多频段复杂干扰信号模拟源设计

朱 冉，马 杰

（1.北京化工大学，北京 100000；2.西北工业大学，陕西 西安 710000）

1 北斗卫星系统

北斗卫星导航系统由空间段、地面段和用户终端三部分构成。

北斗系统的空间段由若干地球静止轨道卫星、中圆地球轨道卫星和倾斜地球同步轨道卫星组成，实现全球组网。地面段由主控站、注入站和监测站等若干地面站组成。主控站作为地面监控部分的主要控制台，主要负责对卫星导航系统庞大数据采集计算并转发至注入站。注入站通过将主控站传递的控制信息和卫星数据校正信息注入到卫星存储系统中，监测站对导航卫星实施远程监测，接收信息并传输数据给主控站，由主控站对数据进行采集处理，在主控站的调度下，注入站负责完成卫星导航电文、广域差分信息和完好性信息注入，有效载荷的控制管理。用户终端部分由北斗用户终端与其他卫星导航系统兼容的终端组成，可以充分适应于各种领域和行业的运行需要。

由于北斗卫星系统很容易受到外界各种类型的信号干扰，例如GPS的微波传输、高压电线、信号发射塔和多路径效应等，所以我们在设计系统时需要借助抗干扰技术来完善系统性能，维护信号传输的安全性和稳定性。另外由于模拟过程中缺少实际传输中的各种可能出现的干扰信号，因此对系统测试时我们需要模拟各类干扰信号，基于这一应用我们计划利用FPGA制作如下的多频段复杂干扰信号模拟源。

2 设计思路概述

多频段复杂干扰信号模拟源主要针对卫星导航系统星地、星间及站间可能遇到的欺骗式干扰信号进行研究，分别建立了调制干扰、噪声干扰、欺骗干扰、调频干扰及干扰场景的数学模型，之后利用FPGA模块化设计各部分干扰源。

3 主要技术参数

3.1 北斗导航卫星系统分析

北斗是全球最早提供三频信号服务的卫星导航系统，而传统的导航设备，如GPS采用的是双频信号。利用双频信号可以降低电离层延迟的影响，但利用三频信号能够构建更为复杂的模型以消除电离层延迟的高阶误差。另外，使用三频信号可改善载波相位模糊度的解算效果，理论上还能够提高载波收敛速率。

北斗卫星距地面大约36 000 km，因此，到达地球的北斗信号功率很低，所以即便在没有主动干扰的情况下，北斗卫星也不容易发挥其性能，为此，我们对北斗二号的干扰信号进行频点调制。

北斗二号在B1、B2和B3三个频段提供B1I、B2I和B3I三个公开服务信号的相关信息。其中，B1，B2，B3频段的发射频率分别为1 561.098 MHz，1 207.14 MHz，1 268.52 MHz。为此，我们在设计时也将干扰信号于射频端调制到对应的B1，B2，B3频点，以此实现最大程度的干扰。

3.2 干扰信号参数

干扰信号模拟是基于干扰因素与干扰模式分析，模拟产生各种符合需求的干扰类型的过程。本模块主要对各种干扰类型、干扰因素的模拟进行原理、模型的理论分析，为后续干扰模拟源的设计与实现奠定理论基础。

3.2.1 单频连续波

频点：40.92 MHz。可在射频端分别调制到B1、B2、B3三个频点。

3.2.2 BPSK调制信号

调制带宽：分别可设BC/10、BC、BC*3、BP/10、BP、BP*3；其中BC表示民码带宽，BP表示军码带宽。

调制速率：分别可设1 kHz、2 kHz、5 kHz、10 kHz、20kHz。

3.2.3 线性调频信号

调频带宽：BC/10、BC、BC*3、BP/10、BP、BP*3。

调频速率：1 kHz、2 kHz、5 kHz、10 kHz、20 kHz。

3.2.4 捷变频信号

频率跳变速率：0.01 s、0.05 s、0.1 s、0.5 s、1 s、5 s、10 s。

频率跳变带宽：100 MHz、50 MHz、12 MHz、25 MHz。

频率跳变点数：32、64。

3.2.5 脉冲调制信号

脉冲周期：0.1~10 μs。

脉冲占空比：0.1~0.5。

4 干扰场景模拟产生技术

采用模块化设计方法，每一种干扰信号分别使用一个模块来求解，我们首先分析信号的干扰类型及干扰参数。

对于单频连续波，我们对其功率和频率进行分析；对于线性调频信号，我们对其调频带宽和调频速率进行分析；对于BPSK调制信号，我们分析其调制带宽；对于捷变频信号，研究较为复杂，我们对其频率跳变速率、跳变带宽、跳变间隔及跳变点数进行分析，对于脉冲调制，我们分析了其脉冲宽度及脉冲周期。对于组合干扰信号，我们分析了干扰信号个数，持续时间及干扰带宽。

本设计中产生的干扰信号主要由单频连续波、线性调频、BPSK调制、捷变频、脉冲调制以及组合干扰信号几大模块组成，如下将依次给出各模块的设计思路。

4.1 单频连续波干扰信号产生模块

北斗卫星导航系统所受到的干扰可以分为两类：欺骗型干扰和压制型干扰。压制式干扰是指通过发射功率远远大于有用信号的干扰信号，使得有用信号被淹没在干扰信号中，致使接收机无法有效地接收卫星信号，甚至于丧失工作能力；欺骗式干扰则是通过伪造与有用导航信号相似的干扰信号，误导接收机，使得接收机不能接收正确的导航信号，对相关定位信息作出误判，或是破坏接收机结算过程，从而同样导致卫星导航系统无法正常工作。

单频连续波干扰信号产生模块能够模拟产生北斗系统3个频点的连续波信号，用于对北斗终端进行以干扰能力较强的压制式干扰，或以发送一系列错误信号为主的欺骗型干扰。本设计中此模块主要由数字信号处理单元的数控振荡器NCO和调制器两部分组成。单频信号的表达式为：

式中，A为信号的幅值，fo为信号的频率。

实现时可以使用单象限波形的数据存储接口结构。在这种结构中，基于正余弦波形模型的对称性，波形块在存储器中只需存储一个象限的余弦波形。相位累加器用于波形寻址的有效A位输出中，高两位被用作确定象限，低（A-2）位用来寻址波形存储器。

频率控制字K的计算公式为：

式中，fo为输出信号频率，fc为系统时钟频率。

本设计中产生40.92 MHz的中频基带信号，基带板卡射频模块将其调制到B1、B2、B3等相应的射频频段，供2路同时输出。

4.2 线性调频干扰信号产生模块

线性调频干扰信号的主要任务是产生宽带均匀频谱干扰，同时带宽和调频速率可设。本设计中此模块主要由数控振荡器NCO、频率控制存储器、扫频方式存储器和相位控制存储器等几部分配合、协调产生。

扫频信号的表达式为：

式中，fo为扫频信号的中心频率，fj为调频频率。

因此可得信号的瞬时频率为

t用离散的采样点n代替，△T为频率增量fj′的更新周期。

可得瞬时频率函数为：

由式（5）可知，通过两级累加器可实现扫频信号的产生。在相位累加器之前，可以增加一个提供快速频率变化的频率累加器。该频率累加器的输入控制信息为初始频率控制字K0以及频率增量控制字Kj′，控制字的计算公式为：

4.3 BPSK调制干扰信号产生模块

BPSK为二进制相移键控调制，它通过改变正弦基波和其他相位反转的波形，使其中一方始终为0，另一方始终为1，因此能够同时传送接受2值（1比特）的调制信号。

利用数字基带信号s（t）输入控制开关电路，选择不同相位的开关载波进行输出，即可得到BPSK调制信号。s（t）可以为单极性NRZ或双极性NRZ脉冲序列信号。

BPSK信号表达式：

式中，an的取值为±1，即发送二进制符号1时，an取+1，s（t）取0相位，an的概率为P，g（t）为脉宽为T的单个矩形脉冲。

本设计中，BPSK信号生成包括码钟产生模块、脉冲序列产生模块和相位调制模块。码钟采用DDS的方式实现，相位累加器的最高位即为产生的时钟。频率控制字的计算方法与式（2）相同。

BPSK调制将二进制的码流映射为±1，与载波相乘后即可完成BPSK信号的产生。

4.4 捷变频干扰信号产生模块

捷变频信号是指载波的频率在一定频带内跳变的信号。频率跳变方式由某种跳频图案（跳频序列）控制。本设计中此模块主要由跳频时钟电路、跳频图案产生器（又称伪码发生器）、跳频器、高速D/A变换器和多频段上变频器组成。

调节时钟电路可以控制跳频速率，跳频是指用伪随机码序列进行频移键控，使载波频率不断跳变而扩展频谱，跳频器主要由FPGA内部的NCO组成。NCO又由相位累加器（PA）、相位-幅度转换表（ROM）组成。调节NCO频率字，可以调整跳频信号带宽。

4.5 脉冲干扰信号产生模块

脉冲干扰信号主要由FPGA内部的数控振荡器NCO和组合逻辑电路组成，用来产生一种突发的强功率压制干扰，也可模拟脉冲雷达干扰信号。我们可以通过计数器和比较器对脉冲信号重复周期和脉冲宽度进行控制。

周期计数控制字可表示为：

脉冲宽度计数控制字可表示为：

式中，TC为脉冲周期，TW为脉冲时间长度。

本设计中脉冲调整宽度0.1～10 μs，占空比0.1～0.5，也可以将脉冲宽度和占空比调制为任意值进行比较。

4.6 组合干扰信号产生模块

组合干扰信号一般可以通过2种以上干扰信号直接相加混合而成，可以在射频单元或中频单元混合。为了压缩硬件资源配置，充分发挥软件无线电技术的优势，本系统将在中频单元组合，充分发挥FPGA可编译、编程功能。

本设计中包括两路独立的射频通道，每路射频通道可以根据用户设置，交替地产生各种干扰信号，并且每种干扰信号的带宽、调制速率和持续时间可调。

5 硬件设计

北斗卫星导航空时域滤波接收模拟抗干扰信号，对干扰信号进行跟踪分析和滤波，从而消除干扰，以保证北斗卫星导航系统正常接收不失真信号。

多频段复杂干扰信号模拟源板卡的板上资源主要包括以下五种。

（1）DSPs：广泛采用流水线操作，实现数字信号处理，应用于数字信号谱分析及语音信号处理、图像信号处理等方面，在视频信号采集处理领域起着主要作用。

（2）FPGA：采用逻辑阵列LCA，通过可配置逻辑模块（CLB），输入输出模块（IOB）和内部连线三部分实现目前绝大多数的信号处理硬件编程和控制。

（3）D/A转换器：将二进制数字离散信号转换成标准模拟量，利用其内部复合混频器，实现更传统的基带I/Q架构或镜像抑制上变频架构。

（4）双通道模拟正交上变频芯片采用ADL5375：实现正交信号通过调制输入到射频信号波段。

（5）双路本振芯片SI4133：独立输出本振信号供给两路上变频通道。

6 软件设计

系统的软件设计主要包括FPGA、DSP和上层远程控制界面三部分。在DSP芯片上实时运行，选择合适的干扰信号和干扰场景模式，实现程序的调试和硬件开发板的集成，FPGA程序根据DSP的运行情况，产生中频域的各种干扰信号，DSP和FPGA芯片同时还完成正交上变频芯片和本振芯片的配置和参数传递。

其中FPGA程序采用Verilog HDL完成设计并利用逻辑仿真器进行混合设计和仿真，该程序所实现的功能主要有：

（1）将外部输入的10 MHz信号倍频到150 MHz；

（2）配置2个通道频率综合器Si4133芯片；

（3）配置DA转换器AD9777；

（4）生成串口收发模块；

（5）产生连续波信号，形成瞄准式单频干扰；

（6）产生线性调频信号；

（7）产生BPSK调制信号；

（8）产生捷变频信号；

（9）产生脉冲调制信号；

（10）模拟单个或组合干扰场景进行仿真。