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AbstractMeteorologycloselyrelatestopeople`sdailylife.Itisalwaysthekeypointsforscientificresearchinmeteorologythattheobservationandthetransmissionofchangeablemeteorologicalparametersintimeandaccuracy.Basedonthebasicprinciplesofsoftwareradio,aprogramofareceiveraimingatthemeteorologicalsoundingwirelessdatatransmissionhasbeenputforward,ameteorologicalreceiveranalogfrontendcircuitshavebeendesigned,simulatedandimplemented,andthemeteorologicaldatetransmissionmodulation,demodulationandsynchronizedreceivinghavebeendesignedandimplemented,thetransmissionexperimentsonmeteorologicalsoundingreceiverhasbeenaccomplished.Inthispaper,firstly,meteorologicalsoundingandsoftwareradioworkingprinciplesisintroduced.Theanalysesandcalculationsonmeteorologicalsoundingcommunicationschannels,respectivelycomparisonsonradioplatforms`structures,receivers`systemsaswellashardwareimplementationplatformsandtheimplementationofthebasicstructureofmeteorologicalsoundingreceivers.Forlownoiseamplifiers,moduleselection,simulation,circuitboardprintingandtestingandimproving,thevariablegainamplifierdesigning,weldingandtestingaswellasmakinganamplifiermoduleaccordingwithsystemrequirementshavebeenimplemented.Afteranalyzingandcomparingvariousstructuresoffrequencyselectingfilterofmeteorologyradiotransmissionchannels,LCfilterhasbeensimulatedcorrespondingly,uptotheapplicationindexofdatareceivingplatform.ThedatareceivingandsendingplatformsoftwaredevelopmentbasingonMatlab,datatransmissionhasbeenimplementedandfunctionmodulesofmodulationanddemodulation,encoding,synchronizationanddownconvertinghavebeenrealizedbysoftware,andbasiccommunicationsystemsignalflowframeworkhasbeenbuilttosimulatethelinkofmeteorologicalsoundingcommunication,layingthefoundationforfollowingproductsdevelopment.Keywords:MeteorologicalSounding,SoftwareDefinedRadio,Low-noiseamplifier,Narrowbandfilter,DigitalReceiver.II 目录第一章绪论.............................................................................................................................................................11.1高空气象探测的研究背景及现状............................................................................................................11.1.1高空气象探测的意义.....................................................................................................................11.1.2国内外应用背景.............................................................................................................................11.2软件无线电基础介绍................................................................................................................................31.3本文主要研究内容....................................................................................................................................4第二章气象探空数据接收实验平台总体设计......................................................................................................52.1信道分析....................................................................................................................................................52.1.1信道特性.........................................................................................................................................52.1.2传播距离及损耗分析.....................................................................................................................62.2软件无线电平台架构................................................................................................................................82.2.1常见软件无线电架构.....................................................................................................................82.2.2软件无线电平台架构的选择.........................................................................................................112.3接收机设计...............................................................................................................................................112.3.1接收机体制分析............................................................................................................................112.3.2接收机设计...................................................................................................................................132.4硬件平台解决方案选择..........................................................................................................................142.5本章小结..................................................................................................................................................15第三章模拟前端放大部分设计...........................................................................................................................163.1放大链路设计..........................................................................................................................................163.2低噪声放大器设计..................................................................................................................................173.2.1低噪声放大器的性能分析...........................................................................................................173.2.2电路的设计与实现.......................................................................................................................193.3可变增益放大器设计..............................................................................................................................253.4本章小结..................................................................................................................................................31第四章窄带滤波器设计.......................................................................................................................................324.1滤波器设计基本理论..............................................................................................................................324.1.1滤波器性能分析...........................................................................................................................324.1.2滤波器类型选择...........................................................................................................................334.2窄带LC滤波器设计与仿真...................................................................................................................344.2.1窄带LC滤波器设计....................................................................................................................344.2.2窄带LC滤波器仿真....................................................................................................................364.3窄带滤波器测试......................................................................................................................................384.3.1LC窄带滤波器测试......................................................................................................................384.4本章小结..................................................................................................................................................39第五章数字处理终端软件设计...........................................................................................................................405.1终端软件总体设计..................................................................................................................................405.1.1发射端设计...................................................................................................................................405.1.2接收端设计...................................................................................................................................415.2信号体制设计..........................................................................................................................................425.2.1调制解调方式设计.......................................................................................................................425.2.2信道编码.......................................................................................................................................465.2.3交织技术.......................................................................................................................................495.3同步检测..................................................................................................................................................50III 5.3.1伪随机序列...................................................................................................................................505.3.2巴克码...........................................................................................................................................515.3.3同步头检测的Matlab实现..........................................................................................................525.4GUI设计与调试.......................................................................................................................................575.4.1发射端设计...................................................................................................................................575.4.2接收端设计...................................................................................................................................585.4.3系统通信测试...............................................................................................................................585.5本章小结..................................................................................................................................................61第六章总结与展望...............................................................................................................................................626.1全文总结..................................................................................................................................................626.2后续工作展望..........................................................................................................................................62参考文献.................................................................................................................................................................64附录1攻读硕士学位期间撰写的论文................................................................................................................66附录2攻读硕士学位期间参加的科研项目.........................................................................................................67致谢.........................................................................................................................................................................68IV 南京邮电大学专业学位硕士研究生学位论文第一章绪论第一章绪论1.1高空气象探测的研究背景及现状1.1.1高空气象探测的意义随着社会、经济和科技的发展，气象与国计民生的关系越来越密切，气象服务对社会发展和人民生活的影响日益明显，气象工作也前所未有地受到全社会的关注。随着社会、人民气象观念、意识的提升，气象服务也从简单的提供气象信息，逐渐转变为能够产生社会经济效益的生产力，为经济建设、社会发展、人民生活趋利避害，在防灾减灾和应对气候变化的工作中发挥着越来越重要的作用。同时气象服务在其公益性之外，也存在着经济属性，气象[1]服务也可以通过合理的投入，获得相应的收益。目前，我国对气象探测的重视程度迅速增加，由中国气象局归口的已发布气象国家标准已多达54项。2014年9月30日，国家质量监督检验检疫总局、国家标准化管理委员会发布中华人民共和国第22号公告，由中国气象局气象探测中心负责编制的《气象探测环境保护规范地面气象观测站》等4项气象探测环境保护类强制性国家标准正式发布，自2015年1月1日起实施。本次发布的4项气象国家标准《气象探测环境保护规范地面气象观测站》、《气象探测环境保护规范高空气象观测站》、《气象探测环境保护规范天气雷达站》、《气象探测环境保护规范大气本底站》是首批由中国气象局归口管理的强制性气象国家标准。作为中华人民共和国国务院第623号令《气象设施和气象探测环境保护条例》的配套技术规范。这些条例[2]的发布与实施对于强化保护气象设施和改善气象探测环境，具有重要作用和意义。高空气象探空主要目的为探测地面至约4万米高空的温度、气压、湿度、风向、风速等气象要素，为天气分析与预报、科学研究和国际交换，提供及时、准确的高空气象资料。开展科学有效的测量，是提供气象服务的基础。准确的探测为气象部门正确决策提供依据，使气象部门更有针对性地改进和完善气象服务，是促进气象事业的持续快速发展的基石。1.1.2国内外应用背景长期以来，人们为了探索大气的变化规律，一直进行着不懈的努力。20世纪二三十年代，在短波无线电技术发展的基础上，先后成功研制了无线电探空仪、无线电经纬仪和测风雷达1 南京邮电大学专业学位硕士研究生学位论文第一章绪论[3]等，为建立全球气象探空观测站网奠定了基础。20世纪40年代，气象火箭的成功研制，使得探测高度能够达到100公里以上。1928年，前苏联II·H莫尔恰夫发明了无线电探空仪。这种仪器是随氢气球（后来发展到用定高气球、飞机、气象火箭下投降落）升入高空，并将所测的各高度上的温度、气压、湿度、风向、风速等气象要素，通过仪器上的无线电发报机传回地面，由地面收报机接收，从[4]而获得高空气象资料的一种装置。它体积小巧，观测简便，探测结果可靠，探测高度一般达到10千米～15千米，因而很快成为高空气象观测普遍使用的工具。同时，著名的“芬式无线电探空仪”也于1931年12月由芬兰维萨拉（Vaisala）公司的创始人维萨拉（VilhoVäisälä）发明了。这类探空仪是现今观测30～40千米以下高度高空气象[5]信息的主要设备，在全世界范围内都获得了广泛的使用。20世纪60年代以来，随着气象卫星和大气遥感技术的发展，全天候和全球性的高空气象探测也加速发展。无线电遥测、遥控技术以及电子计算机微处理器定量控制、实时处理等技术，逐步成为当前各类高空气象探空系统的主要技术特点。我国于上世纪50年代以来，参与了各国同步实施的世界天气监测（WWW）计划，逐步建立了“世界天气监测”网。该网主要以短期预报所需要的各个高度上的气温、气压、湿度、风向等观测信息为基础资料。通过多年的建设，该网现已拥有170个成员国，共有940个地[6]点施放探空设备，已形成了地基和空基探测相结合的探测体系。目前，世界上所有国家了解大气状况有以下几种方法：气象卫星，地基多普勒雷达电探[7]空仪及地面接收机。前二者可以提供大范围的气象信息，而后者所收集的信息分辨率和精度都较高，更具备准确性，长期以来已经形成了严密的全球探测网，并且组网方便，成本相对低廉。气象探空仪所搜集的数据用途广泛：除了最基本的提供给气象局，为天气预报做出参考外，更为重要的是，这些数据还会服务于国防、航空、航天等应用中，为人民、国家、社会带来无法估量的价值。我国目前有常规高空探测站120个（不含港台，其中7个站为全球气候观测系统探空站，87个站参加全球资料交换）。每个站每天分4个时间点，共放飞4个探空气球。正点施放时[8]间分别是北京时01时15分、07时15分、13时15分、19时15分。遇上暴雨、雷电、台风等恶劣天气，探空设备容易受损，需要加密施放，一般为3小时间隔。同样，在航空航天、军事演习等事件期间，也需要加密施放设备。2 南京邮电大学专业学位硕士研究生学位论文第一章绪论1.2软件无线电基础介绍无线电系统发展早期，功能模块基本都是用分立模拟器件来实现的。随着数字技术的发展，数字器件逐步取代了印制板上的模拟器件，不仅减小了产品体积，同时降低了成本与功耗。数字处理技术与微电子技术的快速发展阶段从20世纪70年代开始。传统的无线通信系统实现了从复杂印制电路板上的分立模拟器件到数字器件实现的转换，绝大多数部件由可靠性高、功耗低、体积小的数字电路组成，它们将模拟信号数字化，运用数字信号处理技术，[9]完成信息的无线发送和接收。尽管数字无线通信系统具很多优点，但是也存在着一些不足，例如，数字系统功能的实现较为依赖硬件性能，特定的无线通信标准只能使用与其匹配的通信设备，新、老通信设备之间的兼容性较差。20世纪90年代初，美国MITRE公司首席科学家JosephMitola在全美远程系统会议上[10-12]首次提出了软件无线电的概念。软件无线电基于一硬件平台，将其模/数变换尽量地靠近天线，而将尽可能多的信号处理功能以软件来实现。具体而言，软件无线电将多种硬件/软件模块集成在一个可编程的通用物理平台上，通过软件的编程对硬件进行重构，实现多频段、多模式之间的切换，从而完成无线通信系统的各种功能。这种体系结构的主要功能由软件来完成，不仅降低了设备的开发成本，缩短了设备的研发周期，而且可通过软件编程特性灵活[13]改变工作参数，并且由软件提供控制、操作、管理和维护功能。总之，软件无线电是一种基于通用数字硬件平台，以软件为核心的崭新的无线通信体系结构。[14]国际软件无线电论坛对现阶段软件无线电的定义为：软件无线电是一组可以使无线网络和用户终端中系统架构具备可重构性的硬件与软件技术的集合。软件无线电的发展被定义为四个阶段：1级——软件控制无线电(SoftwareControlledRadio，SCR)2级——软件定义无线电(SoftwareDefinedRadio，SDR)3级——理想软件无线电(IdealSoftwareRadio，ISR)4级——终极软件无线电(UltimateSoftwareRadio，USR)目前大部分应用属于SDR阶段。这种技术由软件来定义，不需要对硬件做任何修改就能[15]够提供很宽的操作范围。工程中软件无线电平台一般包括独立天线、放大器和模/数转换之前的混频器。在发送时，基带信号进入数模转换器，然后转换为中频(IF)频率，即依次外差为进行滤波和进入功率放大器之前所需的输出频率。尽管前端的带宽是个限制因素，由于软3 南京邮电大学专业学位硕士研究生学位论文第一章绪论件无线电技术能够提供宽带和窄带两种操作中的多种解调技术，因而利用软件可以控制相当宽的频率范围。1.3本文主要研究内容气象探空设备应用领域广泛，与民生息息相关，市场需求大，目前全球范围内普遍使用的有芬兰Vaisala下投式无线电探空仪。在我国主要使用进口型RS-80与RD-94探空仪与其[16]配套接收机，以及少部分国产的GTS1型。目前，国内生产气象探空配套设备的厂家很少，因此亟待全面国产化。本课题来源于横向科研项目。项目依据《中华人民共和国气象行业标准》、《中国气象局气象业务规章制度——新一代高空探测系统业务验收规定等标准，以及中国气象局对于预研原型机的相关指标要求，设计了气象探空信息接收平台。主要工作有：参与了项目的整体设计流程，设计了工作中心频率为403MHz，带宽6MHz的数据接收平台，完成了其中部分模块的设计与仿真，包括窄带滤波器、低噪声放大器以及可变增益放大器，开发了模拟前端中相应电路，并设计开发了数字终端，仿真实现了系统通信。本文的主要章节安排如下：第一章，介绍了高空气象探测的基础以及软件无线电基本概念，对目前国内外气象探空的发展状况进行了简要的比较与分析，对本课题的内容作了大体介绍。第二章，简要分析了通信信道，介绍了软件无线的基本结构、接收机结构以及硬件平台实现方案，综合对比各个方案，设计了适合本气象探空系统接收平台的具体实现方案。第三章，针对接收平台模拟前端中的放大部分进行了讨论与设计。包括低噪声放大器与可变增益放大器的选型、设计以及仿真，并制作了完整放大链路PCB模块，经测试，达到气象探空系统实验的要求指标。第四章，针对模拟前端中窄带滤波器部分进行了讨论与设计。主要完成了滤波器的分析、对比，设计了LC元件构成的窄带滤波器，仿真后制作了PCB模块。经测试，LC窄带滤波器基本达到气象探空平台的实验要求。第五章，对气象探空平台的数字终端进行了设计，实现了数字端的通信架构。主要工作有：根据气象通信的实际状况，分析了信号体制，选择了合适的调制解调技术、编码技术、同步技术等；利用Matlab实现了上述技术，搭建了通信系统架构，制作了终端软件平台；在PC平台及AD公司的PXI工控机上进行了数据收发测试，实现系统通信。第六章，对本文的工作进行了总结，提出了改进方案及后续工作的要点。4 南京邮电大学专业学位硕士研究生学位论文第二章气象探空数据接收实验平台总体设计第二章气象探空数据接收实验平台总体设计2.1信道分析2.1.1信道特性我国为气象探空通信划分有多个频段，表2.1显示了我国在400MHz频段附近无线电频率规划细则。根据课题要求，选择了403MHz作为实验频率。由于在频率超过30MHz之后，电磁波容易穿过电离层，因此在VHF的高端以及更高的频段，基本不存在天波传播。在地表附近，这个频段的电磁波主要是以视距(LineofSight，LOS)传输的形式传播。表2.1无线电频率划分表(400—406MHz)编号频段主要事项148399.9-400.05空间(无线电导航)149400.05-400.15空间(标准频率和时间信号)(中心频率400.10MHz)150400.15-401气象辅助，空间(气象辅助)(空-地)，空间(空-地)，无线电定位151401-402气象辅助，空间(空-地)，空间(气象辅助)(地-空)，(固定)152402-403气象辅助，空间(气象辅助)(地-空)，(固定)，(无线电定位)，(移动)153403-406气象辅助，(固定)，(无线电定位)，移动(航空移动除外)154406-406.1空间(移动)(地-空)400MHz频段在无线电波波段划分中属于分米波UHF（特高频，300—3000MHz），波长为0.75m。由于位于UHF频段的低端，其特性与VHF（超短波）频段的高频段部分有着相同的特性，所以可以应用超短波的分析理论来分析400MHz频段的特性。超短波传输特性介于短波与微波之间，直射波为其主要的传播方式。图2.1显示了本课题视距通信的环境。在超短波信道中限制通信系统性能的主要噪声是接收机的热噪声和宇宙噪[17]声。在气象探空系统中，除了以上干扰外，还主要受到雷暴、雨噪的干扰。气球直射波基站地球图2.1气象探空中的视距传输在视距范围内，大气层折射的性质及大小对直接波和地面反射波的相位有影响，因而对接收点的合成场强也有影响，变化的程度随收发信源之间距离的增加而增大。5 南京邮电大学专业学位硕士研究生学位论文第二章气象探空数据接收实验平台总体设计视距通信的传输距离受到地球表面曲率的影响，但超短波具有一定的绕射能力。实际上，超短波是在地球周围的大气中传播的，大气对电波产生折射与衰减。在标准大气压下，大气层的介电常数r随高度增加而减小，并逐渐趋于1，因此大气层的折射率nr随高度增加[17]而减小，电波射线形成一条向下弯曲的弧线，故超短波通信的距离可能大于理论计算值。在本设计中，主要考虑直射波对通信的影响，而无需考虑反射波以及绕射通信。2.1.2传播距离及损耗分析（1）传播距离视距电磁波传输时，由于受地球曲率的影响，从一定高度天线发出的电磁波直线传播距离有限，通常以“视线传播的极限距离”来描述。在本课题中，探空设备距离地面的垂直海拔高度最大为30km左右，气象观测站的海拔高度相对于探空设备高度可忽略不计。设备dmax30km地球图2.2视距传输极限距离根据图2.2，设地球半径R=6371km，计算可得1474.，视距传播的极限距离dmax=620km，而在实际应用中，通信距离d约为30km—100km。可见实验通信距离远小于理论距离，假设在通信过程中无障碍物遮挡，实验通信信道环境良好。（2）电磁波空间传输损耗超短波通信信道稳定，不易受电离层变化影响。但是超短波在空间传播的信号强度仍然受到距离的影响。现将无其他干扰条件下电磁波的传输损耗模型作为气象探空数据接收平台的接收信号质量模型。[18]在自由空间传播模型中，信号的接收功率为信源与信宿之间距离d的函数：2PGGtrtPdr224dL（2.1）在无线电工程实践中为了便于计算，通常，工程中以分贝表示功率或幅度，对于功率P和幅值A：PdB10lgP（2.2）6 南京邮电大学专业学位硕士研究生学位论文第二章气象探空数据接收实验平台总体设计AdB20lgA（2.3）假设天线增益为单位增益，即Gt=1，Gr=1，系统损耗因子L=1，以分贝来表示电磁波自由空间传播损耗为：LfdBPdBtPdBrPT10lgPr2GGrt10lg224dL20lg4dc20lg4fd（2.4）整理为：LdB()20lg(4)20lgf20lgd20lgcf(Hz)()m(/)ms（2.5）在气象通信中，通信距离单位一般为km，频率单位一般为MHz：LdB()20lg(4)20(lgf6)20(lgd3)20lgcf(MHz)()m(/)ms（2.6）8将光速c=3×10m/s带入式（2.6），可得：LdBf3244dB20.lgfMHz20lgdkm（2.7）PdB()PdB()LdB()trf（2.8）Lf为电磁波通信中损耗，由式（2.7）可以看出，超短波空间传播的损耗与通信距离以及选用频率成正比。在实际应用中，接收信号质量还要考虑空间阻抗、发射机天线效率、接收机天线灵敏度、天线转换效率等诸多因素。为简化模型，在气象探空数据接收过程中，考虑信号强度因素时，按照公式（2.7、2.8）计算。为了不影响气象监控的正常工作，课题项目要求原型机开发测试时发射功率应当小于200mW。已知在50Ω阻抗下，1mW（0dBm）对应的电压V0=226mV，可知200mW约为23dBm。此时，当通信距离为d=30km时：LdBf32445212954...11408dB.（2.9）Pdr91dBm（2.10）7 南京邮电大学专业学位硕士研究生学位论文第二章气象探空数据接收实验平台总体设计当通信距离d=50km时：LdBf11853dB.（2.11）Pdr9552dBm.（2.12）当通信距离d=100km时：LdBf12454dB.（2.13）Pdr10153dBm.（2.14）2.2软件无线电平台架构2.2.1常见软件无线电架构理想的软件无线电平台是将可编程的硬件平台作为其基础，把无线通信等应用尽可能的由软件来实现。将无线通信的频段、调制方式、数据速率与格式、控制协议等全部由软件进行重构和控制，要求尽可能地简化射频模拟前端，使得A/D尽可能地靠近天线去完成模拟[19]信号的数字化。ADC在信号通过基本射频模块后直接进行采样，下变频、解调全部由位于GPU部分的软件实现。其结构如图2.3所示，由射频前端(RF，Front-End)、数模/模数转换器(ADC/DAC)和通用单元(GPU，GeneralPurposeUnit)组成。在射频处就进行AD/DA转换对ADC/DAC的要求很高，由于目前AD/DA转换芯片带宽和转换速率等指标的限制，工程应[9]用中的软件无线电平台很少采用这种理想结构。射频前端ADCGPU接收路径射频前端DACGPU发射路径图2.3理想软件无线电平台结构所以，在软件无线电平台的设计过程中，需要从各个方面进行综合考虑，包括时延、带宽、效率、硬件复杂度、通用性等。根据国内外研究的成果，软件无线电平台基本结构可分为以下三种：流水式结构、总线式结构、网络式结构。8 南京邮电大学专业学位硕士研究生学位论文第二章气象探空数据接收实验平台总体设计（1）流水式结构流水式结构是指通信系统中各个功能模块以与信号流方向一致的流水线形式互连，顺序实现通信系统逻辑功能，其基本结构如图2.4所示。在软件无线电体系结构中，接收前端被[20]划分为了模拟前端（AFE,AnalogFront-End）与数字前端(DFE,DigitalFront-End)两个部分。模拟前端由天线、滤波器、放大器和混频器组成，主要实现信号采集与混频的功能；数字前端由数模/模数转换、上/下变频等功能模块组成，主要目的是将中频信号转换至基带，也可以将数字前端向天线靠近，采用带通采样直接数字下变频至基带。基带信号处理部分一般定义为后端（Back-End），一般由通用处理器(GPP,GeneralPurposeProcessor)完成底层信号处理算法以及人机界面等。RF/IFADCDDCGPPRF/IFDACDUC模拟前端数字前端后端图2.4流水式软件无线电平台结构流水式软件无线电平台结构互连时各个模块独立性高，硬件实现相对简单，延时短，实时性好；缺点是通用性差、功能单一，难以扩展功能模块，难以适应信号频段等因素的变化。一般用在对实时性要求较高的专用通信系统中。（2）总线式结构总线式结构中各个功能模块以并联的形式连接在总线上，其结构如图2.5所示。数据交换与指令控制均通过总线进行。目前，一般总线部分为一块母版，各个功能子板通过PCI-E接口或其他接插件与母版互连。9 南京邮电大学专业学位硕士研究生学位论文第二章气象探空数据接收实验平台总体设计多路高速数据输入/输出耦合宽带高速人机存储板处理板主机板射频板AD/DA界面板总线图2.5总线式软件无线电平台结构这种结构通用性较强，灵活度高，数据吞吐能力强，并可以通过增加或更换子板改变通信系统的功能。但是硬件实现较困难，当子功能模块较多时，以时分复用传输信号及命令会时序问题变的十分棘手，在实时性要求高的应用中往往难以达到需求。（3）网络式结构网络式结构基本组成如图2.6所示，各个功能模块以网络形式连接。该结构以网络互连单元为基础，采用高速计算机网络为核心，使用通用计算机或工作站控制并处理信息。网络式结构最符合软件无线电的宗旨，将无线电功能模块尽可能软件化，而射频、中频等模块集成后分离为网络中的信号节点。并行基带语语音音//数数据据处理单元网络互连应用程序射频单元中频单元应用程序库单元接口系统控制网络及人机接口图2.6网络式软件无线电平台结构这种结构最为开放，通用性也最好，一般射频收发模块可以集成为设备终端与网络自由链接。同时，该结构具有很宽的带宽，能够适应大规模的应用。与网络式结构的优点相应的，它的缺点为延时较长，并且需要网络拓扑设计，硬件实现复杂，不太适合协议单一的通信系统。10 南京邮电大学专业学位硕士研究生学位论文第二章气象探空数据接收实验平台总体设计2.2.2软件无线电平台架构的选择通过上述介绍对比，这三种结构在不同的应用场合体现出各自的优劣，表2.2从带宽、延时、效率、实现复杂度、通用性等方面对这三种结构的性能做了大体比较。表2.2三种软件无线电平台硬件结构比较硬件结构带宽时延效率硬件复杂度通用性流水式窄短最高简单较差总线式较窄长高较复杂好网络式宽最长较高复杂最好如表2.2可见：流水式结构延时最短，实时性强，效率最高；硬件实现较另外两种结构简单；模块间按照通信逻辑互连，处理速度快；通用性差，只适合通信协议单一的系统。因此，流水式结构适用于具有针对性的通信情况，特别是实时要求高、成本严格控制的场合。气象探空通信协议固定，规定的带宽较窄，实时要求高，需要短时间内接收并处理大量数据，流水式平台的传输方式与其非常吻合，所以本课题选用了流水式结构作为平台的总体架构。2.3接收机设计2.3.1接收机体制分析[21]不同接收机体制的主要区别是将信号下变频到基带的级数不同。目前常用的接收机射频前端系统结构有：超外差接收机、零中频接收机以及低中频接收机等。下面简要介绍几种接收体制。（1）超外差接收机超外差(SuperHeterodyne)式接收机是目前应用最广泛的一种系统结构，它的基本原理是将从天线接收到的高频射频（RadioFrequency，RF）信号经放大和下变频后转换为一固定的中频信号，然后进行进一步数字下变频或者直接进行解调。图2.7显示了超外差接收机的基本构成：进一步RF滤波器LNAIR滤波器IF滤波器处理LO图2.7超外差接收机基本构成超外差体制的主要问题来自镜像信号(ImageSignal)，从RF下变频到中频（Intermediate11 南京邮电大学专业学位硕士研究生学位论文第二章气象探空数据接收实验平台总体设计Frequency，IF）时，任何在本振(LocalOscillator，LO)频率fLO偏移中频频率fLF范围内的信号，都会在混频后在fLF产生一个镜像干扰。该信号叠加在有用中频信号上，直接对有用中频信号[22]造成干扰，并且不可被清除。因此，超外差接收机的主要问题为需要多个高性能滤波器，包括带选滤波器、镜像抑制滤波器、中频滤波器等。这会使系统的集成度降低、功耗增大，并且模块间的屏蔽与隔离也更加重要。（2）零中频接收机在零中频(Zero—IF)接收机中，RF信号到基带信号只经过一次下变频，它的基本结构如图2.8：IF滤波器进一步RF滤波器LNAI处理IF滤波器QLO图2.8零中频接收机基本构成零中频接收机相对于超外差接收机有一定的优势，它减少了镜像信号的干扰，省去了IF后，后端电路模块也得以简化。零中频接收机的缺点在于，它在RF滤波器之外并没有其他滤波措施，导致本振信号与射[15]频通路之间通过寄生电容或衬底互相耦合，使有用信号及本振泄露到天线中并且无法滤除，致使接收机产生直流偏移。除此以外，低噪声放大器与下变频器产生的二阶非线性造成的直流失调，也会通过寄生电容耦合或衬底耦合，从而泄漏到基带。直接变频的另一个问题是非线性度。和超外差接收体制一样，直接变频也存在寄生响应的问题。在超外差技术中，寄生响应出现在输入频率fRF满足：NfRFMfLOfIF（2.15）时，而在直接变频中则会出现在NfRFMfLOfIF（2.16）的情况下。由于在直接变频中大部份的放大功能都放在混频器之后的基带处理电路上，因此低频噪声就成为主要的噪声来源，因此需要更强的射频电路增益以改善基带电路的较差噪声特性。12 南京邮电大学专业学位硕士研究生学位论文第二章气象探空数据接收实验平台总体设计[23]其中，闪烁噪声(FlickerNoise)，也就是1/f噪声，为主要的基带噪声来源。它的频谱与1/f成正比，一般由器件内部产生，在搭建系统时应选择品质高的芯片设计，以降低1/f噪声的影响。在射频电路中，1/f噪声通常会调制到射频信号上，而在采用基带输出混频器的情况下，1/f噪声会有特别高的转换增益。（3）低中频接收机低中频接收机是直接下变频的衍生产物，其结构与零中频接收机类似，如图2.9：镜像抑制及RF滤波器LNAI最终下变频QLO图2.9低中频接收机基本构成通过采用仅具有正频率成分的本地复载波信号来将RF信号下变频到一个较低的中频，将镜像抑制问题由射频端转移到比较低的中频，从而保护接收机本身避免受到所有会发生在直接变频上直流相关问题的影响。2.3.2接收机设计上述三种接收机体制结合软件无线电平台，通过将不同的接收机体制在不同的位置进行模数转换，可以获得不同性能的数字接收机结构。通常数字化节点有射频直接数字化、中频[24]数字化、基带数字化等。虽然软件无线电的核心思想为ADC尽量靠近天线端，减少模拟前端部分，但是在VHF波段，射频直接数字化实现起来有相当的难度以及较高的成本，需要精度与速度要求很都高的ADC芯片来进行带通采样。零中频接收机的主要优势是没有镜像信号干扰，低耗电、小型化以及零件数少，这些对于气象接收系统来说，并不是主要考虑因素，但是其直流偏移与非线性的缺点却不得不考虑。低中频与超外差在实现的过程中非常类似，在最终的设计中选择了超外差接收机体制，在中频数字化采样，进而进行数字下变频与解调的工作。13 南京邮电大学专业学位硕士研究生学位论文第二章气象探空数据接收实验平台总体设计解调RF滤波器LNAIR滤波器IF滤波器VGAADCDDC解码VCO图2.10本气象探空数据接收平台基本结构综合考虑对比数字化节点位置与射频前端结构，最终，确定气象数据接收机的结构如图2.10所示，在镜像滤波器后将RF信号下变频为IF信号，通过使用VGA芯片来满足ADC芯片的驱动门限，进而在数字端通过软件完成第二次下变频以及后续AGC、解调、解码等过程。2.4硬件平台解决方案选择对于基于软件无线电平台的通信系统而言，除了平台的架构影响着通信系统的性能，硬件平台解决方案的选择同样对系统的特性起到关键作用。按照构成硬件平台的物理单元，常用的软件无线电体系主要有高速数字信号处理器（DSP）、可编程门阵列（FPGA）以及通用平台（GPP）处理器等进行数字信号处理。DSP是针对字信号处理应用的芯片，片上集成丰富的处理模块。在一般通用设备中，均采用DSP与复杂可编程逻辑器件（CPLD）或FPGA配合实现。FPGA可以通过硬件描述语言进行编程，从而实现各种信号处理流程，达到ASIC芯片工作目的。目前FPGA的高速发展，随着门数量的大幅增长，其运算能力也极速增长，高级别的FPGA处理能力逐步超过了专用DSP芯片，但是实现较困难，需要对软、硬件十分熟悉。GPP一般采用个人电脑进行处理，采用面向对象编程，可以多核运行，通用性强，但是性能受限于时钟，常用于软件无线电系统仿真。表2.3对这三种硬件结构进行了详细比较。表2.3基于DSPFPGAGPP的硬件平台比较硬件平台DSPFPGAGPP浮点差好好定点最好好好编程性简单，需要了解硬件较简单简单，无需了解硬件重构能力可多次重构配置可多次重构配置可多次重构配置重配置方式将数据下载至芯片加载运行不同软件加载运行不同软件实时性要求高、控制适用于顺序处理以及进使用场合适用于多种场合简单的场合行复杂控制的场合性能处理能力强，实时性高实时性较差实时性较差14 南京邮电大学专业学位硕士研究生学位论文第二章气象探空数据接收实验平台总体设计根据课题需求，预研阶段需要对通信链路、信号体制等进行仿真，而对实时性的要求不高，加之面向对象方式的直观与高度抽象，系统设计选择了GPP硬件平台，在个人电脑以及NationalInstruments（美国国家仪器有限公司）公司的PXI(PCIextensionsforInstrumentation)，面向仪器系统的PCI扩展)设备上实现通信。2.5本章小结本章首先针对气象探空通信系统的传输信道进行了分析，针对气象应用的工作频率做了相应的计算，为后续放大器设计做了铺垫。同时对软件无线电平台结构、接收机体制、硬件平台解决方案进行了对比与选择，确定了流水式软件无线电结构，采用了在一次模拟下变频后进行数字采样的超外差接收机体制，以及基于GPP硬件平台来实现模数转换后的处理。15 南京邮电大学专业学位硕士研究生学位论文第三章模拟前端放大部分设计第三章模拟前端放大部分设计3.1放大链路设计[25]放大链路模块作为射频模拟前端的第一个有源模块，有着重要的意义：引入噪声低，确保小信号不会被噪声淹没。功率增益高，确保输出能够驱动后级ADC芯片。放大链路的设计，要求输出电平为毫伏级，才能驱动后级ADC芯片。通过对比了几种UHF频段内常用LNA，电路设计选用了ANALOGDEVICES公司的低噪声放大器ADL5521以及线性可变增益放大器AD8367，组成了三级放大链路，其中包括两级LNA与一级VGA。AD公司对于链路方案的设计提供了很好的支持，可以通过官网或软件选型、模拟链路设计的效果。放大链路设计选用AD公司的ADIsimRF软件对放大链路进行了仿真。根据2.2节的分析，以及选择的器件，构造的放大链路如图3.1所示。第一级为理想带通滤波器，主要电路为两级LNA以及一级VGA，每个器件之间均设计了阻抗匹配电路，其中，VGA芯片AD8367输入特性阻抗为200Ω，负载为标准50Ω。图3.1放大链路的结构与指标图3.2显示了链路仿真后得到的效果。根据第二章的计算，当通信距离d=100km时，在不考虑天线增益与恶劣气候的理想情况下，接收功率为-102dBm左右，ADL5521的最大增益为21dB，AD8367的最大增益为42.5dB，链路理想情况下共带来84dB增益。经过放大后，放大链路模块有效输出功率（OutputPowerrms）为-18dBm，有效输出电压（OutputVoltagerms）16 南京邮电大学专业学位硕士研究生学位论文第三章模拟前端放大部分设计为28.15mV，该电平满足ADC采样要求。图3.2d=100km时放大链路的仿真结果在非理想状态下，低噪声放大器往往难以达到最高增益，VGA芯片AD8367在使用最大增益的情况下，也必然带来自激的问题，最终实际的放大量在70dB左右。在50km的通信距离上，接收功率为-95dBm左右,经过放大，可以得到15.83mV的有效电平，同样可以满足ADC芯片的采样需求。图3.3为链路模拟结果。图3.3d=50km时放大链路的仿真结果3.2低噪声放大器设计低噪声放大器（LNA，LowNoiseAmplifier）是放大链路模块的第一个电路单元，它的主要功能是在引入较少噪声的情况下尽量放大输入小信号，从而在低功率点上保证所需的信噪比。对于大信号，LNA应在放大输入信号的同时尽量减小带来的失真。因此，合适的LNA[26]设计在雷达射频接收系统设计中占有非常重要的地位。同时，LNA设计还需要考虑到诸多因素，如高增益、低噪声系数、良好的输入输出匹配、稳定度及线性要求，这些因素同等重要，且相互之间并不完全独立。低噪声系数与最佳输入匹配在没有反馈回路下不可同时获得；绝对稳定在很多情况下需牺牲部分增益作为补偿；高[27]IP3需要高电流；而最小噪声系数通常需要电流较低。3.2.1低噪声放大器的性能分析（1）功率增益[28]放大器的转换功率增益Gr定义为负载吸收功率与信号源的资用功率之比：17 南京邮电大学专业学位硕士研究生学位论文第三章模拟前端放大部分设计2221LS211SGr221S1SL22S11（3.1）对于低噪声放大器，首先考虑最小噪声系数，故在匹配时必须满足输出端负载共轭匹配，**输入端满足最佳源阻抗匹配，以达到最小噪声目的。即LOUT，SSopt，得出：22*S121SoptGA22**1OUT1SoptS11（3.2）（2）稳定性分析放大器电路工作的首要条件是在工作频段内保持绝对稳定，否则将会导致电路的振荡，对所有的反射系数来说，必须满足：1，1LS（3.3）S11L1IN1S11S（3.4）S22S1out1S11S（3.5）如果任何反射系数的幅度超过1，那么二端口网络就是不稳定的。其中：∣Δ∣=∣S11S22-S12S21∣，最后得出绝对稳定的条件为：1（3.6）2221SS1122k12SS1221（3.7）（3）噪声系数分析噪声系数定义为输入端口的信号与噪声比跟输出端口信号与噪声比之比。若把放大器电[27]路看作一个二端口网络，则噪声系数为：22VnIRnINF14kTBRIN（3.8）其中Vn为二端口网络的噪声电压源，In为噪声电流源，Rin为二端口网络的输入阻抗。k为波尔兹曼常数，T为绝对温度，B为测量系统的噪声带宽。为了计算最佳源阻抗Zopt，通过一系列变换可得：r2nFFyyminsSoptgs（3.9）18 南京邮电大学专业学位硕士研究生学位论文第三章模拟前端放大部分设计其中rn=Rn/z0为归一化噪声电阻，其值大小代表噪声变化的灵敏度。由式（3.9）可见，当ys=ySopt时，F=Fmin。[28]一般而言，接收机放大链路是由多个放大器组成，总共的噪声系数为：F1F12nFF...1GGG...G112n1（3.10）其中Fn为各级放大器的噪声系数，Gn为各级放大器的增益。由式（3.10）可以看出，放大链路的噪声主要受到第一级影响。3.2.2电路的设计与实现电路选用的AD公司的低噪声放大器ADL5521是高性能砷化镓pHEMT(高电子迁移率晶[29]体管)低噪声放大器。ADL5521芯片高度集成，包含了动态偏置电路及隔直电容，在简化系统设计的同时不失灵活性。ADL5521非常容易调节，只有很少一些外部电路，仅需要3-5V的单电源供电，可以大大缩小体积，其输出电平可由外部偏置电阻调节，以满足低功耗的应用，其主要特性见表3.1。为了获得更高的增益和更好的线性指标，选择了5V供电的型号，它的隔离度也更好。表3.1ADL5521在900MHz处的参数参数3V5V工作频段400MHz—4000MHz400MHz—4000MHz增益20.3dB20.8dB噪声系数0.8dB0.9dB输出三阶交调28dBm37dBm输出1dB压缩点17.8dBm21.8dBm输入回波损耗（S11）-8dB-9dB输出回波损耗（S22）-14.7dB-15.3dB隔离度（S12）-23.8dB-25dB尽管AD公司提供的具体数据只有几个频点，但是根据图3.4与图3.5对比可知，频率减小时，增益有所提高，线性度无太大变化，噪声指数依旧良好，其他各参数指标也基本可以达到设计标准。而根据厂商提供的S3P文件的数据来看，在300MHz—500MHz的频段内，LNA芯片有着良好的表现。19 南京邮电大学专业学位硕士研究生学位论文第三章模拟前端放大部分设计图3.4增益，输出三阶交调，1dB压缩点，噪声系数与频率的关系图3.5典型S参数与频率的关系图3.6显示了ADL5521芯片S3P文件的描述，模型PORT1为射频输入管脚，PORT2为电源管脚，PORT3为射频输出管脚，文件没有提供VBIAS管脚接口，自动偏置调节的功能是不能在ADS中仿真的。仿真频率从100MHz开始到4000MHz，由于数据量较大，只截取了100MHz到600MHz的信息，实际芯片在这频段内都是可以工作的。图3.6ADL5521芯片S参数的详细数据20 南京邮电大学专业学位硕士研究生学位论文第三章模拟前端放大部分设计应用ADS对ADL5521典型电路进行仿真，电路包含了输入输出匹配与直流偏置电路。ADS系统中自带有Amplifier模板，该模板可以仿真电路的增益、噪声系数、稳定性系数、[30]匹配参数等指标。电路所选用的电容和电感为村田制作所（MURATA）的高Q元器件，而ADL5521的信息用DataItem控件导入。MURATA库中提供的元件值非常丰富，同时给出了器件的工作温度范围、温漂、精度、工作频段等指标，可以使仿真结果更加接近实际情况，并且该系列的元件均可以在村田公司的官网上购买。图3.7低噪声放大器S3P仿真电路21 南京邮电大学专业学位硕士研究生学位论文第三章模拟前端放大部分设计图3.8低噪声放大器仿真结果22 南京邮电大学专业学位硕士研究生学位论文第三章模拟前端放大部分设计通过仿真，得到了图3.8显示的结果。由图可见，在403MHz频点的增益达到了21.037dB，噪声系数为1.906，NFmin远小于1，稳定性系数在带宽范围内大于1，电路绝对稳定。LNA一般都为了更高增益或者更小噪声而优化调整，或者两者的权衡优化。一个参数的优化必定带来另一个参数的牺牲。为了获得最大增益匹配，用一个匹配网络将LNA的输入阻抗匹配到系统的特性阻抗，一般是50Ω。共轭匹配可以获得最佳的增益匹配。在增益匹配时，从LNA输入端匹配网络往信号源看去的阻抗，是LNA输入阻抗的共轭负数。针对最大增益阻抗匹配与最小噪声阻抗匹配，在图3.9中，ADS均给出了相应的的阻抗值：图3.9阻抗匹配相关信息采用ADS中自带的匹配工具SmithChartUtility分别对以上两种情况进行共轭匹配，分别得到了ADL5521最小噪声电路与最大增益电路。但是，仅通过一次匹配出来的值并不能满足设计需求，为了达到设计指标，利用ADS中的Optimization控件对图3.10中的电路传输参数[31]和噪声系数进行优化，分别使用随机算法与梯度算法优化。优化后再利用Tuning控件调节各个电容电感的值，使电路达到最佳状态。图3.10低噪声放大器优化指标优化调整后，最大增益匹配的指标与匹配前并无明显差距，根据S3P文件可知增益已基23 南京邮电大学专业学位硕士研究生学位论文第三章模拟前端放大部分设计本达到了芯片自身的最大指标，而最小噪声系数匹配后，增益有所下降，为19.533dB，噪声系数也下降到0.940dB。图3.11LNA优化后的S参数及噪声系数根据式（3.10），放大链路的噪声主要由第一级LNA决定，所以将最小噪声匹配电路作为链路的第一级，两级LNA的原理图如3.12所示。以第一级LNA为例，电容C4为电源的去耦电容，电感L1、L2、L5及电容C1为输入阻抗匹配电路，电感L3、L4及电容C2、C3为输出阻抗匹配电路，电阻R1用来调节供电电流，同时R1的值间接的与供电电流成比例（R1增加，电流减小）。5V供电时，输入功率超过输入压缩点大约7dBm，串联一个电阻R2，该电阻的功率等级要高（0.2w以上），链接在VPOS线路上，防止输入功率过载。AD公司推荐使用日商进工业8.2欧姆阻值的电阻，经过仿真调谐，电路选取了80Ω电阻，在这种情况下，可将R1的阻值从1KΩ降低到600Ω，来保持供电电流在60mA左右。AD公司针对ADL5521提供了评估版，具有0.9dB的噪声系数，本次仿真实验与其基本相同。图3.12低噪声放大器原理图24 南京邮电大学专业学位硕士研究生学位论文第三章模拟前端放大部分设计经过多版PCB的制作测试，最终得到的LNA实物入下，图3.13中左侧为LNA内部结构，包括两级LNA、两级滤波以及电源模块；右侧为加上自制屏蔽盒的效果。图3.13低噪声放大器模块3.3可变增益放大器设计根据本章第一节放大链路设计的介绍，第三级放大模块选择了AD公司的AD8367作为该模块的核心芯片。AD8367是AD公司推出的一款高性能线性可变增益单端中频放大器，它[32]使用AD公司先进的X-AMP结构，在频率范围、平坦度、精确性上具有优异特性。由于在片上集成了律方根检波器，因此，它也是全球首枚可以实现单片闭环AGC的VGA的芯片。该芯片带有可控制线性增益的高性能45dB可变增益放大器，可变增益范围宽从-2.5dB到+42.5dB，3dB带宽为500MHz，可以通过外部电容将工作频率扩展到任意低频，支持2.7V到5.5V单电源供电，输入阻抗为200Ω输出阻抗为50Ω。图3.14AD8367内部结构25 南京邮电大学专业学位硕士研究生学位论文第三章模拟前端放大部分设计AD8367的功能框图如图3.14所示，该芯片主要由可变衰减器、固定增益放大器和律方根检波器组成。输入被应用于一个9阶，200Ω电阻的阶梯型网络。每一级的衰减量为5dB，合计衰减量45dB。拥有最大增益时，选择第一个抽头；逐渐减小增益时，抽头平滑、持续的增加其衰减值。衰减器后跟着一个42.5dB的固定增益反馈放大器，其基本组成是一个有100GHzGBW(增益带宽积)的运算放大器。增益控制输入以20mV/dB比例缩放，可从50mV增加至950mV。这就相当于选择增益增加模式时增益从−2.5dB升至+42.5dB，或者当选择增益下降模式时增益从+42.5dB降至-2.5dB。它在大于40dB的增益控制范围内，工作频率为400MHz时可提供优于±1dB的线性误差。AD8367可以用作通用VGA放大器或用作AGC放大器，根据2.2节与3.1节的分析，本放大链路需要获得足够大的增益来驱动后端ADC电路，所以应用了AD8367高增益的特点，采用了它作为通用VGA放大器的功能。由图3.15、3.16可知，AD8367在400MHz频点附近可以达到40dB以上的增益，而噪声随着增益的增高降低，在最大增益处取得最小值，增益最大时有最小的噪声系数7.5dB，符合链路设计需求。图3.15AD8367增益与频率的关系26 南京邮电大学专业学位硕士研究生学位论文第三章模拟前端放大部分设计图3.16AD8367噪声与频率的关系AD8367采用TSSOP-14封装,各管脚功能定义如表3.2所示。表3.2AD8367管脚功能定义引脚符号功能描述1.7.14ICOM信号公用，接地2ENBL高电平使能芯片3INPT输入，阻抗200Ω4MODE增益趋势控制，高电平为正斜率，低电平为负斜率5GAIN增益控制电压输入6DETO检波器输出，为RSSI功能和AGC控制提供输出电流8OCOM电源公用，接地9DECL输出环路耦合10VOUT信号输出11VPSO电源，2.7v到5.5v。12VPSI电源13HPFL高通滤波引脚下面根据表3.2对VGA模块进行详细设计。（1）增益控制芯片通过ENBL管脚使能，通过MODE管脚控制增益的斜率，高电平为正增益，低电平为负增益，本模块中选用了正增益。MODE管脚上的增益控制电压Vgain（V）增加时，正增益理想线性增益传递函数为：GaindB50VGAIN5（3.11）式中增益缩放因子为50dB/V(20mV/dB)，Vgain的范围是从50mV至950mV,故增益范围是−2.5dB至+42.5dB，电路中将MODE管脚拉高，并采用了图3.17中的可变电阻来调节分配到GAIN管脚的电压，以在实验时更方便的调节增益。27 南京邮电大学专业学位硕士研究生学位论文第三章模拟前端放大部分设计图3.17增益控制部分电路设计（2）输入输出接口AD8367在阻抗200Ω的系统中运行最佳，这是由梯形电阻网络所决定的。芯片的增益范围，线性规律，噪声，失真都是在假设200Ω源的负载阻抗条件下得出的。在输入输出端口都应当接图3.18所示的电阻耦合网络以及交流耦合电容。图3.18输入输出匹配电路设计（3）增益偏移控制为了最大限度的增加AD8367的交流输出振幅，输出电平需设置在地和电源间的中心。通过在DECL引脚接一分流电容旁路到地时可以达到这一目的。该电容用于改变信道的高通角频率并且与偏移控制回路相连接以消除信道内直流平衡的固有变化，即增益的偏移波纹。28 南京邮电大学专业学位硕士研究生学位论文第三章模拟前端放大部分设计AD8367数据手册中推荐这一频率应选择低于信号最低频率分量1/10的频率。AD8367内部网络可提供一个500kHz的缺省高通截止频率，其他频率通过式（3.12）计算。10fkHzCHPnF002.（3.12）本课题采用的最低频率为400MHz，根据式（3.12）得到400kHz截止频率的CHP=5pF，电路如图3.19所示。图3.19增益偏移电路设计根据数据手册完成上述外围电路设计，再加上电源退偶、滤波电路，完成的VGA模块原理电路见图3.20，加工后PCB电路见图3.21。图3.20可变增益放大器原理图29 南京邮电大学专业学位硕士研究生学位论文第三章模拟前端放大部分设计图3.21可变增益放大器模块电路中包含了AD8367构成的VGA模块与AD8347构成的一混频模块（混频功能本文未介绍），图3.22显示了完整的放大链路测试效果：图3.22放大链路整体测试测试中由于天线距离很近，VGA选择了-2.5dB增益的档位。图中参考电平为-40dBm，纵30 南京邮电大学专业学位硕士研究生学位论文第三章模拟前端放大部分设计轴增益为10dB/div，横轴频率为5MHz/div，扫频带宽为50MHz，中心频率为400MHz。可见两级LNA放大略低于40dB，能够满足系统需求。3.4本章小结本章主要设计了气象探空通信接收机模拟前端的放大部分。首先，分析接收机指标，选择了符合要求的芯片，并对放大链路仿真，验证了方案的可行性。其次，根据所选芯片的具体参数，仿真、设计了相应的低噪声放大器与可变增益放大器。最后，制作了放大链路PCB模块。经测试，制作的PCB模块满足气象探空通信接收机实验需求。31 南京邮电大学专业学位硕士研究生学位论文第四章窄带滤波器设计第四章窄带滤波器设计滤波器是通信工程中最广泛的组成部分，对信号具有频率选择性。随着通信产业的高速发展，频谱资源变的越来越紧张，随之而来，对滤波器的要求也越来越严格。在本气象通信平台的模拟前端设计中包括了天线后的选频滤波器、放大后的镜像抑制滤波器以及混频后的中频滤波器等。本章针对频段为400MHz的选频滤波器，进行了方案分析，测试对比了多种滤波器的效果，并设计了相应的LC窄带滤波器应用于电路中。4.1滤波器设计基本理论4.1.1滤波器性能分析（1）滤波器类型滤波器的分类依据有很多种：根据滤波的功能需求分为低通滤波器、高通滤波器、带通[33]滤波器以及带阻滤波器。根据频率响应特性可以分为巴特沃兹型、切比雪夫型、椭圆型等。巴特沃兹型又称为最大平坦相应型，特点是通带内平滑但矩形系数差，椭圆型特点是过渡带陡峭度较好但通带内具有衰减幅度曲线。按照滤波器器件种类，可以分为有源滤波器与无源滤波器，其中有源滤波器一般用在UHF低端以下的频段，而高频段的滤波器常用无源滤波器。按照滤波器实现的载体，可以分为LC滤波器、微带滤波器、陶瓷滤波器、腔体滤波器等。其中微带滤波器属于分布参数滤波器，多用与UHF以上的频段，而LC滤波器属于集中参数滤波器一般用于VHF以下的频段。（2）滤波器性能指标系统中设计滤波器时考虑的主要技术指标有：通带带宽（Bandwidth）：滤波器的带宽通常指通带衰减3dB时的带宽，在部分应用中也可以选择1dB或0dB带宽进行设计。一般情况下，当滤波器的通带带宽小于中心频率5%时，该滤波器称为窄带滤波器。插入损耗（InsertionLoss）：因为实际滤波器不可能是理想器件，所以信号在经过滤波器时会有一定的功率损失，以滤波器波源资用功率与输出功率的比值来反映该损耗。其数学表达式为：PAILdB10logPL（4.1）32 南京邮电大学专业学位硕士研究生学位论文第四章窄带滤波器设计式中：PL为向负载输出的功率，PA为输入滤波器的功率。品质因数（QualityFactor）：品质因数的定义为在谐振频点时，平均储能与每周期损耗能量的比值。Q值反映了滤波器的带宽，Q值越大，带宽越窄。矩形系数（ShapeFactor）：该参数描述了滤波器在通带与阻带之间的陡峭程度，是反映滤波器选择性能好坏的重要指标。一般定义为60dB带宽与3dB带宽的比值，在工程应用中根据应用不同，也可以选择不同的标准计算。（3）设计指标为了达到实验阶段的应用，满足实验室通信的需求，依照上述分析，对滤波器的设计提出了一定的指标要求，包括：中心频率为403MHz，3dB带宽为6MHz，插入损耗小于-2dB，距中心频点10MHz处的衰减应达到20dB。4.1.2滤波器类型选择根据2.1.1节介绍的气象频率划分情况，气象探空在400MHz频段可以使用的频率为399.99MHz—406.1MHz，试验阶段可以选择该频段内的任意频点作为工作频率。针对此频段，所要设计的滤波器中心频率为403MHz，3dB带宽为6MHz，通带带宽为中心频率的1.5%。气象探空通信中的滤波器毫无疑问属于窄带带通滤波器，由于接收到的信号强度并非十分微弱，所以可以将带通滤波器放置在LNA前端，完成选频功能。400MHz频率位于VHF的低端，有多种实现方式可供选择。若使用分布参数微带线设计滤波器，可以获得比较好的频率特性，但是400MHz对应的波长λ=0.75m，四分之一波长为18.75cm，制作的滤波器PCB面积将会很大，对接收平台的小型化、便携性有很大制约，实用价值较低。使用集中参数LC元件设计滤波器，成本低廉，设计周期短，便于集成。但是LC滤波器的Q值较低，相对带宽难以做的很窄，一般大于3%。若通过增加阶数来降低带宽会带来较高的插入损耗。所以LC窄带滤波器制作时，需要品质优良的高Q值电感。采用腔体结构设计滤波器，由于腔体结构的谐振单元全部由机械结构构成，所以它具有[34]很高的Q值，相对带宽可以小于1%，十分适合窄带应用。但是与微带线实现相似，腔体滤波器空气介质的四分之一波长短路谐振腔体积十分庞大，需要使用螺旋腔滤波器或同轴腔滤波器，此类滤波器的成本十分高昂，不太适合在测试阶段使用。另外声表面（SAW，SurfaceAcousticWave）滤波器也存在同样的问题。目前，村田公司的SAW滤波器可以达到优秀的指标，但是针对特别应用的开模费用较多。33 南京邮电大学专业学位硕士研究生学位论文第四章窄带滤波器设计通过上述多种方案介绍与分析，决定选用LC滤波器为气象探空数据接收平台实验阶段的方案，以较低的成本与较快的开发周期来实现接收机原型机的研发。同时测试市场上可以直接购买的SAW滤波器与螺旋腔滤波器，对结果进行综合对比。4.2窄带LC滤波器设计与仿真4.2.1窄带LC滤波器设计滤波器的设计通常根据滤波器设计指标，利用归一化低通滤波器的元件值来进行设计，其中截止频率为1/（2π）Hz≈0.159Hz，特征阻抗为1Ω。设计方法有定K型与m推演型，带通滤波器的设计一般先由定K型算法设计出通带带宽等于带通滤波器带宽的低通滤波器，再经过低通到带通的转换，将低通滤波器变成带通滤波器。[35]适合于LC窄带滤波器应用的结构为电容耦合谐振器式的带通滤波器。电容耦合谐振器式带通滤波器由N个谐振器与N-1个耦合元件组成，其基本结构如图4.1所示：谐振在BPF中心频率上的LC谐振电路K12K23图x电容耦合谐振式滤波器基本结构综合考虑带宽、插损、延迟等因素，选择了7阶归一化低通滤波器作为设计原型，其结果如图4.2所示，分别有以串联元件开始的模型和以并联元件开始的模型。1.0H2.0H2.0H1.0H2.0H2.0H2.0H2.0F2.0F2.0F1.0F2.0F2.0F1.0F图x7阶归一化低通滤波器原型7阶BPF有7个基本参数：g1，g2…g7，这些参数的值等于归一化低通滤波器原型中元件的值：g1=1，g2=2，g3=2，g4=2，g5=2，g6=2，g7=1。首先，根据已知的基本参数，通过式（4.2）：34 南京邮电大学专业学位硕士研究生学位论文第四章窄带滤波器设计1kn1n,ggn1n（4.2）111k12，k23k34k45k56，k67可以求得6个归一化耦合系数k12，k23，…，k67分别为：222而实际BPF中的耦合系数K12，K23，…，K67则由已知的归一化耦合系数通过式（4.3）计算：fkn1n,Kn1n,f0（4.3）式中：f0为BPF的几何中心频率，f6MHz，即BPF的通带带宽。f0的值通过下面的式（4.4）与式（4.5）求得。f40362/400MHzLf40362/406MHzH（4.4）fff402988MHz.0LH（4.5）带入式（4.3）中，计算得出：K12=K67=0.0105，K23=K34=K45=K56=0.00745。其次计算谐振单元。在计算谐振单元时，可以先固定谐振电感Lresonator的值，来计算相应电容值。在这里选择的Lresonator=1nH，谐振电容Cresonator可由下式计算。1Cresonator22f0Lresonator（4.6）通过所选用谐振电路的元器件值，可以计算得到滤波器输入输出端口的特征阻抗，计算公式见式（4.7）：22fLg01resonatorZINf22fL07resonatorgZOUTf（4.7）计算得Cresonator=156pF，ZIN=ZOUT=170.1Ω。此时可以获得结果如图4.3所示的BPF。170.1ΩFFFFFFFppppppp4H2H2H2H2H2H4H170.1Ω.4n1K12.3n1K23.3n1K34.3n1K45.3n1K56.3n1K67.4n1555555511111110.2940.2940.2940.2940.2940.294图4.3耦合、匹配前原理图此时的电路中仅包含了耦合系数，需要将K12，K23，…，K67转换为耦合电容，转换公式为：35 南京邮电大学专业学位硕士研究生学位论文第四章窄带滤波器设计CKCn1n,,n1nresonator（4.8）计算后得到6个耦合电容的值：C12，C23，...，C67，但是电路中加入这些电容后，会改变谐振电路的谐振频率，接下来要将谐振器中的电容值调整，使它们的谐振频率回到设计值f0上，调整的过程由式（4.9）的计算实现。CCC1resonator12CCCC2resonator1223CCCC3resonator2334CCCC4resonator3445CCCC5resonator4556CCCC6resonator5667CCC76resonator7（4.9）最后，将目前滤波器的输入输出阻抗匹配到设计指标的50Ω阻抗上。匹配的方法有多种，包括先通过变压器匹配在进行诺顿变换，电感抽头匹配，特征阻抗比值匹配等。因为诺顿变换与抽头匹配均会引入更多的元件，所以此处选择了特征阻抗比值匹配。利用式（4.10）求得两个特征阻抗的比值K：50K0294.ZINOUT/（4.10）用电容除以K的值，电感乘以K的值，得到最终的滤波器电路如图4.4所示：50Ω1.638pF1.162pF1.162pF1.162pF1.162pF1.638pFFpHnFHFHFHFHFHFH2.49p1n4p1n4p1n4p1n4p1n4p2n450Ω522..192.192.192.192.192.5925025.025.025.025.025.025.0图4.4400MHz窄带滤波器器电路图4.2.2窄带LC滤波器仿真此时的元件值仍为非标称，无法在实际电路中获得这样的电容电感，需要对电路进行优化。优化的方案与LNA的仿真一样，该窄带滤波器的优化也依靠ADS完成。在ADS中添加Optimization控件对滤波器的频率特性进行优化，先使用随机算法优化，当BPF频率特性无改善时，再采用梯度算法进一步优化，优化的参数指标如图4.5所示：36 南京邮电大学专业学位硕士研究生学位论文第四章窄带滤波器设计图4.5滤波器特性优化指标优化后元器件的值仍然非整备值，应用Tuning空间进行进一步调整。首先，对每个元件进行调整（耦合电容设置为VAR参数），查看当每个元件改变后对BPF整体特性的影响，记录每个元件能够容忍的工差范围。其次，以谐振器为单位进行调整，记录谐振器间调整时的相互影响。最后，考虑到电感可以自己制作，调整空间较大，所以将优化后电容值取实际应用中的常用值，对电感的值进行调整。由于测试数据较多，没有一一列出。经过优化、调整后得到的电路以及频率特性的仿真如图4.6、4.7所示：图4.6优化后滤波器电路图图4.7窄带滤波器频率特性37 南京邮电大学专业学位硕士研究生学位论文第四章窄带滤波器设计根据仿真结果可以看出，通带内的衰减很小，这是由于理想元件造成的；矩形系数良好，带外衰减较快；在350MHz处有谐振现象，基本能够满足应用要求。4.3窄带滤波器测试4.3.1LC窄带滤波器测试依照仿真后的LC带通滤波器电路，制作了多版PCB实物，加工时将LC滤波器与放大链路集成在一块板上，实物如下图所示：图4.8窄带滤波器实物图经过频谱分析仪扫频测试，该LC窄带滤波器的频率特性如下图所示：图4.9窄带滤波器频率特性测量结果图中，中心频率为403MHz，扫描带宽为20MHz（393MHz—413MHz），横轴刻度为2MHz/div，参考电平为0dB，纵轴刻度为3dB/div。可见，中心处插损为1.66dB，3dB带宽约38 南京邮电大学专业学位硕士研究生学位论文第四章窄带滤波器设计为6MHz，在频率偏移10MHz处，衰减约为15dB。该窄带LC滤波器虽然带外抑制有所欠缺，但是在本气象探空通信平台测试过程中影响较小，其特性已经基本达到了气象探空平台的实验要求。4.4本章小结本章主要设计了气象探空通信接收机模拟前端中的选频滤波器。首先，简要介绍了滤波器的种类与设计参数，选择了LC结构为气象探空接收机的滤波器结构。其次，采用电容耦合谐振器式的带通滤波器的设计方法针对本次实验所需的滤波器进行了设计与仿真。最后，制作了相应的选频滤波器PCB模块。经测试，该滤波器模块满足气象探空通信接收机实验需求。39 南京邮电大学专业学位硕士研究生学位论文第五章数字处理终端软件设计第五章数字处理终端软件设计5.1终端软件总体设计终端软件设计的主要目的是测试信号体制的可行性，实现数字端的收发通信，为后续数字部分与模拟前端的联调打下基础，设计主要针对数据接收平台，为了配合测试，发射端也不可或缺。根据第二章的方案分析，设计时选择了GPP通用处理器平台的硬件架构平台，从数模转换部分开始，在基于X86架构的PC以及NI公司PXI设备上，实现后续的数字信号处理过程。由于Matlab对通信信道仿真的良好支持，其中包含量大量通信类封装库与许多方法，为仿真设计提供了极大便利；并且Matlab同样拥有比较友好的GUI设计模块，所以选取了Matlab2010b为本课题的实验环境。为了实现完整的链路通信，分别设计实现了发射与接收终端软件，基本链路流程见图5.1所示，与一般通信系统相同，都包括了编码、调制、解调等基本步骤。下面分别就发射终端、接收终端平台进行简要介绍。发信端报文转比特信道编码调制数字上变频信道传输收信端比特字库转换译码解调同步检测抽取数字下变频图5.1通信链路信号基本流程5.1.1发射端设计发射端功能模块从信息输入到数模转换输出，包括了同步头产生、编码、调制、DAC等功能模块。具体功能流程如图5.2所示：信源转码二进制信源处理编码生成基带复数信在前端插入调制交织号（IQ信号）同步序列乘以本地复载波输出Exp（j*2*pi*fc）DAC（上变频）模拟前端图5.2发射端信号流程40 南京邮电大学专业学位硕士研究生学位论文第五章数字处理终端软件设计信源的信息为键盘输入，内容包括中文、英文以及符号，输入内容保存为字符串。由于Windows系统的代码页（CodePage）只支持单字节和双字节编码，所以编程时选择了《汉字内码扩展规范》（GBK字库）来进行转码工作。根据其代码页“CP936”标准将字符串换为二进制码，每个汉字字符为16bit，英文字符为8bit。信息转化为二进制后，为了接收同步的方便，需要固定信息序列的长度。二进制序列长度可以是任意的，在试验中将长度规定为384位，即24个汉字字符。在字符串转码后，要对二进制序列长度进行判断：超过384位的部分将被舍弃，并提出警告；少于384位的信息序列将用空格或其他符号补齐为384位。信息序列通过编码后，在信息序列的前后，需要补充前、后保护位与为随机序列，最终形成完整的信号序列。交织、调制等步骤将在后续章节介绍。5.1.2接收端设计接收终端从ADC开始到信息解码后显示，包括了同步、下变频、解调、解码等模块。接收端的流程图见图5.3：Exp（-j*2*pi*fc）乘以本地复载波中频信号ADC采样抽取同步头检测（下变频）信息转码解码解调提取信息图5.3接收端信号流程ADC模块与DAC模块一样，在GPP端是通过声卡完成的，实验用电脑的声卡为IDTHighDefinitionAudioCODEC，采样率最高支持96KHz。根据奈奎斯特（Nyquist）采样定理，信号最高频率fmax与采样频率fs之间的关系为：f2fsmax（5.1）[36]在实际应用中，一般不会选择Nyquist率，fs=fmax时恢复的信号往往会失真，所以一般实际选取采样速率高于2fmax，比如4fmax、8fmax等，即过采样。本课题中，将传输速率初始值设为8KHz，采样频率为32KHz，即4fmax，这些参数在面向对象的环境下很容易修改，可以设定为通信系统允许的任意值。41 南京邮电大学专业学位硕士研究生学位论文第五章数字处理终端软件设计在发射端，调制过程中带有了对每个bit的采样，相当于插值，抽取过程本应与解调相对应。但在应用中，必须在码元完全同步的情况下才能解调出正确的信息，所以将抽取步骤放在同步前完成。抽取时不仅需要记录每个样点的值，同时也要记录样点的采样时间点，同步过程将以此时间点为基准进行同步。5.2信号体制设计5.2.1调制解调方式设计数字调制一般利用数字信号的离散取值特性通过开关通断控制载波，来对载波的振幅、频率以及相位进行键控。传统的数字调制方式有振幅键控（ASK）、频移键控（FSK）和相移[37]键控（PSK）三种。目前气象探空设备中，大多采用CPFSK的调制方式，他虽然改善了FSK相位不连续的缺点，但是频谱的利用依旧较低。为了获得更好的带通传输质量，人们对基本的数字调制体制不断改进，已经提出了多种新型的调制方式，包括正交振幅调制（QAM）、最小频移键控（MSK，MinimunSiftKeying）等。这些新的调制方式各有所长，在不同的应用中有着不同的优势。其中，最小频移键控是2FSK的一种改进，属于CPFSK的一种，它是一种包络恒定、相位连续、带宽最小并且严格正交的2FSK信号。由于恒定的包络可以使得发射端功放的非线性影响得到改善，从而提升通信系统性能，并且窄带的特性十分符合气象探空通信的需求，所以在本气象通信系统中采用了MSK作为信号的调制解调方式。（1）MSK基本介绍[38]MSK信号码元的表达式为：aksMSKtcoscttk,kTstk1Tks,01,,...2Ts（5.2）式中，ωc=2πfc为载波角频率，TS为码元宽度，ak为第k个输入的码元，φk为第k个码元的初始相位，φk在时间kTS≤t≤（k+1）T中保持不变，它的作用是保证在t=kTS时刻码元间的相位连续，码元的取值为±1。令式中：akkttk,kTstk1Ts2Ts（5.3）42 南京邮电大学专业学位硕士研究生学位论文第五章数字处理终端软件设计则式（5.2）可以表示为：sMSKtcosctkt（5.4）其中kt称为附加相位函数。当ak取不同值时，MSK信号的两个频率分别为：1ff1c4Ts（5.5）1ff0c4Ts（5.6）中心频率fc应选为：m1fNc4Ts（5.7）式中N为正整数，m取值为0,1,2,3。该式表明，MSK信号中，在每个码元持续时间内包含的波形周期数必须是1/4载波周期的整数倍，因此可知信号频率间隔为：1fff102Ts（5.8）调制指数为：hfT05.s（5.9）即最小调制指数。MSK信号相位的连续性指前一码元结束时的相位等于后一码元开始时的相位，对相位的约束条件为:aak1kk1kk1ak1akk12kaak1kk1（5.10）式中，若取Φk的初始惨开始为0时，可知：k02或mod（5.11）式（5.10）反映出了MSK信号前后码元间相位的关系：第k个码元的相位Φk不仅与当前输入ak有关，同时也与前一码元ak-1以及前一码元相位Φk-1有关。（2）高斯最小频移键控为了更好的适应气象通信的要求，进一步提高频谱利用率，实际程序中采用的是高斯最小频移键控（GaussianMSK,GMSK）。GMSK与70年代由日本人发明，原理为将MSK信号[37]通过一高斯低通滤波器，滤除部分高频分量，使矩形码元信号变得圆滑。此高斯低通滤波43 南京邮电大学专业学位硕士研究生学位论文第五章数字处理终端软件设计器的频率特性为：ln2f2-2BHf=e（5.12）式中，B为3dB带宽。对式（5.12）作傅立叶逆变换可得滤波器的冲击响应：t2ht=e（5.13）其中ln2105887.=2BB（5.14）高斯滤波器实现中比较重要的参数为BTs：滤波器3dB带宽与码元周期的关系。BTs的选值越小，滤波的效果就越好，带来的问题是码间串扰就越严重。工程中该值一般选择0.3—0.5，在本程序中选择了BTs=0.5。（3）MSK的实现与测试[41]在Matlab中可以用y=mskmod（x，nsamp）实现信号的MSK正交调制，其中x为输入的信号码元序列，nsamp为每符号采样点数，y为已调信号；与之对应的y=mskmod（x，nsamp）函数则实现MSK解调。高斯低通滤波器由Gaussian_WX(MskModSignal,fs)函数实现。测试的方案如图5.4所示：y1=mskmod（x，n）y2=mskdemod（x，n）随机序列MSK调制高斯滤波MSK解调X=randint（1,1000）全0序列相减图5.4MSK调制解调Matlab测试方案生成1000比特随机序列x，经过MSK调制后得到已调信号y1，再经过高斯滤波和MSK解调得到序列y2，此时用原始数据x减去解调数据y2，如果结果为全0序列，说明MSK调制解调工作正常。经过测试实验，得到了全为0的序列，证明了方案的正确性，其中MSK调制后经过高斯滤波器的复包络波形如图5.5所示：44 南京邮电大学专业学位硕士研究生学位论文第五章数字处理终端软件设计图5.5GMSK复包络波形通过AWGN信道，接收到GMSK与MSK信号的频谱如图5.6所示，对比可发现，GMSK的功率谱密度更加集中，几乎全部集中在主瓣。图5.6GMSK与MSK接收信号功率谱对比GMSK调制信号与本地副载波数字上变频后的波形如图5.7所示，图中为截取了信息中任意起始位置的连续500个采样值。图5.7GMSK信号与本地载波调制后波形45 南京邮电大学专业学位硕士研究生学位论文第五章数字处理终端软件设计5.2.2信道编码（1）信道编码简介在设计数字通信系统时，为了克服加性干扰带来的影响，不仅需要选择合适的调制制度和解调方法，还应当利用差错控制措施，降低误码率，达到系统要求指标。根据加性干扰引起错码的分布规律，可以把信道分为随机信道（RandomChannel）、突发信道（BurstChannel）以及混合信道（MixedChannel）三类。在随机信道中，错码是随机出现的，这种错码一般由正态分布的白噪声引起。在突发信道中，错码是大量集中出现的，这种错码一般由脉冲干扰产生。混合信道包含了上述两种信道的干扰源，既存在随机错码也存在突发错码。气象通信信道在实际工作中即为混合信道，白噪声与热噪声产生随机错码，各种天气因素比如阵风、闪电等引起突发错码。差错控制编码技术的主要方法有：检错重发（ErrorDetectionandRetransmission）、前向纠错（FEC,ForwardErrorCorrection）、反馈效验（FeedbackandCheckout）和检错删除（deletion）四种。除了前向纠错方法外，其他三种都需要利用反向信道通知发送端，实现重发功能，而气象探空设备为一次性设备，为单工通信，所以在本课题中必须选用适合前向纠错技术的编码方式。编码方式种类繁多，目前广泛使用的有线性分组码和卷积码两大类。线性分组码是按照一组线性方程构成的，产生的码组完全取决于当前输入的比特。分组码中一种重要的码称为循环码，特性为任意码组循环一位得到的新码仍为该码中的码组，代表码型为BCH码。BCH码能够纠正多个错误码字，能够克服突发干扰，特别适用存在突发错误的信道。BCH码的代表为RS码，为多进制纠错码，适合多进制调制场合。[39]卷积码（ConvolutionalCode）是由P.Elias发明的一种非分组码，与线性分组码不同，其特性为监督码元不仅与当前信息位有关，同时与先前的信息段有关。卷积码运算简单，主要克服随机错误产生的码字，适用于前向纠错，在许多实际工程应用中性能优于分组码。本课题中选用卷积码进行编码。（2）卷积码编码卷积码与分组码一样，将k比特的信息码元编成n比特的码组，但是与分组码不同的是，监督码元不仅与当前k比特信息有关，并且同时跟之前的m=（N-1）个信息段有关。所以，在一个码组中的监督码元监督着N个信息段。将N称为编码约束度，nN称为编码约束长度，卷积码表示为（n，k，N），码率定义为k/n。卷积码的编码器主要包括Nk级移存器、n个模二加法器以及一个选择开关，主要结构见46 南京邮电大学专业学位硕士研究生学位论文第五章数字处理终端软件设计图5.8：输入比特1...K1...K...1...K移存器模二加法器…12n…输出比特图5.8卷积码编码器基本结构种对卷积码描述的方式称为多项式描述（PolynomialDescription），每个模二加法器的输入均构成一特征多项式。信息序列按时间划分，等时隙的进入移存器，每个时隙进入k比特，之前的k比特信息被推送至下一级移存器，根据各个模二加的输入，运算即可得到输出比特，共n比特的编码，在工程中一般n、k均选择比较小的整数。（3）卷积码解码卷积码解码分为代数解码和概率解码，包括了大数逻辑解码、最大似然解码及维特比解码等方法。其中维特比（Viterbi）算法是目前主要使用的解码方法，它在编码约束度较短的情况下，相较其他解码方式有着更高的效率和更快的速度。维特比算法的解码是基于卷积码的几何表述，一般利用网格图（trellisdiagram）分析路径。维特比算法的基本思想是将接收到的码元序列与网格图中的路径一一对比，其中汉明距离最N小的序列被认为是发送信号序列。维特比算法的复杂度与编码约束度相关，以2指数增长。维特比译码的判决方式分为硬判决与软判决。所谓硬判决，是送入译码器作为译码用的每个码元只取0或1两个值，这种判决会损失一定的信息，但是计算简单，适合二进制信道。软判决指在信息输入译码器前，先会对码元抽样进行量化，这使软判决与硬判决相比可以获得额外2—3dB的增益，也更适合多进制信道。（4）编解码的Matlab实现试验中选择了编码结构如图5.9所示的（2,1,7）卷积码进行编码，每一位信息输入该编码器，将得到2比特的输出，码率为1/2，编码约束度为7，这种卷积码通过计算机搜索得到，纠错性能良好，实现复杂度适中，被广泛应用在工程中。47 南京邮电大学专业学位硕士研究生学位论文第五章数字处理终端软件设计FIRSTOUTPUTy11111001INPUT-1-1-1-1-1-1ZZZZZZx1011011SECONDOUTPUTy2图5.9（2,1,7）卷积码编码器结构根据抽头得知该图描述的卷积码的特征多项式为：1236yx6Zx5Zx4Zx3Zx01out（5.15）2356yx6Zx4Zx3Zx1Zx02out（5.16）-1式中Z为单位延时，多项式系数的二进制为（1111001）和（1011011），在MATLAB系统中，一般转换为8进制使用，即[171133]。针对维特比解码，Matlab中提供方法将生成多项式描述转换为网格描述，这里选择了poly2trellis函数转换，运行程序后，Matlab将会存储相应网格表trel，信息码元序列与网格表的卷积即为编码序列，网格表信息如图5.10所示：图5.10网格表生成函数编译信息N-1可见最大状态为2=64种，每种状态有接收到0或1两种可能，每一比特输入最多将产生128条链路。在工程应用中，如果解码器记录下所有这些路径进行对比，则译码器会面临巨大的存储量导致难以实用。因此引入了回溯（TraceBack）的概念：将在网格图中发散的路径进行度量，选取每个时间节点处汉明距离最小的状态，当达到一定的回溯深度后，幸存路径（SurvivingPath）会收敛为一条，这一条路径即为译码路径。一般情况下选回溯深度为编码约束度的5—10倍，本设计选用的回溯深度为42。48 南京邮电大学专业学位硕士研究生学位论文第五章数字处理终端软件设计Matlab中提供了卷积码的编码函数convenc和对应的Viterbi译码函数vitdec，可以快速得到编译码结果[42]。试验中，字符信息在经过转码后，得到序列长度为384位的信息码元序列x(n)，使用conv函数将信息序列与网格信息trel卷积，得到768位编码序列y(n)，经过AWGN噪声信道后用vitdec函数硬判决解码，得到解码信息码元序列x(n)，通过使用与MSK调制解’调相同的方法（x(n)-x(n)=0），验证了编解码的正确性。5.2.3交织技术根据上一节的介绍，气象探空信道为混合信道，除了白噪声干扰外，还受到主要由雷电带来的突发干扰，形成多为连续比特的错码。为了纠正这些成串发生的比特差错及一些突发错误，可以运用交织技术来分散这些误差，使长串的比特差错变成分散的差错，从而可以用前向纠错码对其纠错。交织技术对已编码的信号按一定规则重新排列，解交织后突发性错误在时间上被分散，使其类似于独立发生的随机错误，从而前向纠错编码可以有效的进行纠错。一般来说，对数据进行传输时，在发端先对数据进行FEC编码，然后再进行交织处理。在接收端处理次序和发端相反，先做解交织处理完成误差分散，再FEC解码实现数据纠错。交织不会增加信道的数据码元。交织的种类有规则交织、不规则交织和随机交织。包括的方法有矩阵交织、对角交织、螺旋交织等。写入n列12……nn+1n+22n出读m行………………(m-1)n(m-1)n……mn+1+2图5.11行入列出交织矩阵考虑到探空设备发送速率，与解交织的速率，选择了图5.11所示的简单规则矩阵交织，交织矩阵共m=60行，每行存放n=16个比特信息，总共可以存放960位信息码元。输出时，将矩阵转置，按行输出即可。49 南京邮电大学专业学位硕士研究生学位论文第五章数字处理终端软件设计5.3同步检测数据抽取完之后，为了对抽取之后的信息进行解码，必须首先要确定信息的位置，所以必须在信息前面加上导引信息，即在信息码前插入同步码，本节介绍了利用m序列的伪随机序列同步与巴克码的帧同步。5.3.1伪随机序列一般而言，通信系统中的随机噪声会给信息带来干扰，但是在一些特殊的情况下，又需要利用随机噪声的特性，如克服多径干扰实现有效和可靠的保密信息传输。在实际扩频通信[40]中用到了有周期的伪随机序列（PseudorandomSequence）作为扩频码。伪随机序列具有类似于随机噪声的特性，同时又能够重复产生。产生扩频码中应用最广的是m序列、Gold序列，其它还有、截短m序列、M序列以及L序列和霍尔序列等。本系统中采用了m序列。m序列全称为最长线性反馈移位寄存器序列。它是通过线性移位寄存器产生周期最长的n序列，n级的线性移位寄存器产生的序列周期最长为2-1（排除全0状态），图5.12为一般线性反馈寄存器原理：C0=1c1c2cn-1Cn=1输出an-1an-2a1a0图5.12线性反馈寄存器基本结构图中，ai为寄存器存储状态，ai=1或0，i为整数，ci为反馈连接状态，ci=1表示有反馈，ci=0表示无连接。反馈线的连接状态不同，移位寄存器得到的序列也就不同。输出an与抽头ci的关系为：nanca1n1ca2n2......cn11acan0cainii1（5.17）根据上式，对于任意码元ak有：nakcaiki()模二i1（5.18）其中抽头系数ci满足方程：50 南京邮电大学专业学位硕士研究生学位论文第五章数字处理终端软件设计n2nifx=c0cx+cx12......cxncxii0（5.19）该式也称为m序列的特征多项式。m序列给出了以下定理：n特征多项式为既约多项式时，序列{ak}具有最长周期p=2-1。n级寄存器的特征多项式f(x)若为既约多项式，则由其产生序列{ak}的周期等于使f(x)能整p除的(x+1)中的最小正整数p。当特征多项式满足上述定理时，便称之为本原多项式（PrimitivePolynomial）。只有以本原多项式为抽头的线性反馈序列才能够产生m序列。接收系统利用到m序列的另一个重要的性质是它的自相关（Autocorrrelation）函数。码组自相关函数的计算，也就是计算两个相同码组相互移位、相乘再求和的过程。已知长度为n的码组x(i)的自相关函数定义为：n1xjxxiijj01,,......,n1ni1（5.20）式中j为移位次数，x(i)的取值为1或-1。可以计算得出，序列长度为n的m序列的自相关函数为：1j=0j1j=1,2,......,n-1n（5.21）可见m序列的自相关值只有1和（1n/）两种取值，j的曲线为一个明显的尖峰，当n的值趋于无穷时，图形近似于冲击函数的形状。5.3.2巴克码与m序列一样，计算可知巴克码（BarkerCode）的自相关函数为：nj=0njRjxxiij=01//10
