信号磁性天线方向图合成方案设计论文

磁性天线方向图合成方案设计论文文档信息

正文

引言

磁性天线与电天线相比具有体积小、灵敏度高和抗干扰能力强的优点使得其在无线电信号接收中得到越来越多的应用。但磁性天线的方向图是一个“  ”字形接收信号时存在明显盲区。因此在实际使用中通常采用两根磁性天线方向上互相垂直放置再通过相应的信号合成电路来达到全方向上的接收  。使用模拟电路进行方向图合成 电路相对简单但是存在调试复杂移相精度不高等缺点。而数字信号方向合成电路规模小数字移相精度高。蔡樱等提出用时延的方式使信号移相  ° 从而实现甚低频水下全向数字接收。而本文提出应用希尔伯特滤波器在未知信号载波频率的条件实现对任意载波频率的信号进行  °的相位最终通过软件来完成天线全向接收功能。

全向磁性天线的方向图合成原理

全向磁性天线基本原理如图所示。假设θ 为来波方向与天线的轴向夹角天线的接收频率为ω的信号。从天线接收来的信号为   θ   ω 从天线接收来的信号为   θ  ω 。可以看出无论来波为哪个方向则其中至少有一根天线可接收到信号从而避免天线轴向的接收出现盲区。从两根天线来的

信号进入方向图合成电路把方向图相互正交的“  ”字形信号进行合成输出一路合成信号。这路合成信号是方向图为圆形的信号。希尔伯特滤波器可以提供  °的相位变化而不影响频谱分量的幅度

 。设离散时间信号 其希尔伯特变换为  

   。单位抽样响应 为  为偶数 π烅烄烆为奇数  其频率响应为   ω ωππω    则离散信号 的离散希尔伯特变换可以表示为     π∑∞∞     但要注意的是利用 滤波器实现希尔伯特变换将会使输出信号延迟  为滤波器系数长度  因此利用延时器使两路信号同步

    辅助设计与仿真

用    中的   可以快速、有效地设计希尔伯特宽带滤波器要求采样频率为   通频带为    滤波阶数为   图为滤波器抽头系数。 图为滤波器幅频特性。可以看出希尔伯特为全通滤波器过渡带陡峭。如图所示利用     工具对信号进行合成仿真。频率为   幅度分别为和 的信号作为输入信号验证对应的数据点是否满足相位相差  ° 。仿真结果如图所示信号为幅度为频率为  的正弦波经过希尔伯特滤波器的输出信号为幅度  频率为  的正弦波经过 个单位延时

输出经比较可发现信号可以准确的移相  ° 第三个波形为两组信号相加的结果 即接收的是全向信号。

基于的方向图合成功能实现

选用公司      系列   芯片 门数资源非常丰富可满足目前绝大多数的信号处理硬件编程和控制能力。本设计采用     Ⅱ软件平台下的硬件描述语言进行软件编程并通过      Ⅱ完成硬件的测试利用      Ⅱ      观察硬件输出波形。

 时钟分频模块

由于开发板自带 晶振为了得到  的时钟信号需要进行分频。分频原理及分频系数的设定通过锁相环由 晶振产生 时钟再由 分频得到    。  与   相差 倍      设定分频变量为 即        

 信号发生器模块

数控振荡器     具有附加的相位、频率调制功能满足各种数字信号处理的需要利用设计采样率为  、频率为  的正弦波数字信号经过  的低速

采样转换成数字信号送入希尔伯特滤波器另一路信号同样经过低速率采样和 个时钟周期的延时模块。

 宽带移相滤模块

利用数字信号处理                        设计滤波器 由于   计算出的值是一个有符号小数而在    滤波器模型需要一个整数有符号整数类型作为滤波器系数   所以必须进行量化。把   生成的滤波器系数经过量化后导入   量化后的滤波器系数如图所示。

 采用的实现方案

图所示为产生的正弦波进入数字信号合成器。 图为全向天线数字信号合成原理图。它由 位  低速采样寄存器锁相环分频器延时器希尔伯特滤波器  位加法器  位  低速采样寄存器七个模块组成。在     Ⅱ中用     Ⅱ       观察希尔伯特滤波器移相情况。如图所示第一路为产生的采样率  频率为 的正弦信号。第二路为信号经过  低速采样的输出并送入希尔伯特滤波器前的波形。第三路为数字信号经过希尔伯特滤波器移相输出后的波形。可以明显看出信号二和信号三发生  °的相位变化而频率没有改变。 图 为经过移相和延时的两路信号经过 位加法器的输出

情况。第二路与第三路信号相加得到第一路信号。 图仿真原理由于滤波器通带范围为    用  设计希尔伯特滤波器采样率必须为滤波器截止频率和通带频率之和的倍 即   。而采样速率要与滤波器采样速率相等。与频率为 的信号相比虽然  的采样率较低但采样之后的数字信号可以完整地保留原始信号中的信息。输出的数字信号经过  时钟的可以恢复出原始信号。

结语

实践证明使用   设计滤波器并在     环境下仿真利用现成的   资源在器件上实现提高了滤波器的设计质量加快了设计进度验证结果直观明了。但如果天线信号小到微伏级别 目前还没有如此灵敏的转换器可以直接抽样而数字化所以部分模拟处理必须保留  。针对所提出的数字宽带全向天线合成原理应用    和仿真技术可以实现两路频率在   宽带信号数字移向并相加。通过改变 滤波器的阶数和滤波器系数可以灵活设计实现不同频带宽度的磁性天线信号合成可移植性较好。随着各类数字信号处理的   的进一步完善基于系统的应用会更加广泛。

作者周思同王永斌李亮单位海军工程大学电子工程学院

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