（粒子物理与原子核物理专业论文）多通道中频信号数字化及数字复解调系统的设计.pdf

中国科技大学硕士学位论文 多通道中频信号数字化及数字复解调系统的设计 致谢 在论文成稿之际，首先向我的导师王砚方教授致以我最衷心的谢意。在快电子 学实验室工作期间，王砚方教授一直关心着我的学习和生活，在各方便给予了很 多的支持和鼓励。本论文的顺利完成是和王砚方教授的悉心指导和关心分不开的。 王砚方教授从论文的选题开始，一直关注着论文工作，在论文的各个方面倾注了 大量的精力，给作者提供了极大的帮助和指导。 同时，特别要感谢快电子实验室的武杰博士。自从我加入快电子学实验室， 武杰博士在提高我的电子学设计和调试技能上给了我很多帮助。同时，他对本论 文工作的设计方案的确定也提出了重要的参考意见，并在设计过程中不厌其烦的 与我讨论所碰到的各种问题。 对在工作中给予我各种帮助的张庆民、吴义宝、刘树彬、张俊杰、张凌云、邓 家虎等快电子实验室同行以及程伊敏女士表示由衷的感谢。信息产业部1 4 所的邢 燕工程师、熊慎卫工程师为系统的设计提出了很多宝贵的意见并在器件的提供上 给予了很大的方便，对此也表示衷心的感谢。 最后感谢我的父母，感谢他们在物质和精神上给予我的极大的帮助与支持鼓 励。 中国科技大学硕士学位论文多通道中频信号数字化及数字复解调系统的设计 摘要 随着数模转换器硬件的快速发展和d s p 处理能力与处理速度的逐步提高，软件无线电技 术在军用和民用无线电通讯领域都显示出强大的吸引力。本论文介绍的多通道中频信号数字 化和数字复解调系统是目前蓬勃发展的软件无线电系统的重要组成部分 论文共分为七章。 。 在论文的第一章中，简单介绍了软件无线电的发展历史，基本思想和基本结构，阐明了 中频信号数字化和数字复解调系统在整个软件无线电系统结构中所处的位置。 在第二章中从模拟接收机出发，介绍了数字接收机和整个中频信号数字化和数字复解调 系统的系统结构和各个组成部分，并从数字信号处理的角度，分析了整个处理过程中信号在 频域上的变化。最后，给出了基于f p g a 的多通道中频信号数字化和数字复解调系统的系统 框图。 在论文的第三章，第五章，第六章中，分别介绍了系统的三个重要组成部分：高速高精 度a d c 、在f p g a 中实现的数控振荡器和线性相位有限长单位脉冲响应滤波器的设计。这三 个组成部分构成了整个系统的核心部分。 在论文的第三章中，介绍了a d c 的性能指标，并结合系统设计中所选用的数字模拟变换 器a d 6 6 4 4 的使用，介绍了高速中频采样电路中的模拟信号和时钟信号的耦合方式及p c b 设 计中应注意的一些问题。 论文的第四章对系统中使用的可编程器件一现场可编程门阵列( f p g a ) 的发展、结构作 了简单的介绍，并简要介绍了在系统设计中大量使用的硬件描述语言v h d l 。 论文的第五章详细介绍了在f p g a 中实现的塑控振荡墨( n c o ) ，详细介绍了n c o 的工 作原理、设计思路、系统结构，并推导出了由于幅度和相位量化对n c o 输出信号信噪比造成 的影响。最后，给出了n c o 在f p g a 中的具体实现方案和仿真结果。 第六章中介绍了线性相位有限长单位脉冲响应滤波器的设计原理和设计方法，并从数字 信号处理的角度分析了带抽取的滤波器对信号频谱造成的影响。最后，介绍了使用工具软件 和a l t e r a 公司的f i r m a g a c o r e 在f p g a 中对线性相位f i r 滤波器的设计实现和仿真结果，并 通过仿真结果考察了滤波器系数位数对滤波器性能造成的影响 在论文的最后一章，简要介绍了对多通道中频数字化和数字复解调系统的测设原理和具 体测试方法，并从整个复解调的传输函数出发推出了一些测试复解调系统性能的重要参数的 推导公式。 中国科技大学硕士学位论文多通道中频信号数字化及数字复解调系统的设计 a b s t r a c t w i t ht h e r a p i dd e v e l o p m e n to ft h ea d ca n dt h e i n c r e a s eo ft h ep r o c e s s i n ga b i l i t ya n d c o m p u t i n gs p e e d ，t h es o f t w a r er a d i oh a ss h o w ni t sf a s c i n a t i n ga t t r a c t i o n i nb o t hm i l i t a r ya n d c o m m e r c i a lw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n t h em u l t i c h a n n e l i f s a m p l i n g a n dd i g i t a l c o m p l e x d e m o d u l a t i o ns y s t e mi n t r o d u c e di nt h i st h e s i sj st h ei m p o r t a n tp a r to ft h ew h o l es o f t w a r er a d i o s y s t e mw h i c h i sv i g o r o u s l yd e v e l o p i n gr e c e n t l y t h e r ea r es e v e nc h a p t e r si nt h i st h e s i s i nt h ef i r s tc h a p t e r , t h e o r i g i n ，c o n c e p ta n d b a s i cs t r u c t u r eo f s o f t w a r er a d i ow a si n t r o d u c e di n b r i e f , w h i c he x p l a i nt h ep l a c eo f t h ei fs a m p l i n ga n d d i g i t a lc o m p l e x d e m o d u l a t i o ns y s t e mi n t h ew h o l es o f t w a r er a d i os y s t e ms t r u c t u r e b a s eo nt h eb a s i cc o n c e p to fa n a l o gr e c e i v e r , w ee x p l a i nt h es y s t e ms 廿。u c t i i r eo ft h ed i g i t a l r e c e i v e ra n de a c h p a r t sw h i c h b u i l du pt h ei fs a m p l i n ga n d d i g i t a lc o m p l e x d e m o d u l a t i o ns y s t e m ， a n da n a l y s et h et r a n s f o r m a t i o no ft h es i g n a li nt h ev i e wo f d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g a tt h el a s to f t h i st h e s i s ，t h eb l o c kd i a g r a mo fm u l t i - c h a n n e li fs a m p l i n ga n d d i g i t a lc o m p l e xd e m o d u l a t i o n s y s t e m b a s e do nf p g a w a s g i v e n t h r e ei m p o r t a n t p a r t s o ft h es y s t e m ：t h eh i g hs p e e da n dh i g hr e s o l u t i o na n a l o g d i g i t a l c o n v e r t e r ，t h en u m e r i c a lc o n t r o l l e do s c i l l a t o ra n dl i n e a rp h a s ef i rd i g i t a lf i l t e rb u i l ti na n f p g aa r ei n t r o d u c e dr e s p e c t i v e l yi nt h ec h a p t e r2 ，5a n d6 t h e s et h r e ec o m p o n e n t sa r et h ec o r e p a r t so f t h e w h o l e s y s t e m t h et h i r d c h a p t e ri sc o n c e r n i n g o nt h ea n a l o g - d i g i t a lc o n v e r t o r ( a d c ) a tf i r s t ，s o m e s p e c i f i c a t i o n so fa d c a r ed i s c u s s e d t h e nu s i n gt h ea n a l o g - d i g i t a lc o n v e r t o ra d 6 6 4 4u s e di nt h e s y s t e md e s i g n ，w es u g g e s ts o m em e t h o d sf o rc o u p l i n ga n a l o gi n p u ts i g n a la n de n c o d i n gc l o c k s i g n a l l a s t l y , s o m ep c b c o n s i d e r a t i o nd u r i n gt h ep r o c e s s o f d e s i g n i si n c l u d e d t h ef o u r t hc h a p t e rm a k e sab r i e f i n t r o d u c t i o na b o u t 山e d e v e l o p m e n ta n d s t n l c t u r eo f t h ef i e l d p r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ( f p g a ) ，a n do n eo f t h eh a r d w a r ed e s i g nl a n g u a g e v e r yh i g h s p e e di n t e g r a t e dc i r c u i th a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g e ( v h d l ) ，w h i c hi su s e dw i d e l yi nt h e s y s t e md e s i g n i nt h ec h a p t e r5 ，n u m e r i c a lc o n t r o l l e do s c i l l a t o r , a n di t sw o r k i n g p r i n c i p l e ，d e s i g ni d e aa n d s t r u c t u r ea r ed i s c u s s e di nd e t a i l a f t e rd e d u c t i n gt h ee f f e c to nn s rc a u s e db yt h eq u a n t i z a t i o n p r o c e s si nb o t ha m p l i t u d ea n dp h a s e ，w ee l u c i d a t et h ea c t u a lm e t h o d so f n c oi na nf p g aa n d g i v e t h e s i m u l a t i n gr e s u l t i nt h ec h a p t e r6 ，w ef a s te x p l a i nt h ed e s i g np r i n c i p l ea n d d e s i g nm e t h o do ft h el i n e a rp h a s e f i r d i g i t a lf i l t e r , a n da n a l y s et h ee f f e c to ns i g n a ls p e c t r u mw h e nap r o c e s so f d e c i m a t i o ni sm a d e a f t e rt h es i g n a li sf i l t e r e d a tl a s t ，w ei l l u m i n a t et h ee f f e c to nf i l t e rc a u s e d b yt h ef i l t e rc o e f f i c i e n t w i d t h a tt h ef m a lc h a p t e r , w eb r i e f l yi n t r o d u c et h et e s tt h e o r ya n dt e s tm e t h o d sb ys t u d y i n gt h e t r a n s f e rf u n c t i o no fu qd e m o d u l a t i o n ，a n dd e 血c et h ef o r m u l a s f o r c a l c u l a t i n g s o m eb a s i c p a r a m e t e r sf o r “qd e m o d u l a t i o n 4 中国科技大学硕士学位论文多通道中频信号数字化及数字复解调系统的设计 术。 第一章绪论 对中频信号的数字化和数字下变频技术是目前蓬勃发展的软件无线电领域的一项关键技 1 1 软件无线电发展简述 软件无线电技术是近几年发展的新技术，是继无线电通讯从模拟到数字，从固定到移动 的第三次革命。 完整的软件无线电( s o f t w a r e r a d i o ) 概念和结构体系是由美国的j o e m i t o l a 首次于1 9 9 2 年5 月明确提出的。高技术战争的指挥自动化体系要求通信保障具备协同、机动、保密、抗 干扰和抗毁五种能力，而现在的无线电台都是根据特定的用途进行设计的，存在着工作频段、 调制方式的差异，导致不同部队以及同一部队内部不同军事目的的电台无法实现互通，形成 了军事通信装备品种杂、系列多、互通差、协同难的局面，很难适应未来海、陆、空三军一 体化作战的需要。软件无线电最早正是为了解决军事通讯中的不同体制、不同标准之间的兼 容性而提出来的一种实现无线通信新的体系结构。 在民用方面，随着通信技术的迅猛发展，新的通信体制与标准不断提出，通信产品的生 存周期减小，开发费用上升，导致以硬件为基础的传统通信体无法适应这种新局面。同时， 不同的体制间互通的要求日趋强烈，并且随着通信业务的不断增长，无线频谱变得越来越挤， 对现有通信系统的频带利用率及抗干扰能力提出了更高的要求。但是，沿着现有通信体制的 发展，很难对频带重新规划。同时，若采用新的抗干扰方法，也要求对现有系统结构做出很 大的调整，代价很大。而软件无线电则提供了一种很好的解决方案。 1 2 软件无线电的基本思想 软件无线电的基本思想是以硬件作为其通用的基本平台，把尽可能多的无线及个人通信 功能用软件来实现从而将无线通信新系统、新产品的开发逐步转移到软件上来，其产值也 在软件上体现出来。其最终目的是使通信系统摆脱硬件布线结构的束缚，在系统结构相对通 用和稳定的情况下。通过软件来实现各种功能，使系统的改进和升级都非常方便、代价小， 同时不同系统之间很容易互连与兼容。由于无线电的功能全部由软件来定义，而不直接依赖 于硬件特性，故它与软件控制的数字无线电台不同，它强调体系的开放性、全面的可编程性、 具有最大的灵活性和适应能力。 在军事方面，它带来的好处是多方面的：( 1 ) 软件无线电的特点和体系结构保证了电台 的模块化、通用化、系列化设计；( 2 ) 软件无线电的使用可大大减少无线电设备及其保密机 的品种数量，因而降低了电台的装备费用和维护费用；( 3 ) 软件无线电集成了各种通信频段、 调制方式、抗干扰模式及灵活的组网方式，故能够使各军兵种之间的协同通信能力得到明显 增强。 在民用方面软件无线电也有很好的前景。由于软件无线电的特点，决定了其应用具有以下 特征：业务多样化；优越的低截获概率、低探测概率、抗干扰性能：自动选择通信模式，无 感觉完成通信联络；可作为网关站加入全球栅格通信网。例如在移动通信或p c s 中，它可解 决传统基站和移动终端的单一模式而造成的不能兼容问题，使基站和移动终端能够满足多种 标准，能应付当前和将来复杂的通信模式和信令结构。 5 中国科技大学硕士学位论文 多通道中频信号数字化及数字复解调系统的设计 1 3 软件无线电的基本结构 圈瞵群酗图 呕噩要垂互k + ：“i 菏 欠奴j 商萎“两运让碰段“碡娃蕊面巅 图i - i 理想的软件无线电系统结构 软件无线电是一种基于宽带a d 器件、高速d s p 芯片，以软件为核心的崭新的体系结 构。理想的软件无线电系统结构如图1 1 所示。 软件无线电的工作过程是在射频( r f ) 或中频( i f ) 对接收信号进行数字化，通过软件编程来 灵活实现各种宽带数字滤波、直接数字频率合成、数字下变频、调制解调、差错编码、信令 控制、信源编码及加解密功能。在接收时，来自天线的信号经过r f 处理和变换，由宽带a d 数字化，然后通过可编程数字信号处理器( d s p ) 模块实现所需的各种信号处理，并将处理 后数据送至多功能用户终端；同样，在发送时，通过类似接收信号处理的流程将数据通过天 线发射出去。利用在线和离线软件，可以实现通信环境的分析、管理以及业务和性能的升级。 从图l - l 可看出软件无线电的关键思想以及与传统结构的重要区别在于： ( 1 )a d 和d a 向r f 端靠近，由基带移到中频对整个系统频带进行采样。即尽可能早 地将接收到的射频模拟信号数字化，尽可能晚地将发送的数字信号变换为射频模拟信 号，以便充分利用d s p 器件的速度和软件资源，尽量通过软件编程完成从信源基带直 至射频的波形变换和相关处理。 ( 2 )用高速d s p c p u 代替传统的专用数字电路与低速d s p c p u 做a d 后的一系列 处理。 论文中所设计的中频信号数字化和数字复解调系统正是完成这些功能的重要组成部分。 6 中国科技大学硕士学位论文 多通道中频信号数字化及数字复解调系统的设计 第二章中频信号数字化和数字复解调原理 论文中介绍的中频信号数字化和数字复解调系统主要完成图1 1 所示框图中高速处理段 前端的中频信号a d 变换和数字下变频部分的工作。本章简要介绍整个系统的工作流程和工 作原理，在以后各章中将对各个模块分别进行详细的讨论。 2 1 模拟接收机的原理 为了更好地了解中频信号数字化和数字复解调，必须回顾一下模拟接收机的原理。图2 - 1 显示了常规的超外差无线电接收机的原理框图。 a n t e n n a 图2 - 1 超外差无线电接收机的的原理框图 从天线来的射频信号( r f ) 通过天线接收后被放大，通常这个r f 阶段被设置成只放大 有用频段的信号。被放大的i 疆信号接着送入混频器( m i x e r ) ，混频器的另一输入来自本地振 荡器的输出混频器把输入r f 信号转换为中频皿信号，如图2 - 2 所示。 i f b v vm i x e rt r a n s l a t e s 5 t o 舻f r e o u e n c y i + q 叭 l l o c a l o s c i l l a t o r f b - f 蝴- 矗 0 f 啦 图2 - 2 混频嚣把输入r f 信号转换为中频l f 信号 中频阶段是一个带通滤波器，它只让一个信号或者说一个电台通过对于常规的商用无 线电a m 和f m 广播来说，这个滤波器的中心频率是1 0 7 m h z 。带宽为4 5 5 k h z 。中频信号经 解调器恢复出原始信号。对于常用的家用收音机，解调后的信号经音频放大后送入扬声器。 混频器的作用是将两个输入信号相乘并产生一个不同频率的信号本地振荡器的输出频 率可以被调节，它被调节为输入射频的频率与中频频率的频率之差。例如接收一个f m 的信 7 国囤 黼到嘈 中国科技大学硕士学位论文 多通道中频信号数字化及数字复解调系统的设计 号频率为1 0 0 7 m h z ，而中频信号为1 0 7 m h z ，则本地振荡器的输出频率为：1 0 0 7 1 0 7 = 9 0 m h z 这就被称为“下变频”或“频率转换”，因为一个信号由一个高的频率经混频器后被转换 到一个低的频率。中频处理部分的作用是一个窄带滤波器，它把被转换的r f 信号中的- - + 部 分取出来，中频部分的带宽就是接收机所要接收信号的带宽。对于商用f m 信号，其带宽为 l o o k h z ，而a m 信号为5 k h z ，这和它们的中频信道带宽2 0 0 k h z 和l o k h z 是一致的。 2 2 数字接收机的原理框图 数字接收机的原理框图如图2 3 所示。 图2 - 3 数字接收机的原理框图 紧接着射频放大器后的是一个可选的r f 转换摸块，可以用一个a i d 转换器把r f 输入变 换为数字信号。后面的混频器、滤波器和解调器都采用数字信号处理元件。a d 转换器输出 的数据送入一块数字接收器芯片，在图2 - 3 中用点画线框出。这个数字接收器芯片通常由单 片芯片来完成，并成为数字接收机的核心。它又被称为数字下变频转换器d d c ( d i g i t a ld o w n c o n v e r t e r ) 。在系统的设计过程中，使用一块高性能的现场可编程门阵列f p g a 完成专用数字 接收器芯片的功能。 数字接收器芯片主要由三个部分组成：本地振荡器、混频器和实现抽选的低通滤波器。 其原理框图如图2 4 所示。 。”翟渺 图2 4 数字接收嚣芯片原理框图 8 q r e a 中国科技大学硕士学位论文多通道中频信号数字化及数字复解调系统的设计 下面分别对数字接收机的各个组成部分进行简要分析。 2 2 1a d c 、中频采样和带通采样定理 模数转换器( a d c ) 是这种无线电接收机中的一个关键部件。图2 - 5 显示了a d c 在射频 或中频宽带数字化中的应用。 字信号处理器 图2 - 5 d c 的应用 当一个连续的模拟信号被均匀地采样时，原始信号的频谱f ( f ) 按照采样频率的整数倍周 期地重复。当原始信号为一低通信号的时候，这个现象可由图2 - 6 来说明。图2 - 6 ( a ) 是原始信 号f ( f ) 的频谱，图2 - 6 ( b ) 是采样后的频谱f 。( f ) ，这里采样频率f s = 2 f m a x ( 信号带宽) 。 f 曩 一ok 篮f 图2 - 6 采样前及采样后信号的频谱 此时，从图2 - 6 ( c ) 和2 - 6 ( d ) 可以看出，为了避免出现频谱混叠，采样率应该满足奈奎斯特 采样定律：z 2 0 对于中频采样的情况，原始信号更常出现的情况是一个带通信号。设带通信号的中一f i , 频 9 中国科技大学硕士学位论文 多通道中频信号数字化及数字复解调系统的设计 率为c o o ，其上限频率( - 0 ：4 = 2 万厶，下限频率盘k = 2 1 r 五，则其带宽为：b = 厶一五。 f ( ，) ，只( ) 卜 ： 。ii f 图2 7带通信号采样频谱示意图 图2 7 为带通信号采样的频谱示意图。从图中可以看出，若要求频谱在卷积过程中正向 移动n 个z 时不与原频谱相互混叠，则应满足：厶s 一厶+ ”z ( 2 - 3 1 ) 而当正向移动( n 1 ) 个z 时也不与原信号频谱混叠，则应满足： 则( 2 - 3 3 ) 可化为 五一无+ ( h 1 ) z ( 2 - 3 - 2 ) ( 2 3 3 ) ( 2 3 _ 4 ) 2 b ( 1 + 亨k z 2 b ( 1 + 尹k ( 2 - 3 - 5 ) 式( 2 3 5 ) 即为带通信号z 应满足的条件a 对此进行讨论，可得到以下结论 ( 1 ) 当 = n b 时( n 为正整数) ，最低采样率f = 2 b ； ( 2 ) 当厶= n b + 脚( o 七 1 ) 时，最低采样率正= 2 b ( 1 + 尹k ，且可用的采样率限制为 等正器； ( 3 ) 当n 很大( 即窄带信号) 时，晟低采样率可近似取为z = 2 b 既可满足要求。 ( 4 ) 当采样率_ ，= 2 厶时，无论什么情况下都能满足要求。这也正是前面讨论的低通信号 时的情况。 由于带通信号按照采样频率的整数倍重复，因此可以把一个位于射频或中频的带通信号 下变频为一个更低的中频的带通信号。如果选择适当的采样频率，则可实现原始带通信号的 下变频功能。 从前面的讨论中可以看出，带通采样所需的采样频率可以比普通采样所需要的大于或等 于两倍的信号最高频率小很多。这就意味着带通采样可以用较小采样速度的a d c ( 这就潜在 l o 一 o 丝n 一 十 f 一 = 盗。丘b 足满 n ： 即 得 ， 可 n ， 为 m 檄 0 大 和 最 ” 的 丘b 由 令 中国科技大学硕士学位论文 多通道中频信号数字化及数字复解调系统的设计 地提高了a d c 的性能，降低了功耗和成本) 。然而在实现时，一个重要问题是a d c 的模拟信 号通道要能有效地在带通信号的最高频率分量上工作。这一点通常定义在a d c 的模拟输入带 宽上。一般来说，常规的a d c 都被设计为模拟带宽是采样频率的一半。输入信号频率增大时， a d c 的性能都下降。当a d c 用于带通采样时，要检验它的性能指标是否适应较高的输入频 率。此外，带通采样还对a d c 前的滤波器有很高的要求，该带通滤波器要保证有很陡的过渡 带和大衰减的阻带，以确保把临近信道的信号滤除，防止有用信号的畸变。 2 2 2 数字本地振荡器 数字本地振荡器又被称为直接数字频率合成器 d d s ( d i r e c td i g i t a lf r e q u e n c ys y n t h e s i z e r ) 或数字 控制振荡器n c o ( n u m e r i c a l l y c o n t r o l l e ds i n o s c i l l a t o r ) 。它完全是由数字电路来实现的。这个振 荡器可以产生两路精确的、相位相差9 0 0 的正弦波样 本。值得注意的是，a d c 的时钟同时送入数控振荡 器，振荡器数据样本的输出是由采样时钟来控制的， u u n c o 的数据输出速率和a d c 的输出速率一样，都 为z ，它并不随着n c o 的输出频率被设置为多少 而改变。图2 - 8n c o 的频率转换特性 n c o 的s i n c o s 输出是通过相移来实现的。对于一个低频输出，每个样本的相移就小： 而对于一个高频输出，每个样本的相移就大。每个样本的相移正比于输出频率 n c o 还有一个非常重要的频率转换特性，如图2 - 8 所示。当输出频率在两个频率之间转 变时，数字累加器会精确地控制输出正弦和余弦信号的相位，使其保持连续。当频率要发生 变化时，对于n c o 来说实际上是改变每个样本的相位差。这一特性使n c o 能很好地完成 f s k ( f r e q u e n c y s h i f tk e y i n g ) 并且良好地解决了扫频问题。这就避免了采用锁相环频率合成器。 n c o 输出频率的改变是通过加载一个新的数字频率字( 3 2 b i t 二迸制数) 来完成的。这个过程 需要的时间很少，通常只需要l 呻有些数字接收器芯片还将线形调频功能做入n c o 中。 这种快速、可控且精确的扫频功能在雷达系统中非常适用。 在第七章中，将对n c o 的原理，设计作进一步深入的讨论。 2 2 3 数字混频器 数字混频器实际上是两个数字乘法器，如图2 4 所示。从a d 转换器来的数据和n c o 产生的两路正弦和余弦信号相乘。因为采样速率和n c o 的速率一样。混频器数据输出的速率 也是采样速率z 。混频器的输出被称为i 和q ( i n - p h a s e 和q u a d r a t u r e - p h a s e ) ，它们保留了输入 信号重要的相位信息。 从频域角度考虑，数字混频器完成了复解调的功能。对于一个信号x ( t ) 。其频谱为 x ( ) ，对其乘以一个复信号 h ( t ) = e o s ( o 。t ) - j s i n ( a ，, t ) = 矿脚，其频谱为：h ( c a ) = 2 ，r 8 ( c o + a j , ) 1 1 中国科技大学硕士学位论文多通道中频信号数字化及数字复解调系统的设计 则其输出信号y ( f ) = 工( f ) ( f ) 的频谱为： y ( ) = 2 - x ( ) + 日( ) = x ( + 蛾) 这样，如果把数字混频器的两路输出i 和一q 分别作为一个复信号的实部和虚部，这个复信号 的频谱相当于把输入信号的频谱向低频方向平移q ，这样就完成了对输入信号的复解调过 程，将一个输入的实信号转换为单边带复信号。 与模拟的混频器所不同的是：模拟混频器产生许多不需要的分量，而数字混频器却接近 理想的乘法器。混频器的频率转换过程如图2 - 9 所示。 m i x e rt r a n s l a t e s b a n d l od c ln怠 lh “甲j 6 6 t u n i n gl o ：a l i 、 叫f0 3 崔氚8 0 f = i g 图2 - 9 混频器的频率转换 混频器的输出信号已经由一个高频宽带信号转换到直流d c 附近，并有一定的偏移，这个偏 移取决于本地振荡器的频率。通过调节n c o 的频率，可以把r f 输入信号直接转换到d c ， 也就是把宽带的r f 信号转换成中心频率为0 的信号。这样也就可以用低通滤波器将无用信号 滤除掉。 2 2 4 可抽选的低通滤波器 可抽选的低通滤波器以a d c 采样速率接收来自混频器的数据。它采用数字信号处理的 方法实现一个线性相位f i r 滤波器。这个滤波器通过0 到可程控截止频率范围内的所有信号， 而把截止频率以上的频率滤除。滤波器的输入可以是一路输入( r e a l ) 或两路输入( c o m p l e x ) 。 它的内部必须能够同时对两路信号进行滤波。其输出也可以是一路输出( r e a l ) 或i q ( c o m p l e x ) 两路输出，这取决于实际应用的要求。 y 7 叽 0 图2 - 1 0 滤波嚣的滤波作用图2 - 1 1 低通滤波器对信号的提取 图2 1 0 表示滤波器的滤波作用。滤波器保留了0 到滤波器带宽的信号，而把其他高频信 号滤除。注意，滤波器的输出仅仅是r f 输入信号转换到d c 附近中的- - d , 部分信号，而其他 1 2 中国科技大学硕士学位论文多通道中频信号数字化及数字复解调系统的设计 信号都被阻止了。 假定宽带r f 输入信号的带宽是3 0 m h z ，采样频率是7 0 m h z ，有用信号的中心频率是 2 0 m h z ，有用信号的带宽是6 k h z 。通过设置n c o 的频率为2 0 m h z ，低通滤波器的带宽为6 k h z ， 就能把6 k h z 带宽的有用信号转换并提取出来。如图2 - 1 1 所示。从图中可以看出，原来信号 的带宽为3 0 m h z ，而滤波后被降为6 k h z ，而采样频率也由原来的7 0 m h z 降到滤波后信号所 需的7 k h z 。采样率可以被降低了1 0 ，0 0 0 倍。此时滤波器的抽取因子n = 1 0 ，0 0 0 。抽取对滤波 器输出数据频谱的影响将在第八章中作详细讨论。 2 2 5 数字接收机的其他部分 从数字接收机出来的数据一般直接送入d s p 进行处理，如图2 _ 4 中所示。d s p 所完成的 工作主要是信号的解调( a m ，f m ，p m ) ；频率和相位键控( f s k ，p s k ) ；频谱扩展；信号 分析、信号识别、信号记录和信号跟踪等。这一部分的内容非常广泛，由于不是本论文讨论 的范围，在此就不再赘述。 2 3中频信号数字化和数字复解调系统的频域分析 在2 2 节中对整个系统的结构和各个组成部分作了简单的分析介绍。下面以系统设计中 的一种情况为例，说明从频域上看信号经系统中的各个部分后的输出情况。其参数为： 输入信号中心频率：4 0m h z ；输入信号带宽： 5m h z ： 采样频率： 2 4m h z ； i q 输出速率： 6m h z ( 抽取因子n - - a ) 。 4 0 一3 2 - 2 4 - 1 6 - 8081 62 43 24 0 f ( m h z ) 中国科技大学硕士学位论文多通道中频信号数字化及数字复解调系统的设计 一1 0 8 6- 420 24681 0 图2 - 12 经系统各个部分输出信号频谱示意图 2 4 多通道中频数字化和数字复解调系统结构框图 f p g ae p 2 0 k 3 0 0 e q c 2 4 0 一l f ( m h z ) f p g ae p 2 0 k 3 0 0 e o c 2 4 0 - 1 图2 - 13 多通道中频数字化和数字复解调系统结构框图 图2 - 1 3 显示了多通道中频数字化和数字复解调系统的结构框图。系统中使用的a d 转换 芯片为a d 公司的a d 6 6 4 4 。a d 转换后的数据锁存后输入到一块现场可编程门阵列( f p g a ) 中。从图中可以看出，与图2 4 相比，系统设计的关键在于用一块大容量的f p g a 代替数字 接收芯片，在f p g a 中实现数控振荡器、数字混频器和可抽选的线性相位数字低通滤波器的 1 4 中国科技大学硕士学位论文多通道中频信号数字化及数字复解调系统的设计 全部功能。与图2 - 4 不同的是，在f p g a 中，为了节约占用的系统资源，对i 、q 两路数据的 处理不是采用并行方式，而是采用分时计算的方法，在系统时钟驱动下交替处理l 、q 数据。 这样，所需要的f p g a 运算时钟频率应该是a d c 采样率两倍。为达到这个要求，将a d c 输 出的采样时钟经锁相环倍频后输入到f p g a 中作为f p g a 的运算时钟。f p g a 输出的两路i 、 q 数据和其相应的时钟被转化为差分信号后从2 1 0 芯接插件中输出供后端进行进一步的数字 处理。 与模拟方法处理相比，由于整个信号的处理都是由数字电路来完成的，接收器的性能不 会受温度变化的影响和元件老化的影响，不需要进行校准或预防性的维护，这就保证了信道 与信道的完好匹配。同时，f i r 滤波器具有线性相位和良好的瞬态响应，数控振荡器n c o 良 好的频率分辨率和频率转化特性以及数字混频器接近于理想乘法器的良好性能，共同保证了 系统整体性能的优越性。 在论文的第三章、第五章、第六章中，将分别详细讨论系统的各个重要组成部分：a d c ， n c o ，线性相位f i r 滤波器。 中国科技大学硕士学位论文多通道中频信号数字化及数字复解调系统的设计 第三章a d 变换器的性能及中频采样电路设计 由于通信、雷达中的中频信号的频率和带宽都比较大( 中心频率一般在1 0 m h z 7 0 m h z 范围内，带宽在2 m h z 6 0 m h z 的范围内) 。在无线电接收机中，往往可能需要同时接收一个 很强的信号和一个与此相临频率的弱信号。这就需要中频采样a d c 有一个很大的动态范围并 且有很好的寄生信号( 伪波) 抑制功能。在雷达系统中，同样要在一个很大噪声背景下检测 出很弱的目标信号，这就要求中频a d c 有一个很高的s n r 指标。因此，要实现中频采样， 就必须使a d c 既能实现高速采样，又有一个大的动态范围( 高精度) 。 在进一步介绍系统设计所采用的中频采样a d c - - a d i 公司的a d 6 6 4 4 之前，先对a d 变 换器的性能指标做一简要介绍。 3 1a d c 的性能指标 3 1 1a d c 位数与量化电平 模拟数字变换( a d c ) 是将模拟信号转换成数字信号的一个量化过程。但是，这里包含 着时间和幅度两个变量的量化过程，即通常所说的取样和量化。这里主要讨论的是幅度变量 的量化。 由于a d 变换的输出数字量将进一步提供给计算机进行处理，所以a d 变换的输出数字 景采用数字计算机所使用的二进制数字格式，最常用的是自然二进制代码。自然二进制代码 的格式为：2 ”，其中n 为自然二进制代码的位数，也就是a d 变换的位数，它表示a d c 将 输入模拟信号的满量程所量化的小区间数目为2 “。同数字计算机一样，m s b ( m o s t s i g n i f i c a t i o nb i t ) 代表了a d 变换输出数字的“晟高有效位”；而l s b ( l e a s ts i g n i f i c a t i o n b i t ) 代表了a d 变换输出数字的“最低有效位”。 如果输入模拟信号的满量程电压值为f s r ( f u l ls c a l er a n g e ) ，a d c 的位数为n ，量化电 平用q 表示，则有： q ：i f s 矿r ( 3 1 1 ) 3 1 2a d c 的静态性能指标 a d c 的静态性能指标主要包括下述指标： 1 偏置失调误差 o f f s e te r r o r 2 增益误差 g a i ne r r o r 3 微分非线性误差 4 积分非线性误差 5 绝对精度误差 d i f f e r e n t i a ln o n l i n e a r i t y ( d n l ) e r r o r i n t e g r a ln o n l i n e a r i t y ( i n l ) e r r o r a b s o l u t e a c c u r a c y ( t o t a l ) e r r o r ( 1 ) 偏置失调误差 偏置失调误差指a d c 传输特性曲线上理想的偏置点和实际偏置点之间的模拟电压差值。 偏置点指a d c 在当数字输出为0 时台阶的中央点。如图3 - 1 所示： 1 6 中国科技大学硕士学位论文 多通道中频信号数字化及数字复解调系统的设计 一 矿一i 。制了自i l 隋i x i 形格_ _ 一 翻h h e w “i ；4 l s b ) 图3 - ia d c 的偏置失调误差 由图3 1 可见，偏置失调误差对所有输出码产生同样大小的偏置误差，通常可以通过一 个微调的过程来得到补偿。否则，偏置失调误差可以认为是零刻度误差。 ( 2 ) 增益误差 在把偏置失调误差校正到0 后，传输特性曲线上理想增益点和实际增益点之间的模拟电 压差值被称作增益误差。如图3 - 2 所示：增益点指数字输出达到满刻度的台阶的中点。 嘲 n o m - l a h o 7 聃l 叼，哦u 嘻， 图3 - 2 d c 的增益误差( 已经校正偏王失调误差) 增益误差反映了实际传输曲线和理想的传输曲线的斜率之间的差，与每一个台阶的相应 的差别有关。 ( 3 ) 微分非线性误差 微分非线性误差指a d c 的实际传输特性曲线上每一个台阶的长度( 码宽) 和a d c 的最低有 1 7 州 m m 皇03葛量16l著 中国科技大学硕士学位论文 多通道中频信号数字化及数字复解调系统的设计 效位( 1l s b ) 的差。如图3 - 3 所示 o 1 0 1 o 1 0 0 o12346 脯i o 口h p mv a g mi 啪， 图3 - 3a d c 的微分非线性误差 如果微分非线性大于ll s b ，则a d c 就可能会产生失码，即；本来满刻度是2 ”个输出 码中的一个甚至多个输出码永远都不会出现。 ( 4 ) 积分非线性误差 在校正了偏置失调误差和增益误差后，在传输特性曲线的两端作一条直线，a d c 的实际 传输特性曲线上的值与这条直线之间的偏差就是积分非线性误差。 图3 - 4 积分非线性误差 如图3 - 4 所示，a d c 的积分非线性误差在每个输出码跃变到下个输出码时计算。某处 的积分非线性是从传输特性曲线的最底端到此处的所有微分非线性的累积。 ( 5 ) 绝对精度误差 绝对精度误差指a d c 的传输特性曲线上某个输出码上模拟电压值和理想的台阶中点的 模拟电压值的最大差值。如图3 - 5 所示： 主否11d苦l麓a 量iu盖-6-量a己 中国科技大学硕士学位论文 多通道中频信号数字化及数字复解调系统的设计 d 。1 0 1 口1 o 。州o o 。 o12，57 m 嘲i 呻i l s 辨 图3 - 5 绝对精度误差 绝对精度误差中包括了a d c 中偏置失调误差、增益误差、积分非线形和微分非线形误差 及量