（通信与信息系统专业论文）射频信号采集回放系统的设计与实现.pdf

摘要摘要随着导航技术和空间科学的高速发展，射频信号采集回放系统开始广泛应用于导航、气象、航空航天、通信等领域。它既可以将复杂的空中信号实时采集记录下来，进行分析和算法研究，又可以通过硬件回放模拟真实的工作环境，为各类接收机的开发和调试提供稳定、可靠、可重复使用的信号源，减少现场测试的时间和开发成本。本文根据无线电导航业务的要求，结合国内外数据采集回放技术的特点，提出了一种通用的射频信号采集回放系统的实现方案，并完成了系统的设计与测试。最终实现的系统能够针对1 1 5 0 m 此卜1 6 l o m h z 的频段，完成4 路最高5 5 m h z 采样带宽、l7 0 m h z 采样频率的射频信号采集，并且具有存储、分析以及回放等功能。首先，本文针对系统涉及到的信号采样理论，多速率信号处理理论作了介绍，研究了适合本系统的p c ie x p r e s s 总线技术和磁盘阵列技术，突破了当前其它研究成果在传输与存储速率上的瓶颈。在此基础上提出了系统的指标，完成了关键芯片的选型并确定了系统的总体框图。其次，在硬件设计方面，本文采用模块化思想合理地划分各个功能子模块，详细地论述了各个功能模块的设计依据，重点分析了包括射频前端低噪声放大器、混频器、锁相环的环路滤波器、电源分配在内的关键电路。在逻辑设计方面，本文采用c o i i c 算法设计数控振荡器，采用级联积分梳状滤波器作为第一级滤波，在f p g a 内实现了2 5 k h z 精度的数字变频。利用x i l i l l ) 【的mc o 佗实现了p c ie x p r e s s 的逻辑接口，并完成了对d m a 控制逻辑的设计。最后，本文介绍了系统应用程序的设计，并对系统进行了性能测试。测试结果表明本系统能有效、可靠地工作，并能实现高于9 0 0 m b s 的数据传输。关键词：射频信号，采集回放，p c ie x p r e s s ，f p g aa b s t r a c ta b s t r a c tw i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fn a v i g a t i o nt e c h n o l o g ya n ds p a c es c i e n c e ，t h er fs i 印a lr e c o r d & p l a y b a c ks y s t e mh 勰b e e nw i d e l yu s e di nt h ef i e l d so fn a v i g a t i o n ，m e t e o r o l o g y ，a e r o s p a c e ，c o m m u n i c a t i o na n ds oo n i tc 锄r e c o r dm es i g n a lo f 心a 1w o r l du n d e rd i 矗e r e n tc i r c u m s t a n c e s ，s ot h a tt i l er e s e a r c h e r sc 狮t a k ei ta st h es o u r c eo ft h e i rs t u d i e st ov e r i 黟m e i r sa i g o r i m m m o r e o v e r ，i tc a nr e p l a yt l l es i g n a le i t h e rr e c o r d e do ra r t i f i c i a l l yg e n e r a t e d ，s ot l l a tt h ee n g i n e e r sc a l lt e s tt l l e i rr e c e i v e r so rt e m i n a l su n d e rd i a e r e n tc i r c u m s 协n c e si nt h el a b o r a t o r y w h i c ho b v i o u s l yr e d u c e st l l ec o s to fd e v e l o p m e n ta n df a c i l i t a t e sm et e s t a c c o r d i n gt 0t h e 糟q u i r e m e n to fi t n s s 锄dt i l er c s e a r c ha c h i e v e m e n tb e f o r c ，t i l i sp a p e rp r e s e 鹏t i l es c h e m eo fau n i v e r s a l 盯s i 印a lr e c o r d & p l a y b a c ks y s t e m ，觚dc a r r i e so u tt h ed e s i g n 锄di m p l e m e n t a t i o no ft l l es y s t c m t h es y s t e mc 锄c o m p l e t e4 - c h 籼e li 江s i 印a i sr c c o r d 锄dp l a y b a c k ，m a x i m u ml7 0 m s p sp e rc h 锄n e l ，w i m舶q u e n c yr a n g e 舶ml1 5 0 m h zt 01 6 1 0 m h z ，5 5 m h zo f b a n d w i d t h ，锄dh a s 廿l ef h n c t i o n so fd a t as t o r a g e ，a n a l y s i s 卸dp l a y b a c k f i r s t l y ，f o rm ei n v o l v i n gs i 印a ls a m p l i n gt h e o r y ，t 1 1 ep a p e ri n 们d u c e sm u l t i - 豫t es i g n a lp r o c e s s i n gm e o r y ，m a k e sar c s e a r c ht ot l l ep c ie x p r e s sb u sf o rt h es y s t e ma n dd i s k 绷yt e c h i l o l o g y ，锄db r e a l ( sm r o u g ht h eb o t t l e n e c ko ft h eo t h e rc u r r e n tr e s e a r c ho nt l l et r 蛐s m i s s i o n 锄ds t o m g er a t e s t h ep a p e rp r o p o s e st 1 1 es y s t c ms p e c i f i c a t i o n s t h ef o 肺e rb 嬲e m e 毗粕da c h i e v e ss e l e c t i o no f 廿l ek e yc h i p 锄dd e t e m i n e st t l eo v e r a l lb l o c kd i a 掣锄o fm es y s t e m s e c o n d l y ，i t lt e m so fh a m w a r ed e s i g n ，t l l ep a p e ra d o p t st i l em o d u l a rm e m o dt 0d i v i d et l l ev a r i o u sf b n c t i o n a ls u b m o d u l e sr e a s o n a b l y ，a n dd i s c u s s e st h ed e s i g nb a s i so ft t l ev 撕o u sf h n c t i o n a lm o d u l e si nd e t a i l ，f o c u s i n g 锄a l y s i so ft l l ek e yc i r c u i t si n c l u d i n gi 沛f 如n t e n dl o wn o i s ea m p l i f i e r ，m i x e r ，p l l1 0 0 pf i l t e r ，p o w e rd i s t r i b u t i o n 1 nl o g i cd e s i g n ，也ep a p e rd e s i g n st l l en c ob ym e a n so fc o i t d l ca 1 9 0 r i t h m ，ac i ca b s t 阳c tf i l t e ra st h ef i r s tl e v e lo fn l t e r i n g ，a n da c h i e v e st h e2 5k h za c c u r a c yd i g i t a lf b q u e n c yc o n v e r s i o nb yf p g a u s i n gx i l i n xi pc o r e ，t i l ep a p e rr e a l 泣e sm ep c ie x p r e s sl o g i c a li n t e r f a c e ，觚dc o m p l e t e st h ed m ac o n t r o l i o g i cd e s i 印f i n a l l y ，t h ep a p e rd e s c r i b e st h ed e s i g no ft l l es y s t e m 印p l i c a t i o na n ds y s t e mp e 雨r n l a n c et e s t i n g t h et e s tr e s u l t ss h o wt h a tt h es y s t e mc a nw o r ke f r e c t i v e l ya n dr e l i a b l y ，a n dt 1 1 ec o n t i n u o u st r a n s f e rr a t ei su pt o9 0 0 m b s k e y w o r d s ：i 心s i 印a l ，r e c o r d & p l a y b a c k ，p c ie x p r e s s ，f p ( 认第1 章绪论1 1 课题研究背景与意义第l 章绪论随着导航技术和空间科学的高速发展，信号处理技术迅速地得到应用。自上世纪末以来，数字信号处理技术逐渐成为信号处理领域的关键技术，而数字信号处理的基础就是数据采集，射频信号采集回放系统正是基于采样定理把外界模拟信号转换为数字信号，并通过计算机接口把采集到的数据传输给计算机，计算机对这些数据作进一步分析处理，以满足各种应用。如今，射频信号采集回放系统已成为科研、生产中的重要工具，并广泛应用于导航、雷达、气象、航空航天、通信等领域。这些现场信号具有实时性强、数据率高、数据量大、处理复杂等特点【1 】【2 】，利用射频信号采集回放系统可以将这样的空中信号实时采集并记录下来，迸行分析和算法研究。另一方面，在实际工作中，为了加速新产品的开发速度，验证新开发的接收机的性能指标，经常需要为新设计的接收机提供可编程的测试信号，即通过应用程序的控制，按照一定的要求将贮存在硬盘中的实际采集的或编程产生的射频信号快速回放( 硬件回放) ，以模拟真实的工作环境，从而为各类接收机的开发和调试提供稳定、可靠、可重复使用的信号源，减少现场测试的时间和开发成本。因此，射频信号采集回放系统可用于生产线测试、野外便携式测试、高性能实验室测试、车载测试等。综上所述，本文设计的射频信号采集回放系统针对导航领域主要具备以下两方面应用：( 1 ) 导航信号采集与分析i t u 分配给无线电导航业务( i 斟s s ) 的频谱资源是非常有限的，在l 频段划分给l s s 的下行频段为l1 6 4 m h z 1 2 1 5 m h z ，1 2 1 5 m h z 1 2 6 0 z ，1 2 6 0 m h z 1 3 0 0 m h z 和1 5 5 9 m i z 1 6 1 0 m h z ，c 频段为5 0 l o m h 卜5 0 3 0 m h z 。本系统的1 1 5 0 m h z 1 6 1 0 m h z 可设置中心频点覆盖了l 频段，采样带宽也能覆盖频谱资源最为紧张的l 1 b l 频段。射频信号采集回放系统可以将设计范围内的目标导航信号实时采集记录下来，进行分析和算法研究。( 2 ) 软硬件接收机设计及测试】射频信号采集回放系统的设计与实现真实重现现场射频频谱特性，为各类软硬件接收机的开发、调试提供稳定、可靠、可重复使用的信号源，减少昂贵繁琐的现场测试，缩短产品市场化时间。通过改变系统的射频频点，又可将该系统构建成为一套通用的射频信号采集回放系统，应用于以下其他领域：( 1 ) 通信信号采集回放针对n t s c 、p a l 、s e c a m 制式的模拟电视信号，d v b t 、a t s c 、i s d b t 、d c 2 、c m m b 制式的数字广播信号，w c d m a ，g s m 等2 g ，3 g 通信信号进行采集回放。( 2 ) 无线通信环境下信号监测及分析监测无线信道中的信号及误码率等指标，为信号分析、信息安全、调制技术开发提供依据。( 3 ) 实验室模拟测试可以模拟各类无线环境下的信号失真，如噪声干扰、多径衰落、多普勒效应、回波干扰等导致的信号功率水平、相位、频率、带宽的衰减或失真。1 2 国内外研究现状1 2 1国内外代表产品综述目前，典型数据采集回放系统是由射频模块、模数转换器、数字信号处理器、现场可编程门阵列( 复杂可编程逻辑器件) 以及数模转换器构成。其中射频模块完成射频与中频之间的上下变频，模数转换器( a d c ) 完成把中频模拟信号转化为数字信号，数字信号处理器用来处理a d c 采样后的数据，而现场可编程门阵列( f p g a ) 或复杂可编程逻辑器件( c p l d ) 用来对整个系统进行控制，数模转换器( d a c ) 将输出的数字信号转化为模拟信号以驱动外部设备。当采样频率很高时，a d c 采样后的数据量很大，d s p 对采样后的数据不能及时进行处理时，还需要使用外加的同步动态存储器( s d r a m ) 缓存采集的数据。同时，采集系统有时需要与计算机进行数据交换，因此需要在系统上设计例如p c i 、i s a 、u s b 等类型的数据接口【引。2第1 章绪论目前国内外主要代表产品有a v e m a 的u r t 通用接收机测试仪，以及v is e r v i c en e 仰o r k ( 上海聚星仪器) 构建的通用数字和模拟电视信号录取与回放系统。a v e m a 是n i ( n a t i o n a li n s t r u m e n t s ，美国国家仪器) 在美国的一家系统集成商，主要从事射频产品系统增值服务，v l s n 是n i 在中国的一家系统集成商，同样从事射频产品的系统增值服务，两家都采用n i 的射频硬件和l a b v i e w 虚拟仪器技术来开发。a v e m a 的产品是一体化的，核心部分来自n l ，采集带宽可扩展，并带有低噪声放大和自动增益控制的前置放大器。射频信号既可以在采集时的实际强度和频率下得到播放，也可以通过自动增益控制和可设置的前置放大器来对信号频率和幅度进行位移。另外多通道信号的记录和播放的同步可达到几个纳秒，从而适用于诸如天线差异性测试或射频接收器检验的多信号应用。产品的主要优势是作为一个完整的商品，稳定性有足够保证。聚星的产品是一个解决方案，可以根据客户的需求定制和集成，用同样的n i 设备作为核心，价格是a v e m 的一半，主要优势是扩展性好。1 2 2 采集回放技术研究现状在国内研究方面，近年来，随着国防和民用的大量需求，许多高校和科研机构对数据采集工作越来越重视，于是，数据采集技术取得了突飞猛进的进步，高速高精度a d c ，l v d s 、光纤、f p d p 接口传输，以及r a i d 技术的采用，都很好地促进了数据采集的研究和实际应用。目前，基于p c 机的数据采集处理系统仍然是实际设计应用的主流。它主要分为两类，一类是基于i s a 、p c i 、p c ie x p r e s s等总线协议的板卡式数据采集系统，另一类则是基于r s 2 3 2 、r s 4 8 5 、i e e e l 3 9 4 、u s b l 0 、u s b 2 o 等传输协议的分布式数据采集系统【4 】。国内的主流研究主要集中在采用u s b 2 o 、p c i 总线传输，s c s i 、s a l l a 磁盘阵列进行存储的方法来研制采集记录设备，采集速率在几十至上百m b s 不等的研究水平，有的实现了更快的采集速率【5 j 。国内的一些高校在数据采集方面取得了一些成果，特别是哈尔滨工业大学和中国科技大学已经研制出采集速率比较高的采集卡1 6 】f 7 】。中国科技大学近代物理系快电子学实验室研制了具有最高采样率为l o o m s p s ，采样精度为8 b i t 的8 通道同步高速数据采集系统。此系统基于p c i 总线结构和计算机并口技术，由一个射频信号采集回放系统的设计与实现8 通道1 0 0 m 】时钟触发分配器和8 块高速a d 卡构成，各个数据采集卡之间的同步误差在o 5 n s 之间，具有良好的数据采集同步性。同时，该实验室成功实现了6 4 通道，1 0 0 m s p s 采样率，8 b i t 采样分辨率高速同步数据采集，在系统同步方面也具有良好的性能，已被应用于某国防领域1 3 】。综上可知，当前的采集与回放系统一般都是分开的，并且往高精度，高速率和多通道上发展，多数产品属于非独立式数据采集系统，即硬件上还依赖于p c机。一方面国内基于p c ie x p r e s s 总线以及硬盘阵列为存储媒质的、集数据采集与回放功能于一体、且具有数字信号处理功能的产品不是很多，稳定性也不是很高；另一方面国外的产品价格又极其昂贵。因此，设计一个稳定可靠、性价比高的数据采集回放系统是很有应用价值的。1 3 本文的工作与结构本文结合国内外数据采集回放技术的特点，研制一套通用的射频信号采集回放系统，并对其整体方案及软硬件实现进行详细地阐述。该系统具有以下特点：( 1 ) 4 通道同步数据采集，最高采样速率高达l7 0 m h z ；各通道5 5 m h z 的采样带宽，1 1 5 0 m h z 1 6 1 0 m h z 的可配置中心频点，最大1 2 b i t 的可配置采样位宽；( 2 ) 基于嵌入式高性能i o 处理器和p c ie x p r e s s 总线技术实现，可实现高于9 0 0 m b s 的持续数据流盘；( 3 ) 具备数据回放功能；( 4 ) 软件集成信号频谱分析以及导航信号分析功能；( 5 ) 结构一体化，整个系统全部装载于一个机箱中。本文共分为6 章，各章节的内容安排如下：第l 章是文章的概述，主要分析了本文的研究背景与意义，国内外研究现状，最后简要介绍了本文的工作和结构。第2 章是射频信号采集回放系统的总体设计部分，本章首先介绍了系统涉及到的信号采样理论、多速率信号处理理论以及数据传输与存储技术，然后提出了系统的功能指标，完成了关键芯片的选型并确定了系统的总体框图。第3 章是硬件设计部分，是本文的核心部分，本章采用模块化思想将系统合4第1 章绪论理地划分成各个功能模块，详细地论述了各个模块的设计依据。重点分析并仿真了包括射频前端低噪声放大器、混频器、锁相环的环路滤波器、电源分配在内的关键电路。第4 章介绍了射频信号采集回放系统的逻辑设计，本章采用c o r d i c 算法设计数控振荡器，采用级联积分梳状滤波器作为第一级滤波，在f p g a 内实现了2 5 k h z 精度的数字变频，同时利用x i l i n x 的i pc o r e 实现了p c ie x p r e s s 的逻辑接口，并完成了对d m a 控制逻辑的设计。第5 章介绍了射频信号采集回放系统的软件开发及功能测试，主要包括客户端应用程序的开发以及系统的采集、回放测试。第6 章总结全文的工作，并指出下一步的研究方向和内容。第2 章系统总体方案第2 章系统总体方案本章将首先介绍射频信号采集回放系统涉及到的关键理论，在此之后提出射频信号采集回放系统的技术指标要求，并根据技术指标要求，对关键芯片进行选型并对系统的总体功能框图进行确定。2 1 系统基本理论2 1 1 采样定理射频信号采集回放系统正是基于采样定理把外界模拟信号转换为数字信号，并通过计算机接口把采集到的数据传输给计算机，计算机对这些数据作进一步分析处理，以满足各种应用。所以，射频信号采集回放系统的首要问题就是对模拟信号进行采样。这里首先介绍两个重要的信号采样定理。2 1 1 1 奈奎斯特采样定理采样器即是一个开关，示意图如图2 1 所示。+!、，jf )l-+f )一图2 1 采样器示意图采样器每隔时间t 接通输入信号一次，接通时间为f ，显然，采样器的输出信号z ( f ) 只包含开关接通时间内的输入信号厂( f ) ，即对原输入信号的采样，如图2 2 所示。射频信号采集回放系统的设计与实现图2 - 2 采样过程示意图采样的过程也可以用一个数学模型来表示，如图2 3 所示。图2 - 3 采样器的数学模型即采样信号z ( f ) 可以看成是原信号( ，) 和一开关函数s ( r ) 的乘积，即z ( f ) = 厂( f ) s ( f )( 1 1 )j ( f ) 是一个周期性门函数序列，每一矩形脉冲的幅度为1 ，宽度为了，即j ( ，) = g f ( 卜七丁)i z ”( 1 2 )在理想采样情况下，即当f _ o 时，s ( f ) 是由无限多项单位冲激函数万( f ) 等间隔构成的一个单位冲激序列，即s ( ，) = 万( ，一七r ) = 磊( f )= - 这里，我们把r 称为采样周期。于是采样后的信号为8( 1 3 )第2 章系统总体方案z o ) = 厂o ) s o ) = o ) 万( f j j 丁)= 厂o ) 万( f 一七丁)( 1 4 )= ( 打) 万( 卜七丁)可见采样的结果是使原来连续的模拟信号变成在f = o ，丁，2 丁这些点上的离散序列。对采样后的信号进行傅里叶变换，得e o 归) = 寺，o 归) 吖哆艿( 彩一七q ) 】z7r；=二= 参量即1 吲缈一酬( 1 5 )= 球且“刚】下一o其中，q ：孕为采样频率。可见，采样信号的频谱是将原始信号频谱以采样频率为周期进行周期延拓，如图2 4 所示。原信号口，r tt 下t、单位冲激序列，v ，7、计jt 、1 、，髭 蓊、原信号频谱叫，7下t 气l奉il、单位冲激序列的频谱c 【p ”) 7励饧髭蓊励历、采样后信号采样后信号的频谱图2 4 信号采样过程的时域及频域示意图射频信号采集回放系统的设计与实现如果原信号的最高频率为，只有当采样频率q 2 时，周期延拓后的频谱才不会发生重叠，将采样后信号通过一个截止频率为冬、增益为丁的理想二低通滤波器，可以不失真的还原出原信号，这个定理称为奈奎斯特( n y q u i s t ) 采样定理【9 】【1 们，或香农( s h a n n o n ) 采样定理。它说明模拟信号可以有条件地由其无数个离散点上的数值恢复出。能够完全重建原信号所需要的最低采样频率q = 2 称为奈奎斯特采样频率，丁：丝：三称为奈奎斯特采样间隔。q如果不能满足上述采样条件，即q 2 ，就会导致采样信号的频谱发生混叠，进而无法完全重建原始信号。工程上一般将采样频率提高到q = ( 3 5 ) 2 或者引入抗混叠滤波剁l l 】【1 2 】来避免混叠。2 1 1 2 带通采样定理奈奎斯特采样定理告诉我们奈奎斯特采样频率受到信号最高频率分量的限制，然而若要对一个有限频带( 无，厶) 信号进行采样，当信号最高频率远大于其带宽，即厶厶一无时，则会引入这样的问题：高速a d c 价格昂贵，甚至难以实现；相位噪声增大，采样抖动造成信噪比恶化；采样速率过高，后端信号处理速度难以实现。因此，对此类带通信号的采样我们应该遵循带通采样定理。由于带通信号的频谱并未占据( o ，厂) 整个频段，因此不失真重建原始信号并不一定需要采样率高于两倍以上信号最高频率。在一定条件下，可以通过欠采样不失真重建信号，这就是所谓的带通采样定理。事实上，很早以前文献【l3 】就给出了带通采样定理的准确阐述，但由于其采用物理谱表示被误认为是讨论单边带带通信号的采样问题【1 4 1 ，未能引起人们重视。直到近年来随着数字信号处理技术及全数字化接收机技术的发展，带通信号的采样问题才重新受到重视，文献【1 5 j等重新阐述了上述带通采样定理，并给出了相应的证明。带通采样定理的内容是：设有一个频率带限信号x ( f ) ，其频率限制在( 无，厶)内，在实信号采样情况下，只要其采样频率满足条件第2 章系统总体方案等z 器( 1 6 )便能由采样信号重构原始信号。其中，为满足2 _ 血号的整数。jhjl不难看出，带通信号的采样频率也可以表示为2 曰正2 无( 1 7 )其中b = 厶一无，采样频率z 最小能取到2 曰，这也是带通采样定理的最低采样速率。带通采样定理表明，对于带通信号来说，由于频带的限制，可以使用低于奈奎斯特采样定理要求的采样频率对信号进行采样，也就是欠采样，从而减轻传输和后级信号处理的工作量，降低后级电路的设计难度【悯。2 1 2 多速率信号处理多速率信号处理是本文设计的射频信号采集回放系统在数字域首先要做的一项重要工作，多速率指的是在一个信号处理系统中往往需要多个不同的采样率及采样率之问的相互转换【1 7 】。在数字变频的过程中，下变频的目的是降低采样率，以减少信号的数据速率，减轻系统的数据压力，其采样率变换的理论基础是抽取：上变频的目的是增加基带信号采样率，并把其搬移到载波频率上，其采样率变换的理论基础是内插。2 1 2 1 整数倍抽取考虑对一模拟信号( f ) 以z 的采样率进行采样，采样后得到序列x ( 刀) ，然后把采样率降低到去倍，再对( f ) 采样，得到新的序列劫( 刀) ，此时采样频率z 2 台。可以看出，抽取就是依次从x ( 胛) 中每连续的d 个采样点中取出一个，由此组成序列劫( 疗) ，表示成为( 疗) = 颤锄)( 1 8 )为了方便分析，我们引入中间序列x 口( 刀) ，定义为射频信号采集回放系统的设计与实现加) = 渺巍+ n 坳，显然，x 。( 刀) 可以表示为x ( ，1 ) 和一个脉冲序列p ( 玎) 的乘积，即( 胛) = x ( ”) p ( 刀) = x ( 力) 万( 刀一豇) )其傅里叶变换乃( p 归) = x ( 玎p ( ”) p 咖2 互咕丢一2 删w m= 去x ( p “神州功)上7i = o不难看出，x 。( 玎) 去掉零值点后即为( ，1 ) ，即勤( 刀) = x 口( 切) 千x ( 切)其傅里叶变换( p ) = 吻( m 叫”n l = = ( 锄弘巾h= ( 咖喇州d月为d 的整数倍由于n 不为d 的整数倍时( ”) = o ，所以上式可以表示为( 1 9 )( 1 1 0 )( 1 1 2 )( 1 1 3 )局( p ) = 讳( 拧弘巾_ 加= o 归佃)( 1 1 4 ) = 将( 1 1 1 ) 代入( 1 1 4 ) ，得到局( p ) 和x ( 口归) 的关系：局( p ) = ( p 扣仞) = 去x ( p “_ 2 棚加)( 1 1 5 )1d l上，= o所以，局( e 归) 是原信号频谱x ( p p ) 先作频率的。倍扩张，再按吾的整数倍移位后叠加而成的。图2 5 表示了艺( f ) 、x ( 万) 、而( 刀) 及其频谱之间的关系。第2 章系统总体方案k o ”) |l7。一o 原始信号的频谱i x ( c ”l 三爪爪2 j r一万一妒0 万2 ，r= q r采样序列的频谱k ( 叫上个j 1 2 b i t有效位数1 0 b i t最大采样率1 2 0 m s p s模拟输入带宽5 0 0 m h z无杂散动态范围7 0 d b中频信号d a c输出最高分辨率1 2 b i t无杂散动态范围7 0 d b采集到同放等效噪声系数8 0 0 m b s远程数据读取速率5 0 m b s射频部分输入输出频率1 1 5 0 m h z “1 6 1 0 m h z单通道输入信号带宽5 2 m h z动态范围7 0 d b最大输出信号功率3 0 d b m衰减幅度0 d b 1 0 0 d b带内寄生信号 1( 2 5 )i 墨。1 2 l i 墨：岛。i( 2 6 )i l l( 2 8 )l l lt( 2 1 0 )且 o( 2 1 1 )d ) 参量判据是一种结合了尺、两个参量的单参量判据，其不仅能够检验一个放大器是否稳定，而且可以判断两个放大器或系统稳定性的高低。放大器无条件稳定需满足： l( 2 1 2 )( 2 ) 增益在保证了稳定性的情况下，增益是放大电路最重要的性能指标。这是因为进入天线的有用信号一般都是很弱的衰减后的信号，如果增益不够，那么后端的处理会很困难。但是，其增益又不能超过后端混频器等器件的线性范围，否则会带来失真。有三种放大器增益描述：工作功率增益g p 、转换功率增益g t 、资用功率增益g a 。对于实际的低噪放，增益通常是指源和负载都是5 0 欧姆情况下的实测功率增益。g = 圪( 2 1 3 )一般来说低噪放的增益在l o 2 2 d b 之间。射频信号采集回放系统的设计与实现( 3 ) 噪声系数噪声系数定义为系统输入信噪比与输出信噪比的比值：，= 耠噪声系数表征了信号通过系统后，系统内部噪声造成信噪比恶化的程度。不难看出有噪声系统的噪声系数均大于0 d b 。对于级联而成的整个系统，噪声系数又可以表示为，呜+ 等+ 等+ 其中，。、，：、，分别为第一、二、三级的噪声系数。g l 、g 2 为第一、二级的增益。可以看出，低噪放作为系统的第一级放大器，它的噪声对整个系统的性能起决定性作用，同时它的增益可以抑制后级电路噪声对系统的影响。一般来说低噪放的噪声系数小于6 d b 。( 4 ) 线性度一般用l d b 压缩点和三阶交调截点来描述低噪放的线性度。当放大器的输出功率较低时，输出功率与输入功率成比例关系。然而，当输入功率超过一定的量值之后，增益开始下降，当增益下降到与在很低的功率时相比增益减少l d b 时的输入功率点即为l d b 压缩点，如图3 - 2 。三阶截取点是表示线性度或失真性能的参数，高的三阶截取点表示更好的线性度和更少的失真。通常用两个输入音频石、五测试，放大器的输出是两个欲得到的有用信号。因为放大器不是理想线性的，将产生许多交调分量硕织m ，阼= 0 ，l ，2 其中2 石一五和2 石一石两个分量在频率上距离有用信号非常近，因此不能用滤波器轻易地去除它们，这两个频率分量就叫做三阶交调分量。三阶截取点指的就是基波和三阶失真输出曲线交点的理论输入功率，如图3 2 。第3 章系统硬件设计与实现圪，( 如研咄丑嬲图3 21 曲压缩点和三阶交调截点示意图除了上述低噪放的主要指标外，设计时还需考虑增益平坦度、端口驻波比、阻抗匹配等。射频模块多处用到低噪声放大器，以最前端的低噪放设计为例，设计目标是：工作频率1 1 5 0 m h z 1 6 1 0 姗z ；噪声系数 1 3 d b ；输入输出驻波比 1 5 。设计时采用了a 、厂a g o 公司的a r f 3 3 1 4 3 ，该放大器具有噪声低、线性度好、增益高等优点，在1 9 g h z 处有1 5 d b 的增益和0 5 d b 的噪声系数【3 4 l 。其内部结构如图3 3 所示。 t f j 3 1 】o d e li n s i d p o ck o g 衄拦r 一，- ，器靠嚣&上一一_ 一p溅氦量；“”ti 亡= 】_叫= 讪b1 矿邕留垃篱刍上融i蛰甜r”tl醢：-当昏卅_ j m1 匹矽矿嚣孺。_ ”品；i 一群嚣汝器巍甜| - s “l参器誉譬d r 一_ 饵t - - 1：嚣：= ：篇譬mr _ i 舳_ 1 _ 一r 一d * _ _ i图3 3a t f 3 3 1 4 3 内部结构图在a d s 中搭建如图3 - 4 模型对其进行仿真，设置变量及优化目标。射频信号采集回放系统的设计与实现图3 4匹配后低噪声放大器电路仿真原理图仿真得到结果如图3 5 所示，其增益、噪声系数、输入输出驻波比都很好地满足指标要求，并且在所需频段内，放大电路的稳定因子大于l ，所以该低噪放模型绝对稳定。第3 章系统硬件设计与实现薯k 一_ 一蹿l 煎塑：塑i i 。；j 匣r = 二 薯黔、涮匿翌j艮：冀鬲一蓁# = 主嚣i 国- 1 厂t r t t - r 1 一瑚斗r t r t t 1 r 一3 1 1 2 混频与滤波图3 - s 低噪声放大器电路仿真结果混频删x 神是射频接收前端的另一个关键模块，它位于低噪放之后，负责频率的搬移，产生新的中频以便进一步提取和处理信号。频率搬移实现的最基本理论模型可以表示为：似c o s 锡f ) ( b c 。s 吐f ) ：华【c 。s ( q 一吐) f + c o s ( 皑+ ) f 】( 2 1 6 )从上式可以看出，混频器应至少包含三个信号：两个输入信号和一个输出信号。习惯上我们将混频器的两个输入信号定义为射频输入r f 和本振输入l o ，频率分别记为和，将混频器的输出信号定义为中频输出，频率记为，这样，式( 2 1 6 ) 可以表示成混频器更常见的数学模型：( 如c o s 纠钆c o s f ) - 冬 【c o s ( 一) f + c o s ( + ) ，】( 2 1 7 )混频器输出的信号中含有两个频率分量：和频分量( + ) 和差频分量( 一) 。在下变频系统中，需要的信号为差频信号，通过一个带通滤波器可以把和频分量以及谐波干扰滤除。在上变频系统中，需要的信号为和频信号，通过一个带通滤波器同样可以把差频分量以及谐波干扰滤除。所以混频和滤波是密酉函，圆圈嗣| 霉些篓i匾匾姓眨一兰一一百一一一一一i一一一卜t1_r丁trtrr厂101j斗射频信号采集必放系统的设计与实现不可分的，这也是本文将混频与滤波合为一节的原因。下面我们对混频器的主要性能指标进行讨论。( 1 ) 转换增益( 损耗)混频器的转换增益定义为输出中频信号与输入射频信号的比值，表征混频器转换信号能力的强弱，增益越大，转换能力就越强。有电压增益4 ，和功率增益g 。两种表征形式汹3 ：扣争( 2 1 8 )q = 等( 2 1 9 )混频器可以分为有源混频器和无源混频器两种，它们的本质区别在于有源混频器向外提供信号功率而无源混频器消耗信号功率。由于无源混频器的增益小于1 ，我们又称之为转换损耗。有源混频器的增益大于l ，可以在一定程度上降低后级信号链的噪声对系统的影响。( 2 ) 噪声系数由于混频器已经处于接收机的第二级，所以对它的噪声要求不像对低噪放那么苛刻，但另一方面，从级联系统的噪声系数表达式( 2 1 5 ) 可以看出，由于低噪放的增益有限，降低混频器的噪声系数可以反过来减小前级低噪放设计的压力。混频器的噪声系数一般定义为单边带噪声系数( s s bn f ) 和双边带噪声系数( d s bn f ) 两种，通常，s s bn f 比d s bn f 高3 d b 。在超外差接收机中，s s bn f 反应混频器的噪声系数，因为混频器在将有用信号频带内的噪声搬到中频的同时也将位于镜像频带内的噪声搬到中频。然而对于零中频方案的接收机，由于射频频率和本振频率相等，所以混频器只将有用信号频带内的噪声搬到中频，因此d s bn f 反应了零中频接收机混频器的噪声系数嘲。( 3 ) 线性度线性度决定混频器所能处理的最大的信号强度，通常用1 d b 压缩点和三阶交调截点来描述混频器的线性度。在上一节中已经对这两个参数进行详细说明。故不再赘述。第3 章系统硬件设计与实现( 4 ) 端口隔离度混频器作为一个工作在射频频段的器件，同时又具有两端口输入和一端口输出，所以各端口之间必须具备良好的隔离，以减小端口信号的相互干扰。否则，很可能出现强本振信号耦合到射频输入端口，影响前级低噪放，甚至通过天线辐射出去，或者出现强本振信号泄露到中频输出端口，使后级模块饱和。本文设计的射频信号采集回放系统采用二次变频体系，以第一级下变频为例，我们根据“输入信号频率1 1 5 0 m h z 1 6 1 0 m h z ”的指标，选用了a 、，a g o 公司的n m 9 2 5 1 6 ，这是一款4 0 0 m h z 3 5 0 0 m h z 的g a a sf e t 混频器，具有2 7 d b m 1 9 1 g h z 的高输入i p 3 ，6 d b 的典型转换增益，1 2 5 d b 1 9 l g h z 的s s b噪声指数，另外具有较高的l o i 强隔离度【3 7 1 。其内部结构如图3 6 。图3 - 6i a m 9 2 5 1 6 内部结构图我们根据系统“输入信号带宽5 2 m h z ”的指标，在混频器后端，配合使用声表面波滤波器t b 0 9 6 9 a ，其中心频率2 7 9 7 m h z ，带宽5 5 m h z ，频率特性如图3 7 。这样，通过调整本地振荡器( l o ) 的频率，第一级下变频实现将1 1 5 0 m h z 1 6 l o m h z 内5 5 m h z 带宽的信号搬移到中心频率2 7 9 7 m h z 处。射频信号采集【叫放系统的设计与实现- _ do qo _ m ，h - - c。”可i 蕊酾i 蕞蚕琢j n 1 o ，“图3 7t b 0 9 6 9 a 频率特性图【3 8 】在a d s 中根据所选器件模型搭建第一级下变频电路，如图3 8 所示。h r 棚c b 鲥自n c oh b lm l o r d 5f r 刚卜1 5 s 7 啦g h zf r 习- 1 5 0 2 蛇g f f q 【3 j - 1 瑚2g o l m l l 卜3o r 由町2 i t 3a 咖- 3n o k c 州 抽d 扣v 雌a s e o mo s c l- 虻f r - 口- 1 箱7 4 2g h z呐s t 甜1 0 p 曲恻m州甜o p l l ook r “加o ，j 蛔蔓k 8p 怕，d 岫p 嘲( o 枷1 0 井怔7 0 1 k 1 似艚)c 扪- f r 口- 1 m h zp 啊d 蚋p 哺n 啪t d _ 叶n mn 瞳”n 口d q l l i v o uv o “图3 8系统第一级下变频电路仿真原理图用频率为1 5 5 7 9 2 m h z 和1 5 9 2 9 2 m h z 的两个间隔3 5 m h z 的输入音频进行仿真，得到混频器输出和整个第一级下变频电路输出的频率响应如图3 9 。可以看出，混频器将射频输入按照本振频率进行上下变频，同时产生很多交调分量( 仿真中只模拟至五阶交调) ，经过滤波器后，除了三阶交调分量外，其他交调分量已被滤除( 3 5 0 d b m ) 。3 2第3 章系统硬件设计与实现f r e a = 2 7 0 5 m h 臣d b 州m 仪o u c l = 6 8 9 4 1 jn 1 6f r e q = 3 0 5 5 m h 臣d b n i 政o u i = 塥9 1 6 硬f m 4仃e 口：3 0 5 5 m 卜垃 d l 撕r b ) ：- 8 2 2 5 3【盯6 仃e 口= 2 7 0 5 m d b 暇v 撕 ；8 3 s 19 lp p p p p p p p p 9 _ n h 卜冬小小b 州j p。1 嘲r “。“”“。“o 。” r t 自仃e 口= 3 4 0 5 m i 嚼d b 啊v o u i ) 一2 3 2 5 0 2i m l 0仃e c f 2 3 5 5 m 掩d b m ( v b u t ) 啦12 0图3 9 系统第一级下变频电路仿真缩果3 1 2 信号采集，回放模块以通道l 为例，信号采集回放模块的组成框图如图3 1 0 所示。图3 1 0 信号采集回放模块组成框图3 3彤御惯抛抛毒瑚珊瑚袖-_-需鬻器嚣嚣器- - -射频信号采集凹放系统的设计与实现此模块实现中频信号数字化或模拟化，为保证信号的质量，系统设计时将整个采集与回放链路的噪声系数控制在2 d b 以内。此模块主要包括前端滤波网络设计、黼a 转换，以及f p g a 内部信号的变频及传输，其中f p g a 部分将在第4 章独立介绍，本节对模数转换以及数模转换的相关设计进行讨论。3 1 2 1 模数转换部分在第2 章器件选型的一节已经提到，系统采用了a d i 公司的1 7 0 m s p s 高速采样的1 2 位a d c 芯片a d 9 2 3 0 ，具有8 6 d b 的无杂散动态范围，1 0 5 位的等效有效位数，输入的信号带宽高达7 0 0 m h z ，并且具有极低的功耗。其内部框图如图3 - l l 所示。啊 s d b dj i j c lv 卜v l -a 酗j k -魁嗣疆姒啪图3 - 1 1a d 9 2 3 0 内部框图【3 9 1a d c 前端的配置设计对系统性能至关重要，一股我们采用放大器或者变压器来驱动a d c ，在选择放大器还是变压器来驱动a d c 时，要考虑以下因素：表3 - l 选择放大器变压器驱动a d c 的考虑因素参数通常优选带宽变压器增益放大器通带平坦性放大器功耗要求变压器噪声变压器第3 章系统硬件设计与实现放大器( 保持直流信号)直流与交流耦合变压器( 隔离直流信号)不难看出，当信号的频率较高且a d c 的输入端不允许很大的附加噪声时，变压器具有超越放大器的最大性能优势。本文设计的射频信号采集回放系统的输入信号频率从几m h z 到几十m h z ，频率范围比较大，而且带宽需要达到5 2 m h z ，故设计时采用了变压器耦合的方式，将单端信号转为差分信号，具体连接如图3 1 2 所示。j 1图3 1 2a d 9 2 3 0 的前端输入配置电路a d c 的共模参考电压输出端连接一个2 2 u f 的电容c 8 ，而后通过一个5 0 q的电阻r 1 4 连接到变压器的中心抽头，为输入信号提供共模电压，为了减小共模电压上的纹波噪声，在变压器中心抽头位置添加了一个o 1 u f 的电容c 7 ，由c 7 、r 1 4 和c 8 组成一个r c 的7 c 型滤波器。而且输入