout，則相位累加值為：

設(shè)計時需首先設(shè)定系統(tǒng)的頻率分辨率，再由式（6）可計算相位累加器位寬B（θ），從而由式（7）可計算出每個頻率所對應(yīng)的相位累加字Δθ，因此控制輸入Δθ就能獲得不同的頻率點輸出。DDS僅產(chǎn)生了所需的1～15 MHz、以100 kHz頻率步進(jìn)的正弦信號數(shù)字波形。在構(gòu)成發(fā)射信號之前，需要對DDS產(chǎn)生的正弦信號按照巴克碼進(jìn)行調(diào)制后輸出。0相位的碼元調(diào)相時保持DDS信號原值輸出，而π相位調(diào)相時DDS信號輸出值取反。該方法稱為直接變換法。另外一種控制方式是通過控制DDS輸出信號的相位偏移量，按0相位和π相位進(jìn)行設(shè)置。但通過仿真發(fā)現(xiàn)，從0相位到π相位調(diào)相時，會有2個時鐘周期延遲，導(dǎo)致0相位到π相位變化時，信號調(diào)相相位不連續(xù)，且經(jīng)過實際實驗驗證，后者的脈壓結(jié)果有問題。

DDS信號經(jīng)巴克碼調(diào)相，送入DAC輸出相應(yīng)模擬波形，再經(jīng)過LPF濾波、功放，最終從天線輻射出去。DAC芯片選用了AD公司的14 bit AD9744，其工作時鐘與DDS時鐘同頻同源。

2.2.2 接收機(jī)調(diào)理電路

接收機(jī)調(diào)理電路實現(xiàn)對直達(dá)波信號及強(qiáng)耦合信號的隔離，保護(hù)接收機(jī)電路。當(dāng)發(fā)射天線輻射大功率信號時，該大功率發(fā)射信號通過發(fā)射天線直接近距離反射并耦合到接收天線，形成過高幅度的回波信號，對接收機(jī)鏈路形成巨大沖擊，因此需要避開。在強(qiáng)直達(dá)波去除后，回波信號需進(jìn)行放大和濾波調(diào)理，最后送入ADC進(jìn)行實時采樣。其基本框圖結(jié)構(gòu)見圖2所示。

圖2 調(diào)理電路框圖Fig.2 Diagram of signal conditioning circuit

該調(diào)理電路中，射頻開關(guān)選用mini-circuit公司的ZYSWA-2-50R，具備DC-5 GHz的帶寬，插入損耗1 dB，6 ns響應(yīng)速度[5]，開關(guān)的開合狀態(tài)控制以TTL電平驅(qū)動。本系統(tǒng)的模擬信號頻段為低于30 MHz，故該射頻開關(guān)能夠滿足要求。可控放大器選用DAT-31-PP，完成回波信號的可控放大，將其調(diào)理到適合ADC量化采集。

2.2.3 主控板設(shè)計

主控板的功能是負(fù)責(zé)完成電離層垂測儀的發(fā)射信號產(chǎn)生、調(diào)理電路控制、ADC采集、數(shù)據(jù)存儲、與PC機(jī)交互工作，是垂測儀硬件設(shè)計的核心部分。主控板的FPGA芯片選用的是Xilinx公司spartan系列的XC3S2000-FGG456，該芯片的等效系統(tǒng)門數(shù)（System Gates）是2M門[6]，引腳資源、邏輯資源和片內(nèi)BLOCKRAM，DCM資源等都比較豐富。設(shè)計中直接利用IP核產(chǎn)生DDS資源.

2.2.4 直接ADC數(shù)字化

接收信號經(jīng)過調(diào)理電路后，由ADC直接采樣數(shù)字化。數(shù)字化之后的原始數(shù)據(jù)保存在SRAM中。當(dāng)全部的頻點數(shù)據(jù)都采集完成后，將這些保存的數(shù)據(jù)回傳到PC機(jī)。在PC機(jī)端通過數(shù)字方法進(jìn)行I、Q兩路解調(diào)，經(jīng)過脈沖壓縮變換后得到處理結(jié)果。系統(tǒng)設(shè)計的最大發(fā)射信號頻率為15 MHz，可取ADC的采樣率為60 MHz，與DAC和DDS時鐘相同。ADC選用TI公司14 bit模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS6143.

該設(shè)計中接收信號通路未采用硬件I，Q解調(diào)方式。主要考慮到硬件I，Q解調(diào)很難保證IQ相位正交的要求，造成假頻現(xiàn)象，導(dǎo)致脈壓結(jié)果不真實。設(shè)離散后的回波信號為e（n），發(fā)射信號為c（n）。本文對回波信號的處理過程采用頻域的處理方法，見式（8）。即通過FFT，復(fù)乘，IFFT以及濾波等算法實現(xiàn)兩個信號的相關(guān)運算[7]。

3 系統(tǒng)測試

垂測儀的天線采用delta結(jié)構(gòu)，底邊離地2.5 m，三角形高8 m，底邊長20 m。因場地受限，天線通過升桿固定于樓頂，收與發(fā)天線delta形正交放置且固定于同一升桿上。系統(tǒng)電路部分放置于室內(nèi)。信號通過長電纜進(jìn)行饋送。2011年6月24日，下午2：00測試獲得相關(guān)探測結(jié)果，如圖3所示。

4 結(jié) 論

文中給出了一種基于二相碼體制的電離層垂測儀設(shè)計方案，對系統(tǒng)的硬件設(shè)計，發(fā)射信號進(jìn)行了分析介紹。最后進(jìn)行了系統(tǒng)外場測試，結(jié)果表明：該設(shè)計方案可行，具有較好的實用價值。

圖3 系統(tǒng)探測頻高圖Fig.3 Sounding of Ionogram

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