基于相位编码体制的电离层垂测仪系统设计

沈绍祥 ， 王 顺 ， 方广有

（1.中国科学院电子学研究所 电磁辐射与探测技术重点实验室，北京 100190；2.中国科学院研究生院 北京 100049）

电离层主要分布在距离地面60～1 000 km的高度空间内[1]。电离层垂测仪从地面垂直向上发射扫频高频脉冲波，测量从电离层反射回波到达接收机的延时，获得不同频率电波被电离层反射的高度随频率的变化图，即频高图。通过对频高图的分析计算，得到电离层的特征参数，如电离层的折射系数n。目前国内所部署的电离层观测站大多数均采用国外电离层观测设备，如美国的Dynasonde，加拿大的CADI，俄罗斯的BIZON等[2]。其价格高，设备体积大，维护安装费用高，这对新建电离层观测站提出了较高的要求。

该文介绍了一种相位编码体制的电离层垂测仪系统设计方法。它利用FPGA内部的DDS模块构建信号产生单元，形成起始频率为1 MHz，终止频率为15 MHz，频率步进间隔为100 kHz的信号。该信号经barker码进行相位编码调制后，通过DAC与功率放大器输出到发射天线，并由其对空辐射出去。接收机前端采用射频隔离开关和直接ADC实时采样技术，有效避免了硬件IQ解调时两通道的相位不一致性问题。该设计方法可以灵活配置发射信号形式，做到实时在线修改。经过实际测试，表明本方案切实可行，为设备的小型化，便利化提供基础。

1 系统概述

电离层垂测仪系统框图如图1所示，主要由天线、功放、主控板，接收机前端调理电路、接口电路和PC组成，其中主控板的晶振产生同源时钟提供给DAC、FPGA和ADC使用.

图1 电离层垂测仪系统功能框图Fig.1 Diagram of sounding of ionosphere

1.1 工作流程

PC机通过USB接口发送参数到主控板。主控板上的FPGA接收参数并按照设计的逻辑时序进行工作，启动内部DDS产生起始频率和终止频率分别为1 MHz和15 MHz、步进频率间隔为100 kHz的数字正弦信号，该信号通过巴克码（0，π）调相，经 DAC和LPF滤波后，送入功率放大器得到发射信号.该发射信号馈入天线并辐射出去。

接收机通路中，调理电路的射频开关用来去除强反射的直达波并保护接收机电路。接收信号经可控放大后，由ADC直接采样并存储于SRAM中。当所有频点发射完成后，存储在SRAM中的全部数据通过USB上传到PC机后进行处理分析。

2 系统设计

2.1 发射信号分析

一般相位编码信号的复数表达式可写为：

其中，u（t）=a（t）exp（jφ（t））为信号的复包络函数，φ（t）是相位调制函数。

当M等于2时，s（t）即为二相编码信号。此时，二进相位序列 φ（t）只有0或 π 两个取值，也可用二进序列{ck=exp（jφ（t））=1，-1}表示[3]。

设二相编码信号的包络为矩形，P为码长，T为子脉冲宽度，v（t）为子脉冲函数，则包络函数 a（t）可表示为：二相编码信号的复包络可写成：

二相编码信号复包络的频谱为：

从上面分析可知，提高二相码的码长P可以得到更高的脉压比，获得好的探测效果。电离层垂测仪需要探测深空距离，故对发射信号能量有一定的要求。采用功放是提高发射信号能量的最直接方式，此外还可以考虑码元的宽度和码长长度，码长越长其信号能量也会越高。综合以上两种方法，本设计为简化信号产生单元，采用了13位码长的巴克码序列。设计采用码元宽度为40 μs，码长为 520 μs。从而使得CADI功放在发射信号时，可以近似满功率输出。

2.2 硬件电路设计

电离层垂测仪主要由主控板、功放、接收机调理电路组成。本系统的功放选用加拿大CADI系统的功率放大器。

2.2.1 发射信号通路

考虑到发射信号产生可以采用DDS形成，也可以利用数值计算的方法预先获得波形数据。后者是将存储在FLASH中的波形数据直接通过DAC刷出，并经过低通滤波产生。系统设计时，兼顾了该方法的使用要求。主控板上放置了一片在线电可擦除的FLASH芯片AT49BV160D，容量1M×16 bit。一般而言，若所需发射信号的码字过长，且频点很多，则无法将全部频点的波形数据都存放在一片flash中，此时要采取别的措施来解决这个问题。

该系统设计中，发射信号采用了FPGA内部DDS形成方式。设DDS工作时钟为fclk，相位累加器位宽为B（θ），则频率分辨率为[4]：

若输出频率为fout，则相位累加值为：

设计时需首先设定系统的频率分辨率，再由式（6）可计算相位累加器位宽B（θ），从而由式（7）可计算出每个频率所对应的相位累加字Δθ，因此控制输入Δθ就能获得不同的频率点输出。DDS仅产生了所需的1～15 MHz、以100 kHz频率步进的正弦信号数字波形。在构成发射信号之前，需要对DDS产生的正弦信号按照巴克码进行调制后输出。0相位的码元调相时保持DDS信号原值输出，而π相位调相时DDS信号输出值取反。该方法称为直接变换法。另外一种控制方式是通过控制DDS输出信号的相位偏移量，按0相位和π相位进行设置。但通过仿真发现，从0相位到π相位调相时，会有2个时钟周期延迟，导致0相位到π相位变化时，信号调相相位不连续，且经过实际实验验证，后者的脉压结果有问题。

DDS信号经巴克码调相，送入DAC输出相应模拟波形，再经过LPF滤波、功放，最终从天线辐射出去。DAC芯片选用了AD公司的14 bit AD9744，其工作时钟与DDS时钟同频同源。

2.2.2 接收机调理电路

接收机调理电路实现对直达波信号及强耦合信号的隔离，保护接收机电路。当发射天线辐射大功率信号时，该大功率发射信号通过发射天线直接近距离反射并耦合到接收天线，形成过高幅度的回波信号，对接收机链路形成巨大冲击，因此需要避开。在强直达波去除后，回波信号需进行放大和滤波调理，最后送入ADC进行实时采样。其基本框图结构见图2所示。

图2 调理电路框图Fig.2 Diagram of signal conditioning circuit

该调理电路中，射频开关选用mini-circuit公司的ZYSWA-2-50R，具备DC-5 GHz的带宽，插入损耗1 dB，6 ns响应速度[5]，开关的开合状态控制以TTL电平驱动。本系统的模拟信号频段为低于30 MHz，故该射频开关能够满足要求。可控放大器选用DAT-31-PP，完成回波信号的可控放大，将其调理到适合ADC量化采集。

2.2.3 主控板设计

主控板的功能是负责完成电离层垂测仪的发射信号产生、调理电路控制、ADC采集、数据存储、与PC机交互工作，是垂测仪硬件设计的核心部分。主控板的FPGA芯片选用的是Xilinx公司spartan系列的XC3S2000-FGG456，该芯片的等效系统门数（System Gates）是2M门[6]，引脚资源、逻辑资源和片内BLOCKRAM，DCM资源等都比较丰富。设计中直接利用IP核产生DDS资源.

2.2.4 直接ADC数字化

接收信号经过调理电路后，由ADC直接采样数字化。数字化之后的原始数据保存在SRAM中。当全部的频点数据都采集完成后，将这些保存的数据回传到PC机。在PC机端通过数字方法进行I、Q两路解调，经过脉冲压缩变换后得到处理结果。系统设计的最大发射信号频率为15 MHz，可取ADC的采样率为60 MHz，与DAC和DDS时钟相同。ADC选用TI公司14 bit模数转换器ADS6143.

该设计中接收信号通路未采用硬件I，Q解调方式。主要考虑到硬件I，Q解调很难保证IQ相位正交的要求，造成假频现象，导致脉压结果不真实。设离散后的回波信号为e（n），发射信号为c（n）。本文对回波信号的处理过程采用频域的处理方法，见式（8）。即通过FFT，复乘，IFFT以及滤波等算法实现两个信号的相关运算[7]。

3 系统测试

垂测仪的天线采用delta结构，底边离地2.5 m，三角形高8 m，底边长20 m。因场地受限，天线通过升杆固定于楼顶，收与发天线delta形正交放置且固定于同一升杆上。系统电路部分放置于室内。信号通过长电缆进行馈送。2011年6月24日，下午2：00测试获得相关探测结果，如图3所示。

4 结 论

文中给出了一种基于二相码体制的电离层垂测仪设计方案，对系统的硬件设计，发射信号进行了分析介绍。最后进行了系统外场测试，结果表明：该设计方案可行，具有较好的实用价值。

图3 系统探测频高图Fig.3 Sounding of Ionogram

[1]萧佐.50年来的中国电离层物理研究 [J].物理，1999，28（11）：661-667.

XIAO Zuo.Ionoshperic research in china over the past 50 years[J].Physics，1999，28（11）：661-667.

[2]陈琨.电离层数字测高仪的硬件研制[D].武汉：中南民族大学，2009.

[3]艾名舜，马红光，王令欢.混沌二相编码的雷达脉冲压缩信号[J].火控雷达技术，2007，36（1）：26-29.

AI Ming-shun，MA Hong-guang，WANG Ling-huan.Chaotic binary-phase coded radar pulse compression signal[J].Fire Control Radar Technology，2007，36（1）：26-29.

[4]Xilinx Inc.DDS V5.0[Z]，2005.

[5]Coaxial Switch 50ΩSPDT，TTL Driver，Absorptive DC to 5 GHz[Z].Mini-Circuits，2006.

[6]Xilinx Inc.Spartan-3 FPGA Family[Z].Complete Data Sheet，2005.

[7]张群英，方广有.伪随机序列编码脉冲信号在探地雷达中的应用研究[J].电子与信息学报，2011，33（2）：424-428.

ZHANG Qun-ying，FANG Guang-you.The study of pseudo random sequence’s application to GPR[J].Journal of Electronics&Information Technology，2011，33（2）：424-428.