一、引言 

陣列信號處理作為數字信號處理領域的一個重要分支，廣泛應用于雷達、聲納、通信、地震勘探和醫用成像等眾多領域；短波頻段則常用于短波測向和波束合成技術。 

在短波頻段，陣列信號處理設備通常包括短波天線陣、短波多波道接收機、后端陣列信號處理機3個主要組成部分。其中，短波天線陣接收空間短波信號，短波接收機對HF信號作模擬下變頻，陣列信號處理機則對短波多波道接收機輸出信號作數字采樣并進行相應的陣列信號處理算法，給出最終運算結果。 

短波天線陣由于短波頻段的限制，通常天線單元的體積比較大，天線陣的孔徑也比較大，占地往往近十畝；而且為了達到比較好的接收效果，短波天線陣對周邊電磁環境的要求也相當高。這都給短波陣列信號處理機研制過程中的調試和試驗帶來了極大的不便，同時也很不利于陣列信號處理機針對不同陣列流型短波信號的各種DSP算法研究和驗證。 

針對短波陣列信號處理設備研制、調試的實際情況，筆者選用數字信號處理器芯片（DSP）和數字上變頻器芯片（Digital UpConverter,DUC）設計了一個模擬短波天線陣輸出信號的陣列信號發生器，可以在實驗室環境下取代短波天線陣，產生各種不同陣列流型相對應的短波陣列信號，提供陣列信號處理機DSP算法的調試和驗證條件。 

二、設計思路 

按照設計構想，本陣列信號發生器應該能夠靈活地產生對應不同陣列形式（攜帶有不同陣列形式對應的幅度差和相位差）、基本覆蓋1～30MHz頻段范圍的短波陣列信號。 

如果采用傳統的模擬上變頻電路實現射頻輸出，很難滿足設計構想，因此筆者采用軟件無線電的思想，選用了數字上變頻器（DUC），在數字域作上變頻，然后通過D/A變換產生短波高頻模擬信號。為了實現不同陣列形式所帶來的幅度差和相位差，筆者選用了DSP芯片，在數字域對多個信號加入不同的幅度及相位差。 

如圖1所示，陣列信號發生器的總體設計思路為：以DSP和DUC為核心，利用外部音頻信號輸入的A/D采樣數據作為調制信號數據，由DSP對預制的載波信號（較低頻率）作數字調制運算，并根據可選的不同陣列流型對已調數字信號分別加上9個不同的幅度差和相位差后，經FPGA分別送到9個DUC中，經數字上變頻及D/A變換后輸出9路短波陣列信號。 

在設計中由于實際的音頻調制信號要經過DSP芯片的數字調制運算，再分配到9個DUC中，因此使用一個大規模的FPGA邏輯芯片作為DSP芯片和9個DUC芯片之間的數據交換接口。 

三、器件選擇 

1.DSP 

作為本設計的核心器件，DSP芯片的運算能力要求比較高，同時又存在運算過程中大量數據交換的特點，經過綜合比較，筆者選用了Analog Device公司的SHARC-DSP系列中的ADSP-21060。 

ADSP-21060是32位浮點DSP，使用40 MHz主時鐘，運算能力可達120 MFLOPS；片內帶有4 Mbit的雙口SRAM（對本設計，則不需要外部另行擴充存儲器，所有運算所需存儲空間均由內部支持，大大減少與外部存儲器交換數據的DSP時間開銷）；支持10個DMA通道供片內SRAM和外部存儲器、串口等交換數據（本設計利用其DMA通道傳遞音頻采樣數據）。 

2.串行A/D 

本設計之所以采用串行A/D對外部輸入音頻進行數字采樣，主要是考慮到外部輸入信號應不間斷地進入DSP的內存中，可利用ADSP-21060的串口DMA方式傳遞數據。因此筆者選用了Analog Device公司的雙聲道串行音頻采樣器AD1847。 

3.數字上變頻器 

DUC的主要功能是對輸入數據進行頻率變換、頻譜搬移，即在數字域實現混頻。筆者選用了Analog Device公司的AD9857作為本設計的DUC。 

AD9857是14位正交數字上變頻器(QDUC)，最高工作時鐘為200 MHz，內部集成有高速直接數字合成器(DDS)、數字內插濾波器、時鐘倍頻電路以及用戶可編程功能；而且內部集成有一個14位數模轉換器(DAC)，可以直接輸出模擬高頻信號。 

由于AD9857把數據傳輸路徑從模擬領域轉移到數字領域，在物理上模擬電路功能與數字部件是分開的，因此當修改電路參數或系統升級時，只需通過AD9857的SPI串行編程端口對內部寄存器做一些簡單的修改，不需要改變硬件電路即可實現。 

4.FPGA 

由于本設計中存在大量的高速數據交換，因此作為DSP和DUC數據接口的FPGA規模要求比較大，筆者選用的是Altera公司FLEX系列中的EPF10K50E。 

EPF10K50E典型邏輯門數為5萬門，片內含有40 kbit的RAM，可滿足較大量的數據緩存和數據交換要求。 

四、 設計實現 

在設計實現中，本設計的主要工作集中在DSP程序編制和FPGA軟件調試兩個方面。 

1.DSP程序 

DSP作為整個設計的主控者，主要完成以下3個方面的功能： 

首先，DSP對串行A/D采樣器AD1847進行簡單的配置，如采樣率、數據格式等，并配置自身的接收串口，設置為鏈式DMA方式，從而在一塊指定的內存區間不間斷地重復存儲和刷新音頻采樣數據; 

其次，DSP將對DMA存儲空間的數據作數字調制運算，載波信號使用的是預制的幾組較低頻率（如5 kHz、10 kHz等）的余弦信號之一；然后對已調數字信號根據不同的陣列流型添加不同的幅度、相位差，構成帶有幅度和相位差別的陣列信號；最后將陣列信號數據按照不同的端口地址，以并行的方式寫入FPGA中各自對應的暫存FIFO中，由FPGA負責將其分配至各個DUC數據端口; 

再次，DSP對9個DUC內部寄存器的配置，包括上變頻倍數、輸出載波頻率、頻譜搬移方式、輸出模擬信號幅度等。DSP對于DUC的配置是以向不同地址的外部端口寫入并行數據字的方式進行的，再通過FPGA的數據轉換功能轉變為串行SPI數據格式，分別對每個DUC作寄存器配置。 

2.FPGA程序 

FPGA的功能是實現DSP與9個DUC之間的數據格式轉換和分發工作，如圖2所示，FPGA根據不同地址將DSP數據總線轉送到不同的DUC（＃1～＃9）接口單元。 

對于DUC配置數據，每個DUC接口單元先將其鎖存，再對鎖存數據作并/串轉換，轉變為SPI形式串行數據后，分別對每個DUC進行其內部寄存器設置。 

對于待上變頻數據，每個DUC接口單元都先將其送入一個64×16 bit的雙時鐘FIFO中，然后9個DUC同一時刻將各自的待上變頻數據分別從FIFO中讀出，作DUC運算，并以模擬信號輸出。 

五、結束語 

本文所介紹的短波陣列信號發生器已用于實際短波測向系統的實驗室驗證，其多路短波陣列模擬信號輸出可直接送入短波多波道接收機。 

由于本信號發生器共有9路輸出，因此可適用于9元及9元以下的各種陣型天線陣信號的模擬。通過對于信號發生器中DSP程序的選擇，可選擇所要模擬的陣型，并設置所希望的來波方向，從而產生帶有陣型幅度和相位信息的多路陣列信號，提供給DSP算法的實際驗證環境。 

目前已測試了常用的直線陣、方陣（3×3，2×2）、圓陣（均勻，非均勻）等多種陣型，試驗結果都達到了預期效果。 

另外，本設計對外部雙聲道音頻采樣，可通過在左右聲道上加上不同的音頻信號，從而得到2個不同的調制信號，在DSP程序中將兩者疊加，就可模擬短波測向中常遇到的同頻多個信號的情況，用于驗證測向算法對于同頻多信號的區分能力。 

在陣列信號處理機的調試過程中，短波陣列信號發生器的應用，極大地方便了短波頻段陣列信號處理設備的實驗室研制和調試，使得設備的外場調試時間大幅度縮短。 

參考文獻 
［1］楊小牛，樓才義，徐建良.軟件無線電原理與應用［M］.北京：電子工業出版社，2001. 
［2］Analog Devices Inc.AD9857 Data Sheets［DB/OL］.http://www.analog.com/UploadedFiles/Data-Sheets/17641956AD9857-b.pdf,2002. 
［3］Analog Devices Inc.ADSP21060 Data Sheets［DB/OL］.http://www.analog.com/UploadedFiles/Data－Sheets/545457694ADSP-21060-L－d.pdf,2000. 

                                                         轉自：佳工機電