线性调频扩频系统调频斜率的分析和设计

的问题。 第一，严格规范基带信号的成型过程，按照统一的公式产生线性调频基带
信号； 第二，在频谱搬移过程中采用对称的频谱搬移方式或者采用偶数次的高低
本振混频方式避免线性调频信号调频斜率方向反相的现象。如果是受到硬件 条件的限制，在传输过称中调频斜率必须要发生变化时，则只能采取不同方式 的匹配滤波器来解决次问题。
１９９６．２：３—６．
［２］杨学昌等．新型基波和谐波电能同时计量电能表［Ｊ］．电工电能新技 术，１９９７，２：４７—５０．
［３］金寿星等．基于ＤｓＰ的谐波电能计量装置的研制［Ｄ］．大连理工大， ２００５：２—３
［４］罗志坤．基于虚拟仪器的谐波电能计量与分析系统的研制［Ｊ］．２００６，
６：２４—２５．
７编译验证 随着逻辑设计复杂性的不断增加，仅靠软件仿真来了解设计系统的硬件 功能已远远不够，而不断需要重复进行的硬件系统的测试也变得更为困难。 嵌入式逻辑分析仪的使用可以将高效的硬件测试手段和传统的系统测试方法 相结合，从而解决这些问题。ｓｉｎｇａｌＴａｐ ＩＩ逻辑分析仪是Ａ１ｔｅｒａ公司 Ｑｕａｒｔｕｓ ＩＩ软件中内嵌的一种调试程序，通过把一段执行逻辑分析功能的代 码和客户的设计组合在一起编译、布局布线，完成传统逻辑分析仪的功能，可 以在调试过程中观察软硬件的交互作用。ｓｉｇｎａｌＴａｐ ＩＩ将逻辑分析模块嵌 入到ＦＰＧＡ中，逻辑分析模块对待测节点的数据进行捕获，数据通过ＪＴＡＧ接口 从ＦＰＧＡ传送到Ｑｕａｒｔｕｓ ＩＩ软件中显示。 在Ｑｕａｒｔｕｓ Ｉ Ｉ软件环境下对上述结论进行了验证，其中符号速率为２． ４ｋｂｐｓ，扩频带宽３０ＫＨｚ，处理时钟２８８ＫＨｚ。分别通过更改发端正交调制载波 相位、更改混频方式的不同情况对接收信号进行匹配处理，正确处理时可以 得到较明显的相关峰信号，如图４第３、第６行显示，否则不能得到明显的窄 脉冲信号，如图５第３、第６行显示。 结语 本文分析了线性调频信号调频斜率方向变化的原因及其对匹配器滤波器 的影响，并提出了解决办法，进行了Ｑｕａｒｔｕｓ ＩＩ软件的编译验证，可以减少由 于调频斜率不一致带来的调试困难。 参考文献 ［１］李白萍，通信原理，西北工业大学出版社． ［２］杨小牛，软件无线电原理与应用［Ｍ］．电子工业出版社，２００１． ［３］袁火平，基于ｓｉｇｎａｌｔａｐ ＩＩ的高速数据采集系统，微计算机信息，２００８ 年第２４卷．
，Ｇ）。血嘈ｐ。嘞。
输入到匹配滤波器中，根据匹配滤波器理论可知匹配滤波器冲激响应为：
图２（ａ）信号包络图
图２（ｂ）正斜率瞬时
图２（ｃ）正斜率瞬时
频率变化图
频率变化图
图３＿频率变换示意图图
式中以为各次谐波电压幅值，ｌ为各次谐波电流幅值，鲰为各次谐波电 压相角，纯为各次谐波电流相角，ｋ为谐波次数。在这种工况下，负荷所消耗 的功率为
，ｃ』ｉｎ圣∥’＋印＋＾ｃ。ｓｃ÷埘’，一＿ｃ。ｃ咕肛１＋毋·』ｔｎ圣胪沏·
埘’＋印＋＾ｃｏｔｃ；肛３，一＾ｃ。ｔ圣埘’＋ 上，＝＿ｃ。ｓｃ；埘’＋回·』ｃ。ｓ圣肛’， 耻＿ｃ＊哇∥＋印嘶ｎ（≯） 分别定义Ｑｆ；ｚｉ《÷肛３＋回·且ｃ。ｓ（；∥’） Ｑ口＝』ｌｉｌｌ（；∥＋回－』。ｉＩｌ（；∥）
由上式可知本地匹配滤波器的冲击响应＾ｌ∞；＿ｃｏｔ（÷∥），＾２∞ｚ ｄｎｎ∈∥），同
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Ｃｈｉｎａ ｓｃｌ ｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｒｅｖｉｏｗ
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线性调频扩频系统调频斜率的分析和设计
郝清涛
（中国电子科技集团公司第５４研究所河北石家庄０５００８１）
［摘 要］由于线性调频信号其自身的优点使其经常应用于扩频通信系统中，但是，在使用过程中经常出现调频斜率方向（正、负）反相的现象，使得收端的
号，系统不能正常工作，必须以ＩＩ—ＱＱ、ＩＱ＋ＱＩ来作为匹配滤影响线性调频信号斜率方向的因素 ５．１基带信号的产生过程
基带信号的产生通常通过一片大规模集成电路实现，由于实现方式灵活， 输出信号调频斜率有时会出现反相情况。
线性调频信号通常通过以下公式得到：
１
．
１
．
收端为了利于信号的恢复，需要对接收信号进行频率变换。输入信号与本振 信号进行混频，通过选通滤波器选择某一频段信号输出，如图３所示、。
数学公式即为以下形式：
舢《邓＋；∥＋邬‰她ｚ）
＾
１
，
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１
。
＝：。ｏｓ（ｄＦ＋哗＋：＃ｇ。＋茸）＋：。ｏ《吐Ｆ一吗Ｉ＋：∥‘＋印
其中输入信号角频率为ｑ，本振信号角频率为鸭。滤波器选择输出角 频率为ｑ＋鸭或ｈ一毡Ｉ的频率分量输出。若选择输出前一频率分量则线性
万方数据
遍适用的谐波功率的表达式，需要具体问题具体分析，通过计算可以得出，非线 性负荷在吸收基波有功功率的同时，向系统中注入了谐波有功功率。
４线性负荷Ｍ－ｔＩ－ｂ仿真 为了观察线性负荷端电压、电流波形，本实验的仿真模型如图２所示：电 源电压为正弦波，负荷为线性负荷：电源电压有效值￡，＝２２０（矿），负荷基波阻抗 ｚ＝ｌ＋Ｊ１（０１：线性负荷端的电压波形和电流波形分别如图３图４所示。 由图３、图４可见，当电源电压为正弦波，负荷为线性负荷时，电压和电 流波形均为正弦波，无畸变。线性负荷仅消耗基波电能。实验结果表明，感 应式电能表对于基波和谐波总电能的计量有着较大误差；而电子式电能表则 能准确反映出被测电能值。 参考文献 ［１］裴学元．ＦＥＥ一３型工频基波电子电能表的原理与应用［Ｊ］．电测与仪表，
３匹配滤波器理论原理 匹配滤波器是指输出信噪比最大的最佳线性滤波器。如果滤波器的输出 端能够获得最大信噪比，则就能最佳的判决信号，从而提高系统的检测性能。 设输入信号３（ｆ）的频谱为－《妫，匹配滤波器的传递函数为Ⅳ（动，如果日（妫满 足如下关系，即
抒（妨＝ｂ（妫ｅ坤（＿Ｊ翻岛）。 则日（卿就是最佳线性滤波器传输特性，由于该传输特性与信号频谱的复 共轭相一致，故又称其为匹配滤波器。
Ｐ＝％矗＋ｕ１‘ｃｏｓ（吼Ｉ—Ｐｎ）＋Ｖ２Ｌ ｃｏｓ（吼？一竹２）＋…＋以，Ｉ ｃｏ《吼Ｉ一钰）＋… ＝昂＋毋＋己＋…＋最＋…
上式表明负荷所消耗的功率为基波功率与各次谐波功率之代数和，为了判 断该工况下谐波功率的方向并计算综合功率，下面以整流型负荷例进行计算。
３理论分析结论 综合以上理论分析，可以得到以下四条结论： （１）电压为正弦波，负荷为线性时，电路中仅存在基波电流和基波电压，电 流电压无畸变，负荷仅消耗基波有功功率。 （２）电压为正弦波，负荷为非线性时，电压中仅有基波信号，电流中则存在 基波信号和谐波信号，由于正弦波函数具有正交性，所消耗的有功功率仅为同 频电压、电流的积分，因此电路也只有基波的有功功率被消耗，但是此时系统 被非线性负荷注入谐波，对系统造成谐波污染。 （３）电压为非正弦波，负荷为线性时，电流和电压信号中均存在高次谐波信 号，由于负荷为线性，可以计算出电流和相角，电路所消耗的有功功率为各次电 压和电流的积分和，负荷即吸收了基波有功功率，也吸收了谐波有功功率，需要 指出的是，谐波功率对于线性负荷而言是有害的。 （４）电压为非正弦波，负荷为非线性时，电流和电压信号中均存在高次谐波 信号，既消耗基波功率，也消耗谐波功率，由于负荷为非线性，很难得到一个普
１
．
４ｃｏｓ（础＋一埘‘＋回ｔ』ｃｏｓ（一埘‘＋毋ｃｏｓ（甜）一一ｄｎ（－州４＋Ｄ矗ｎ（删）
Ｚ
２
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１
．
１ ，
数字电路中，ｃｏ《：∥４＋目）、ｓｉ“（－∥。＋毋是通过对一个信号周期内的信号
Ｚ
ｚ
进行采样，并进行量化，将量化结果存储在ＲｏＭ中来实现的。ｃ似删Ｉ、ｓ试以）
数控振荡器来实现。
通过上式可以看出影响线性调频信号斜率方向的因素主要有调制载波的
Ｚ
ｚ
样均为线性调频信号。在接收线性调频信号的调频斜率与本地匹配滤波器冲
击响应调频斜率同相时，ＩＩ、ＱＱ在同一时刻的输出相位相同，即取ＩＩ＋ＱＱ作为
同相之路相关峰输出，同理取ＩＱ—ＱＩ作为正交之路相关峰输出完成匹配滤波， 送入检测器。同样在接收线性调频信号的调频斜率与本地匹配滤波器冲击响 应调频斜率反相时，ＩＩ、ＱＱ在同一时刻的输出相位相反，ＩＱ、ＱＩ在同一时刻 的输出相位相同，如若仍按照ＩＩ＋ＱＱ、ＩＱ—ＱＩ运算则不能得到正确的相关峰信
图５ ｓｉｇｎａｌＴａｐ ＩＩ显示的错误匹配下的相关峰
７０ Ｉ科 万技博方览数据
１
．
＿ｃｏｓ（ｉ肛２＋功ｃｏ《位）＋＿矗ｎ（ｉ肛１＋毋矗ｎ（以）寡４ｃ∞（硎一ｉ肛。＋卿，其调频斜率
负。 同时在量化、存储单个周期的线性调频信号时，如果出现反相也会影响
到最终信号的输出，以至于改变调频斜率的方向。 ５．２信号传输过程中的变频处理 为方便电磁波的空间传播需要把传输信号搬移到一定的频率上，同时在接
匹配滤波器的单位冲击响应＾ｇ）＝＾孓ｇ一气），匹配滤波器的输出是输入信 号的自相关函数的Ｋ倍，所以匹配滤波器可以看做成一个相关器。
４线性调频信号的匹配过程 在接收机中，收到线性调频信号以后，要用匹配滤波器进行处理，把调频的 宽脉冲压缩成为窄脉冲。在实际应用中接收信号一般为射频信号，受Ａ／Ｄ器 件性能的影响，对模拟信号在射频采样是很困难的，因此需要先将模拟信号频 率降低，然后进行处理。接收信号经过数字正交下变频器，变为零中频的 ＣｈｉｒＤ—ＢＰＳＫ复信号：
科技博览Ｉ ６９
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＾（ｆ）：，·（一ｆ）：出叫扣哪“。
匹配滤波过程的表达式如下：
Ｆ∞“‘扣咖“ｔ№ｃ≯州胁。护Ｍａｎ妒螂刷≯，＋ Ｆ∞；山１
·ＪＩ－’ ；Ｍｃｏｓ（一埘。＋印·Ｊ哇ｃｏｌ（－埘。）＋童甜ｎ（＿埘。＋回·』ｄｎ（：∥。）】＋
调频信号调频斜率不发生变化；若选择后一频率分量且吗＜ｑ，滤波器输出
４
１
．
信号为ｉｃｏｓ（邓。刚＋ｉ埘‘＋Ｄ，线性调频信号调频斜率不发生变化；若选择