A200703-373

基于TS201的通信侦察接收机的设计与实现董健电子科技大学电子工程学院，成都（610054）摘 要：本文基于TS201高速数字信号处理器（DSP）进行数字中频通信侦察接收机的设计，利用DSP超高性能的处理能力以及由FPGA支持的高速接口数据交换能力，实现了通用的通信侦察信号接收处理平台。

基于该接收机进行通信侦察中的信号搜索及调制识别功能的开发，试验结果表明能达到信号实时处理和快速准确识别的目标。

该侦察接收机还具有灵活性和可扩展性，满足通信侦察高性能、多任务的需求。

关键词：通信侦察，数字中频接收机，软件无线电，TS2011.引言通信侦察[1]是实现电磁信号环境监测与管理以及军事情报截获的重要手段，其主要任务是对通信信号进行搜索、截获、测量、分析、识别、监视以及对辐射源进行测向和定位等。

随着通信技术的发展，无线通信环境日益复杂，信号密度越来越高，占用的电磁频谱越来越宽，特别是以低截获与抗干扰性为主要特征的现代通信技术的广泛应用，给通信侦察提出了更高的要求。

为满足侦察系统对通信信号的超宽带搜索、快速准确的截获识别及实时的同步监听等要求，侦察接收机应具有大容量、高速、实时的数据处理能力。

另外，通信侦察接收机还应具有通用性和可扩展性，以灵活的完成通信侦察中的多项任务。

本文介绍的数字中频通信侦察接收机，基于软件无线电思想，采用ADI公司新一代TigerSHARC系列DSP处理器ADSP-TS201S为主要信号处理器件，配以具有强大可编程功能的FPGA支持其接口进行高速数据交换，构建起一个处理能力强、相对稳定、通用性好的硬件平台。

利用DSP软件编程完成各种通信侦察处理算法，可以在相同的硬件平台上实现智能化的信号搜索、快速准确的信号调制识别等任务。

系统集成度高，体积小而功能强大，结构灵活，具有较强的通用性和可扩展性。

2.侦察接收机的总体设计软件无线电[2]的基本思想是构造一个具有开放性、标准化、模块化的通用硬件平台，将系统各功能用软件来完成，目标是使宽带A/D转换器尽可能靠近天线。

但受目前A/D转换器带宽等器件性能的限制，系统还无法完成对射频的直接采样处理，因此在保留软件无线电通用、开放、灵活特点的前提下，数字化接收机[3]一般采用中频采样的软件无线电结构。

针对通信侦察的具体应用，为满足系统宽带与高分辨率等性能要求，本文提出了如图1所示的系统设计方案。

图1 系统总体设计框图该方案分为模拟接收和中频数字处理两大部分。

模拟接收采用超外差体制，具有较高的灵敏度和动态范围；模拟下变频的本振频率可实现数字编程控制，从而实现灵活的频率扫描功能。

中频数字处理以高性能DSP处理器为核心，充分利用其强大的处理能力和灵活的配置，实现通信侦察信号处理的各种算法。

3.侦察接收机的硬件设计3.1 ADSP-TS201 简介DSP是数字侦察接收机的关键部分，其强大的处理能力和可编程能力，满足了通信侦察数字信号处理系统实时性和通用性的要求。

ADI公司的新一代超高性能DSP处理器ADSP-TS201[3]采用静态超标量结构，且专为大的信号处理任务和通信结构进行了优化，是TigerSHARC系列中性能最优的一款处理器。

TS201每周期能够执行多达4条指令，24个16bit定点运算和6个浮点运算，从而在最高600MHz的时钟速率下，达到每秒48亿次乘加运算（4.8GMACS）和每秒36亿次浮点运算（3.6GFLOPS）的速度。

TS201内部可分成DSP核和I/O接口两部分，这两部分通过四条总线来传送数据、地址和控制信号，其内部结构如图2所示。

图2 TS201的内部结构图DSP核包括程序控制器、数据地址产生器和双运算模块。

程序控制器提供完全可中断的编程模式，支持指令周期流水线；程序控制器带有指令对齐缓冲器（IAB）和分支目标缓冲器（BTB），可预存指令和减小分支跳转延迟。

数据地址产生器包含两个整数算术逻辑单元（IALU），支持位反转和环形缓冲寻址，便于数字信号处理的一些特殊运算。

双运算块可实现SIMD引擎，每周期每个运算块可以执行2条运算指令。

I/O接口主要包括内部存储器、外部设备接口、主机接口、DMA控制器和链路口等。

TS201内部存储器空间为24Mbit SRAM。

外部设备接口通过32bit或64bit的外部总线连接外部存储器和其他外设，提供800MB/s的访问速度。

主机接口使用流水或慢速设备协议，支持外部主机通过主机总线访问TS201所有的内部存储器、通用寄存器和内部资源。

集成SDRAM控制器提供与标准SDRAM的无缝接口，方便和外部SDRAM连接。

14个DMA通道无需处理器的干预即可完成设备间的数据交换。

4个全双工的链路口采用低压差分信号（LVDS）链路口技术，最高可达4Gbps的数据吞吐量。

因此TS20lS非常适合对大数据量、实时性要求高的应用领域。

3.2 硬件设计按照系统总体设计思路，数字中频通信侦察接收机的硬件系统分为模拟接收和数字处理两部分。

模拟接收选用ICOM公司的通用宽频带接收机IC-9000L，其频率接收范围为0.1MHz～1999.8MHz，中频输出中心频率为10.7MHz、带宽8MHz的模拟信号。

另具有可编程控制接口，通过串口连接数字控制器，由控制器编程实现智能化步进扫描。

图3 系统硬件框图中频数字处理部分主要由ADC和DDC构成的数据采集和信号预处理、TS201完成的高速数字信号处理、FPGA实现的系统控制以及I/O模块四部分组成。

其中，ADC采用ADI公司的AD9235，采样率为40MHz ，完成对中频模拟信号的低通采样和对接收机输入动态范围的扩展。

专用DDC 芯片为ADI公司的AD6620，通过系数可编程的数字下变频和滤波处理，从中频输入中选取特定信号搬至低中频并作正交变换以供后续分析和处理之用。

FPGA选用Altera公司CycloneⅡ系列的EP2C50，主要完成系统中各模块间的I/O时序控制、数据缓存和数据交换的功能。

I/O 接口模块包括用于控制模拟接收机的串口、与PC机进行数据交换的USB接口以及对可编程器件进行仿真调试的JTAG口等。

DSP是数字处理部分的核心，对高性能DSP处理器而言其核运算速度已能满足大多数实时处理的需要，但慢速的接口数据交换常常成为系统整体性能的颈瓶。

TS201S提供了外部总线接口和链路口支持宽带数据交换，而系统中的FPGA通过编程实现外总线接口控制器和链路口收发器而支持这两种接口的数据交换。

FPGA通过64位的外部数据总线与DSP连接，采用流水协议，在总线工作频率为100MHz时，可以实现800MB/s的数据传输速度，对于前端即使为最高40MHz的A/D采样频率而言仍能满足采样数据的实时传输需要。

系统中DSP与FPGA之间还通过2个链路口相连，为保证工作可靠，链路口工作频率为DSP核时钟频率的1/4，位宽1bit，这样可提供另外150MB/s的数据吞吐量。

因此，本系统的设计既满足了信号处理的高运算性能又保证了数据的快速交换，整体可达到实时处理的要求。

4. 通信侦察的软件设计有了以DSP 芯片为核心构建的硬件平台，就可以对DSP 编程完成通信侦察的具体功能。

通信侦察的任务是多样的，本文中的通信侦察接收机要完成的任务之一就是对空间信号进行搜索截获并对信号进行调制方式的识别。

信号搜索是通过FPGA内控制器编程改变模拟接收机本振频率实现步进扫描，对接收信号进行能量检测后依据门限判决的结果决定其是否为有用信号来实现的。

当判决某一频点上有信号时就将接收本接收机本振频率固定于对应值上，然后由AD进行信号采集并由DSP进行调制识别，信号搜索及调制识别的算法软件流程如图4示。

图4 信号搜索及调制识别算法流程图信号调制识别提出了很多种方法[4-5]。

基于信号包络、瞬时频率特征进行调制识别，具有计算简单，所需信号较短，适合实时处理的特点，因此适用于该侦察接收机上的实现。

对接收信号()x t 取包络得到： 22ˆ()()(),t x t xt ξ=+ ⑴ 其中ˆ()xt 为信号()x t 的Hilbert变换。

包络的方差与包络均值的平方的比值R为：22222(())(()),(())E t E t R E t σξξµξ−== ⑵ 信号瞬时频率利用短时过零点法或相位差分法得到[6]。

对于不同的调制信号，如模拟调制SSB、DSB、AM、FM信号及数字调制ASK、PSK、FSK、QAM信号，可以证明其R值及瞬时频率变化具有明显不同的特征，因此可以辨别这些信号的调制方式。

5.试验结果通信侦察接收机中频为10.7MHz，以40MHz采样频率采集实际信号，并由DSP作调制识别的运算，得到如图5所示的频率为11.7MHz的AM信号和频率为102.6MHz的FM信号的R值。

可以看到两者R值的明显不同，利用这个R值可以区分实际采集的AM和FM信号。

图5 真实AM/FM信号的R值表1是DSP对ASK、FSK、PSK几种数字调制信号进行调制识别运算的统计结果，试验次数为1000次，每次数据长度为2048点。

在信噪比SNR＝10dB下，信号的正确识别率达96％以上，且调制识别算法的平均处理时间低于500ms。

说明利用该接收机中的DSP能对信号进行快速准确的调制识别，具有实际可行性。

表1 数字调制信号的识别结果6.结束语本文介绍了采用TS201S数字信号处理器的数字中频通信侦察接收机的设计，利用其高性能处理能力及高速接口数据交换能力，实现了应用于通信侦察的通用硬件平台。

该通信侦察接收机在信号搜索及调制识别上的应用达到了信号实时处理和运算快速准确的要求，基于软件无线电思想的开放性硬件架构使其能满足通信侦察灵活的多任务需求。

参考文献[1]朱庆厚. 无线电监测与通信侦察[M]. 北京：人民邮电出版社，2005.10.[2]杨小牛，楼才义，徐建良. 软件无线电原理与应用 [M]. 北京：电子工业出版社，2001.1.[3]ADSP-TS201 TigerSHARC Processor Hardware Reference, Analog Devices Inc.2004.12.[4]NANDI A K, AZZOUZ E E. Modulation recognition using artificial neural network [J]. Signal Processing, 1997, 56(2): 165-175.[5]NANDI A K, AZZOUZ E E. Algorithms for automatic modulation recognition of communication signals [J]. IEEE Transactions on Communications, 1998，46(4)：431-436．[6]CHAN Y T，GADBOIS L G. Identification of the modulation type of a signal [J]．Signal Processing，1989，16(2)：149-154．Design and Implementation of CommunicationReconnoitering Receiver Based on TS201SDong JianSchool of Electronic Engineering, UEST of China, Chengdu (610054)AbstractIn this paper, a design is given for the digital intermediate frequency communication reconnoitering receiver based on TS201 digital signal processor (DSP). Taking advantage of the ultra-high processing performance and the ability of high-speed data exchange supported by FPGA, a general signal receiving and processing system for communication reconnoitering is implemented. The development of signal search and modulation recognition can improve the receiver’s high performance，flexibility and scalability.Keywords: Communication reconnoitering; digital intermediate frequency receiver; software radio; TS201。