一種數(shù)字化中頻接收機(jī)的研究與實(shí)現(xiàn)

邱冬冬，魯新龍，董 炯，金華松

（中國衛(wèi)星海上測控部 江蘇 江陰 214431）

軟件無線電（Software Radio）的概念自上世紀(jì)末提出以來，最近幾年取得了引人注目的進(jìn)展。數(shù)字化中頻接收機(jī)是軟件無線電的重要部分。軟件無線電的主要原理是將數(shù)字化推向前端，即是把模數(shù)/數(shù)模轉(zhuǎn)換器（ADC/DAC）盡量放在射頻端，這是數(shù)字化接收機(jī)的發(fā)展方向，也是軟件無線電的理想實(shí)現(xiàn)方法。早期的數(shù)字化接收機(jī)受ADC發(fā)展水平的限制，采用正交雙通道零中頻的實(shí)現(xiàn)方案，即將射頻通過變頻變換到零中頻（基帶），正交解調(diào)得到模擬的正交信號之后再進(jìn)行數(shù)字化。該方案的頻率變換主要都在模擬部分實(shí)現(xiàn)，數(shù)字化較少，不是真正意義上的數(shù)字化接收機(jī)。而且，此方案實(shí)現(xiàn)起來設(shè)備量較大，方案中的正交混頻器是模擬器件，得到的正交I，Q信號也難以保證幅相正交的精度[1]。目前比較成熟的數(shù)字化接收機(jī)理論和實(shí)現(xiàn)方案是中頻數(shù)字化接收機(jī)，即將射頻信號經(jīng)一次或二次下變頻后，在中頻（或高中頻）直接采樣，再數(shù)字下變頻到基帶，得到正交I，Q信號。

軟件無線電技術(shù)的迅猛發(fā)展，使其在航天測控領(lǐng)域的應(yīng)用成為了可能。在我國當(dāng)前的C頻段微波統(tǒng)一測控系統(tǒng)中，中頻接收機(jī)主要由模擬電路構(gòu)成，這種結(jié)構(gòu)已經(jīng)逐漸不能達(dá)到測控系統(tǒng)的精度要求。數(shù)字化已經(jīng)成為中頻接收機(jī)的必然發(fā)展趨勢，關(guān)于這方面的研究，已經(jīng)開展了很多[2-6]。文中設(shè)計(jì)了一種數(shù)字化中頻接收機(jī)，該方案采用軟件無線電思想，并給出了采用FPGA和DSP實(shí)現(xiàn)該接收機(jī)的方法。

1 系統(tǒng)工作原理

軟件無線電的目標(biāo)和思路是在標(biāo)準(zhǔn)化、完全可編程的硬件平臺上，用不同的軟件適應(yīng)通信、測控等業(yè)務(wù)的各種體制，并實(shí)現(xiàn)盡可能多的無線功能，其原理框圖如圖1所示。在理想的軟件無線電中，系統(tǒng)的所有功能都在一個(gè)通用的處理器上用軟件實(shí)現(xiàn)，原則上允許同一硬件平臺支持任何物理層和更高的協(xié)議層。

圖1 軟件無線電的結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Software radio structure diagram

文中所設(shè)計(jì)的數(shù)字化中頻接收機(jī)的應(yīng)用了軟件無線電的設(shè)計(jì)思路，在中頻70 MHz上進(jìn)行帶通采樣。輸入的信號有和路和差路，其中和路信號包含有測距、遙測等信息，而差路信號則含有角誤差信息。

圖2 數(shù)字化中頻接收機(jī)原理框圖Fig.2 Principle diagram of digital intermediate frequency receiver

和路和差路的輸入信號經(jīng)過濾波和放大后，被A/D采樣變?yōu)閿?shù)字信號，分成I、Q兩條支路，分別完成數(shù)字信號的下變頻。其中和路信號分成兩條支路分別解調(diào)出遙測、測距信息并完成信號幅度檢測。環(huán)路鑒相輸出的誤差信號經(jīng)數(shù)字濾波后控制數(shù)字壓控振蕩器（DCO）的頻率和相位完成閉環(huán)，并給出多普勒頻率偏移信息。和路信號為移相后的環(huán)路DCO輸出后信號，該信號與差路信號進(jìn)行鑒相檢測出方位和俯仰角誤差信息。移相器與DCO進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)和路對差路信號幅度的歸一化的AGC控制信號由和路產(chǎn)生。圖2所示的是系統(tǒng)原理框圖。

2 關(guān)鍵技術(shù)及器件選擇

2.1 ADC的設(shè)計(jì)

帶通采樣適用于帶通輸入信號，因此將其作為理想的高速中頻采樣方案[7]。

為了保證采樣后不發(fā)生頻譜混疊，采樣頻率必須滿足：

其中k取滿足以下條件的整數(shù)：

其fs是采樣頻率，fh是信號最高頻率，fl是最低頻率。本方案中，載波中心頻率為70 MHz，信號帶寬為3 MHz。則有：

由以上公式，為了保證采樣變頻輸出各段頻譜不重疊采樣率，fs的可選擇范圍很大。

ADC的性能必須滿足自身和采樣后系統(tǒng)的處理能力，其位數(shù)則必須符合一定的動(dòng)態(tài)范圍要求及數(shù)字處理部分的精度要求。用于中頻頻段的A/D轉(zhuǎn)換器件，一般要求動(dòng)態(tài)范圍在 60～80 dB。

ADC選用Analog Devices公司的芯片AD9432。AD9432為單片式12位的芯片，具有精度高、速度高和性能高的優(yōu)點(diǎn)，內(nèi)部有采樣保持電路，在整個(gè)工作頻率范圍內(nèi)具有較好的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)。對于輸入帶寬為25 MHz的信號，它的無雜散動(dòng)態(tài)范圍可達(dá)80 dB，一般情況信噪比為67 dB，模擬輸入帶寬能達(dá)到300 MHz，其最高采樣速率可達(dá)105 MHz，非常適合用來進(jìn)行中頻采樣。實(shí)際應(yīng)用中，考慮到組合干擾等因素，采樣頻率設(shè)定為55 MHz，設(shè)為此值可以降低后續(xù)濾波器的設(shè)計(jì)難度。

由于輸入信號動(dòng)態(tài)范圍為-52～8 dBm，最低幅度低于ADC的最小分辨率，所以要加一個(gè)放大器。而且考慮到由于電路設(shè)計(jì)中，還有許多電磁干擾因素，中頻數(shù)據(jù)采集ADC的有效位數(shù)定低于12位，較好的情況下能達(dá)到10位～11位，使得實(shí)際動(dòng)態(tài)范圍不一定達(dá)到60 dBm，因此該放大器還需兼顧一定的AGC功能。這里選用了NS公司的數(shù)控放大器CLC5526。

2.2 數(shù)字下變頻器的設(shè)計(jì)

在ADC采樣后，信號的頻率下移到15 MHz附近，還需在鑒相時(shí)進(jìn)行數(shù)字下變頻才能完成載波信號的解調(diào)。

設(shè)輸入的中頻模擬信號為：

采樣后的信號為：

式中：

DCO產(chǎn)生的信號為 sin（ωcn），經(jīng) 90°移相后變?yōu)檎恍盘朿os（ωcn），與采樣信號在混頻器相乘后得：

通過低通濾波器濾除其中的倍頻分量后，得到所需的正交 I，Q 信號：

由于信號的采樣頻率較高，即I（n）和Q（n）的速率很高，一般遠(yuǎn)大于窄帶信號的帶寬，這時(shí)可對其進(jìn)行速率轉(zhuǎn)換（抽?。?，以降低此時(shí)的輸出數(shù)據(jù)率。不過，應(yīng)當(dāng)注意的是抽取后的數(shù)據(jù)率應(yīng)大于信號帶寬。

DCO的功能是產(chǎn)生頻率可變的正交正、余弦樣本，并作為數(shù)字下變頻器的本振信號。輸入的信號與DCO產(chǎn)生的正弦波樣本在數(shù)字鑒相器中進(jìn)行鑒相。由于數(shù)字載波中心頻率為15 MHz，所以DCO產(chǎn)生的正弦波樣本信號的基頻應(yīng)為15 MHz。這樣，鑒相的同時(shí)完成了數(shù)字下變頻的功能。乘法器輸出的乘積樣本再經(jīng)過低通濾波器，信號頻譜被搬移到基帶，這樣就完成了載波信號解調(diào)。DCO是決定數(shù)字下變頻（DDC）性能的主要因素之一。

數(shù)字下變頻部分的運(yùn)算量很大，如果全部由DSP來完成，對DSP需要具有很高的處理速度，比較難以實(shí)現(xiàn)[8]。目前，數(shù)字下變頻功能的實(shí)現(xiàn)方式主要有兩種：一種是使用專門的數(shù)字下變頻芯片，如Intersil公司的HSP50214、HSP50216；另一種是采用FPGA，自行設(shè)計(jì)數(shù)字下變頻器。

現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）的主要優(yōu)點(diǎn)就是其完全可編程性[9]。在設(shè)計(jì)中需要處理很多信息，為了提高可編程性和系統(tǒng)的集成度，設(shè)計(jì)中采用了FPGA實(shí)現(xiàn)數(shù)字下變頻的方案。本文設(shè)計(jì)的中頻數(shù)字接收機(jī)，有4路70 MHz的中頻信號輸入。在本文的設(shè)計(jì)方案中，F(xiàn)PGA選用ALTERA公司APEX系列的EP2A15，其最大門數(shù)可達(dá)1 900 000門，最高工作頻率可達(dá)200 MHz以上，能滿足系統(tǒng)的要求。方案中，不僅4路中頻采樣信號的數(shù)字下變頻在FPGA中實(shí)現(xiàn)，而且抽取、濾波、以及DCO均集成在FPGA中，F(xiàn)PGA的資源利用率達(dá)到了 70%～80%。

3 硬件平臺結(jié)構(gòu)

數(shù)字處理平臺基于FPGA+DSP的結(jié)構(gòu)來構(gòu)建，將FPGA的可編程性及高速特性與DSP的復(fù)雜運(yùn)算能力相結(jié)合，共同實(shí)現(xiàn)數(shù)字解調(diào)鎖相環(huán)，完成載波跟蹤、環(huán)路鎖定指示和相關(guān)AGC電壓的產(chǎn)生。數(shù)據(jù)處理平臺與微機(jī)CPU進(jìn)行的數(shù)據(jù)交換采用PCI總線接口。結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 中頻接收機(jī)硬件平臺結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Intermediate frequency receiver hardware structure chart

這種硬件平臺結(jié)構(gòu)具有通用、標(biāo)準(zhǔn)和模塊化的特點(diǎn)，通過軟件編程來實(shí)現(xiàn)接收機(jī)的各種功能。同時(shí)，設(shè)計(jì)注重結(jié)構(gòu)的開放性和全面可編程性，通過軟件的更新改變硬件的配置結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)新的功能。采用標(biāo)準(zhǔn)的、高性能的開放式總線結(jié)構(gòu)（PCI），有利于硬件模塊的升級和擴(kuò)展。

4 結(jié)束語

鑒于目前硬件水平的限制，直接對射頻信號進(jìn)行數(shù)字化存在困難，只能先將射頻信號下變頻至中頻信號。數(shù)字中頻接收機(jī)是對中頻信號進(jìn)行帶通采樣數(shù)字化，同時(shí)還將信號頻譜向下復(fù)制到零頻附近。中頻接收機(jī)的數(shù)字化是測控系統(tǒng)終端數(shù)字化的關(guān)鍵。文中設(shè)計(jì)了一種基于軟件無線電、采用FPGA和DSP架構(gòu)的中頻數(shù)字化接收機(jī)實(shí)現(xiàn)方案，并分析了其系統(tǒng)工作原理和關(guān)鍵技術(shù)細(xì)節(jié)。該方案基于一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的硬件平臺，通過不同的加載軟件，該平臺可以演進(jìn)成適應(yīng)多種調(diào)制方式的中頻接收機(jī)，其處理能力可以滿足目前測控系統(tǒng)中絕大部分場合的要求。該平臺現(xiàn)已應(yīng)用于國內(nèi)某C頻段統(tǒng)一測控系統(tǒng)中，大大提高了該系統(tǒng)的整體性能。

[1]何勤，束永江.一種通用中頻數(shù)字化接收機(jī)的實(shí)現(xiàn)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2009（11）：94-97.

HE Qin，SHU Yong-jiang.Implementation of general IF digital receiver[J].Modern Electronics Technique，2009（11）：94-97.

[2]雷兵.雷達(dá)數(shù)字化借手機(jī)設(shè)計(jì)[J].信息化研究，2010，36（8）：54-56.

LEI Bing.Design of the radar digital receiver[J].Informationization Research，2010，36（8）：54-56.

[3]汪敏，胡澤，肖斌.基于FPGA的中頻數(shù)字化接收機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)[J].信息技術(shù)，2007（7）：113-115

WANG Min，HU Ze，XIAO Bin.Realization of IF digital receiver system based on FPGA[J].Information Technology，2007（7）：113-115.

[4]張曉明，陳禾，仲順安.脈沖多普勒小型數(shù)字化中頻接收機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電視技術(shù)，2008，48（11）：5-9.

ZHANG Xiao-ming，CHEN He，ZHONG Shun-an.Design and implementation of the miniaturized and digitized IF receiver for a PD radar seeker[J].Telecommunication Engineering，2008，48（11）：5-9.

[5]薛繼華.一種中頻數(shù)字化接收機(jī)中的自動(dòng)增益控制方案[J].南通紡織職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2007，7（2）：11-14.

XUE Ji-hua.A scheme of auto gain control applied in digital intermediate frequency receiver[J].Journal of Nantong Textile Vocational Technology College，2007，7（2）：11-14.

[6]靳鵬飛，楊海濤.中頻數(shù)字化接收機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2008，8（11）：2972-2976.

JIN Peng-fei，YANG Hai-tao.Design and implementation of a digital intermediate frequency receiver[J].Science Technology and Engineering，2008，8（11）：2972-2976.

[7]陳禮光，徐福安，張進(jìn)，等.軟件無線電接收機(jī)中頻數(shù)字化設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2004（11）：94-97.

CHEN Li-guang，XU Fu-an，Zhang Jin，et al.Design of software radio receivers IF digitalization system[J].Modern Electronics Technique，2004（11）：94-97.