一种数字化中频接收机的研究与实现_邱冬冬

1、软件无线电(Software Radio 的概念自上世纪末提出以来,最近几年取得了引人注目的进展。数字化中频接收机是软件无线电的重要部分。软件无线电的主要原理是将数字化推向前端,即是把模数/数模转换器(ADC/DAC 尽量放在射频端,这是数字化接收机的发展方向,也是软件无线电的理想实现方法。早期的数字化接收机受ADC 发展水平的限制,采用正交双通道零中频的实现方案,即将射频通过变频变换到零中频(基带,正交解调得到模拟的正交信号之后再进行数字化。该方案的频率变换主要都在模拟部分实现,数字化较少,不是真正意义上的数字化接收机。而且,此方案实现起来设备量较大,方案中的正交混频器是模拟器件,得到的正交

2、I ,Q 信号也难以保证幅相正交的精度1。目前比较成熟的数字化接收机理论和实现方案是中频数字化接收机,即将射频信号经一次或二次下变频后,在中频(或高中频直接采样,再数字下变频到基带,得到正交I ,Q 信号。软件无线电技术的迅猛发展,使其在航天测控领域的应用成为了可能。在我国当前的C 频段微波统一测控系统中,中频接收机主要由模拟电路构成,这种结构已经逐渐不能达到测控系统的精度要求。数字化已经成为中频接收机的必然发展趋势,关于这方面的研究,已经开展了很多2-6。文中设计了一种数字化中频接收机,该方案采用软件无线电思想,并给出了采用FPGA 和DSP 实现该接收机的方法。1系统工作原理软件无线电的目

3、标和思路是在标准化、完全可编程的硬件平台上,用不同的软件适应通信、测控等业务的各种体制,并实现尽可能多的无线功能,其原理框图如图1所示。在理想的软件无线电中,系统的所有功能都在一个通用的处理器上用软件实现,原则上允许同一硬件平台支持任何物理层和 更高的协议层。文中所设计的数字化中频接收机的应用了软件无线电的设计思路,在中频70MHz 上进行带通采样。输入的信号有和路和差路,其中和路信号包含有测距、遥测等信息,而差路信号则含有角误差信息。和路和差路的输入信号经过滤波和放大后,被A/D 采样变为数字信号,分成I 、Q 两条支路,分别完成数字信号的下变频。其中和路信号分成两条支路分别解调出遥测、测距

4、信息并完成信号幅度检测。环路鉴相输出的误差信号经数字滤图1软件无线电的结构框图Fig.1Software radio structure diagram一种数字化中频接收机的研究与实现邱冬冬,鲁新龙,董炯,金华松(中国卫星海上测控部江苏江阴214431摘要:概述了软件无线电的发展和应用,为满足雷达中频接收机的数字化要求,介绍了C 频段微波统一测控系统中应用软件无线电思想设计数字化中频接收机的方案,对其基本原理和实现的关键技术做了分析,最后给出了应用FPGA 和DSP 等器件实现该接收机的具体方法。整个系统集成度高,可靠性好,使用灵活,已在多个某型C 频段统一测控系统中得到了应用。关键词:软件无

5、线电;中频接收机;A/D ;FPGA ;DSP 中图分类号:TN98文献标识码:A文章编号:1674-6236(201224-0068-03Research and implementation of digital intermediate frequency receiverQIU Dong -dong ,LU Xin -long ,DONG Jiong ,JIN Hua -song(China Satellite Maritime Tracking and Controlling Department ,Jiangyin 214431,China Abstract:The develop

6、ment and application of software radio was described in this paper.In order to satisfy the numeralization need of radar intermediate frequency receiver ,the design scheme of digital IF receiver in which the software radio idea was applied in C -band microwave unified TT&C system was introduced ,

7、the basic principles and key techniques were analyzed ,and the specific implementation method applying FPGA and DSP was put forward.The whole system is highly integrated ,reliable and flexible ,it has already applied in a C -band unified TT&C system.Key words:software radio ;IF receiver ;A/D ;FP

8、GA ;DSP收稿日期:2012-08-03稿件编号:201208010作者简介:邱冬冬(1985,男,安徽涡阳人,硕士,工程师。研究方向:微波信号接收。电子设计工程Electronic Design Engineering第20卷Vol.20第24期No.242012年12月Dec.2012-68-波后控制数字压控振荡器(DCO 的频率和相位完成闭环,并给出多普勒频率偏移信息。和路信号为移相后的环路DCO 输出后信号,该信号与差路信号进行鉴相检测出方位和俯仰角误差信息。移相器与DCO 进行一体化设计,实现和路对差路信号幅度的归一化的AGC 控制信号由和路产生。图2所示的是系统原理框图。2关键

9、技术及器件选择2.1ADC 的设计带通采样适用于带通输入信号,因此将其作为理想的高速中频采样方案7。为了保证采样后不发生频谱混叠,采样频率必须满足:2f h k f s2f lk -1(1其中k 取满足以下条件的整数:2k f h h l且f h -f l fl(2其f s 是采样频率,f h 是信号最高频率,f l 是最低频率。本方案中,载波中心频率为70MHz ,信号带宽为3MHz 。则有:f h =70+B /2=71.5(3f l =70-B /2=68.5(42k Ig 71.5/3=23(52×71.5k f s2×68.5k -1k =1,2,3 (23(6由

10、以上公式,为了保证采样变频输出各段频谱不重叠采样率,f s 的可选择范围很大。ADC 的性能必须满足自身和采样后系统的处理能力,其位数则必须符合一定的动态范围要求及数字处理部分的精度要求。用于中频频段的A/D 转换器件,一般要求动态范围在6080dB 。ADC 选用Analog Devices 公司的芯片AD9432。AD9432为单片式12位的芯片,具有精度高、速度高和性能高的优点,内部有采样保持电路,在整个工作频率范围内具有较好的动态性能指标。对于输入带宽为25MHz 的信号,它的无杂散动态范围可达80dB ,一般情况信噪比为67dB ,模拟输入带宽能达到300MHz ,其最高采样速率可达

11、105MHz ,非常适合用来进行中频采样。实际应用中,考虑到组合干扰等因素,采样频率设定为55MHz ,设为此值可以降低后续滤波器的设计难度。由于输入信号动态范围为-528dBm ,最低幅度低于ADC 的最小分辨率,所以要加一个放大器。而且考虑到由于电路设计中,还有许多电磁干扰因素,中频数据采集ADC 的有效位数定低于12位,较好的情况下能达到10位11位,使得实际动态范围不一定达到60dBm ,因此该放大器还需兼顾一定的AGC 功能。这里选用了NS 公司的数控放大器CLC5526。2.2数字下变频器的设计在ADC 采样后,信号的频率下移到15MHz 附近,还需在鉴相时进行数字下变频才能完成载

12、波信号的解调。设输入的中频模拟信号为:f (t =A (t sin0t +准(t (7采样后的信号为:f (t =A (n sinc n +准(n (8式中:c =2f 0/f s(9DCO 产生的信号为sin (c n ,经90°移相后变为正交信号cos (c n ,与采样信号在混频器相乘后得:y I (n =A /2cos准(n -cos2c n+准(n (10y Q (n =A /2sin准(n +sin2c n+准(n (11通过低通滤波器滤除其中的倍频分量后,得到所需的正交I ,Q 信号:I (n =A/2cos准(n (12Q (n =A/2sin准(n (13由于信号的

13、采样频率较高,即I (n 和Q (n 的速率很高,一般远大于窄带信号的带宽,这时可对其进行速率转换(抽取,以降低此时的输出数据率。不过,应当注意的是抽取后图 2数字化中频接收机原理框图Fig.2Principle diagram of digital intermediate frequency receiver邱冬冬,等一种数字化中频接收机的研究与实现-69-电子设计工程2012年第24期的数据率应大于信号带宽。DCO 的功能是产生频率可变的正交正、余弦样本,并作为数字下变频器的本振信号。输入的信号与DCO 产生的正弦波样本在数字鉴相器中进行鉴相。由于数字载波中心频率为15MHz ,所以DC

14、O 产生的正弦波样本信号的基频应为15MHz 。这样,鉴相的同时完成了数字下变频的功能。乘法器输出的乘积样本再经过低通滤波器,信号频谱被搬移到基带,这样就完成了载波信号解调。DCO 是决定数字下变频(DDC 性能的主要因素之一。数字下变频部分的运算量很大,如果全部由DSP 来完成,对DSP 需要具有很高的处理速度,比较难以实现8。目前,数字下变频功能的实现方式主要有两种:一种是使用专门的数字下变频芯片,如Intersil 公司的HSP50214、HSP50216;另一种是采用FPGA ,自行设计数字下变频器。现场可编程门阵列(FPGA 的主要优点就是其完全可编程性9。在设计中需要处理很多信息,

15、为了提高可编程性和系统的集成度,设计中采用了FPGA 实现数字下变频的方案。本文设计的中频数字接收机,有4路70MHz 的中频信号输入。在本文的设计方案中,FPGA 选用ALTERA 公司APEX 系列的EP2A15,其最大门数可达1900000门,最高工作频率可达200MHz 以上,能满足系统的要求。方案中,不仅4路中频采样信号的数字下变频在FPGA 中实现,而且抽取、滤波、以及DCO 均集成在FPGA 中,FPGA 的资源利用率达到了70%80%。3硬件平台结构数字处理平台基于FPGA +DSP 的结构来构建,将FPGA的可编程性及高速特性与DSP 的复杂运算能力相结合,共同实现数字解调锁

16、相环,完成载波跟踪、环路锁定指示和相关AGC 电压的产生。数据处理平台与微机CPU 进行的数据交换采用PCI 总线接口。结构框图如图3所示。 这种硬件平台结构具有通用、标准和模块化的特点,通过软件编程来实现接收机的各种功能。同时,设计注重结构的开放性和全面可编程性,通过软件的更新改变硬件的配置结构,实现新的功能。采用标准的、高性能的开放式总线结构(PCI ,有利于硬件模块的升级和扩展。4结束语鉴于目前硬件水平的限制,直接对射频信号进行数字化存在困难,只能先将射频信号下变频至中频信号。数字中频接收机是对中频信号进行带通采样数字化,同时还将信号频谱向下复制到零频附近。中频接收机的数字化是测控系统终

17、端数字化的关键。文中设计了一种基于软件无线电、采用FPGA 和DSP 架构的中频数字化接收机实现方案,并分析了其系统工作原理和关键技术细节。该方案基于一个标准的硬件平台,通过不同的加载软件,该平台可以演进成适应多种调制方式的中频接收机,其处理能力可以满足目前测控系统中绝大部分场合的要求。该平台现已应用于国内某C 频段统一测控系统中,大大提高了该系统的整体性能。参考文献:1何勤,束永江.一种通用中频数字化接收机的实现J.现代电子技术,2009(11:94-97.HE Qin ,SHU Yong -jiang.Implementation of general IF digital receive

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19、ed on FPGA J.Information Technology ,2007(7:113-115.4张晓明,陈禾,仲顺安.脉冲多普勒小型数字化中频接收机的设计与实现J.电视技术,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薛继华.一种中频数字化接收机中的自动增益控制方案J.南通纺织职业技术学院学报,2007,7(2:11-14.XUE Ji -hua.A sche