一種短波軟件無線電臺數(shù)字中頻單元的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求，基于FPGA設(shè)計(jì)了一種可用于民用短波電臺的中頻數(shù)字處理單元。分析了相應(yīng)的工作原理、性能特點(diǎn)及實(shí)現(xiàn)方法；結(jié)合音頻信號的處理流程進(jìn)行了深入的研究并實(shí)現(xiàn)了該單元。經(jīng)過實(shí)際測試，證明所設(shè)計(jì)的中頻數(shù)字單元性能優(yōu)良，可滿足使用要求。
關(guān)鍵詞：中頻數(shù)字化；FPGA；DDC；DUC；AGC

0 引言
軟件無線電技術(shù)是20世紀(jì)90年代以后逐漸興起的一種全新的設(shè)計(jì)理念，其核心是在通用的通信硬件平臺上加載不同的軟件，實(shí)現(xiàn)不同通信方式之間的轉(zhuǎn)換。基本的方法是將寬帶A／D轉(zhuǎn)換器盡可能地靠近射頻天線，以便盡早地將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，最大限度地通過軟件來實(shí)現(xiàn)通信系統(tǒng)的各種功能。目前由于直接進(jìn)行射頻數(shù)字化在實(shí)際應(yīng)用中還存在著一定困難，所以一般先經(jīng)模擬射頻信號變頻至適當(dāng)中頻，然后在中頻直接數(shù)字化，經(jīng)數(shù)字上下變頻(DUC／DDC)至基帶后再進(jìn)行處理。與傳統(tǒng)模擬中頻方法相比，采用數(shù)字變頻的方法可以避免混頻器的非線性、參數(shù)一致性、溫度漂移、頻率穩(wěn)定度等一系列問題，而且具有動態(tài)范圍大、體積小、重量輕、成本低，穩(wěn)定性和可靠性高等特點(diǎn)。是未來民用短波電臺的發(fā)展方向。
數(shù)字變頻的實(shí)現(xiàn)通常有3條途徑：
(1)可以采用專用芯片，如AD公司的AD6620以及HARRIS公司的HSP50415等；
(2)可以用DSP芯片或者參數(shù)化的ASIC來實(shí)現(xiàn)；
(3)根據(jù)系統(tǒng)要求自行設(shè)計(jì)，并用FPGA來實(shí)現(xiàn)。
現(xiàn)場可編程邏輯器件(FPGA)既繼承了ASIC的大規(guī)模、高集成度、高可靠性的優(yōu)點(diǎn)，又克服了ASlC的設(shè)計(jì)周期長、投資大、靈活性差的缺點(diǎn)，與高速DSP及參數(shù)化ASIC的技術(shù)性能相比，具有體積小、功耗小、現(xiàn)場可編程能力強(qiáng)的特點(diǎn)。所以，用FPGA實(shí)現(xiàn)中頻數(shù)字處理算法具有很好的前景。

1 系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)
1．1 數(shù)字上／下變頻
在變換抽樣率的系統(tǒng)中，有單級濾波和多級濾波2種實(shí)現(xiàn)形式。采用多級實(shí)現(xiàn)方法有重要的現(xiàn)實(shí)意義，與單級濾波相比，它的優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在：實(shí)現(xiàn)抽樣率變換系統(tǒng)時(shí)可顯著地降低運(yùn)算量；降低系統(tǒng)中的存儲量；簡化濾波器設(shè)計(jì)問題，允許每一級歸一化的過渡帶比較寬；實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波器時(shí)可減少有限字長效應(yīng)(即舍入噪聲和系數(shù)靈敏度)。
在本文所述的方案中，上下變都是采取CIC濾波器、補(bǔ)償FIR濾波器、整形FIR濾波器三級級聯(lián)的結(jié)構(gòu)。
1．1．1 上變頻模塊設(shè)計(jì)
上變頻模塊需將調(diào)制好的基帶信號經(jīng)過升采樣率變換，通過I，Q支路的正交混頻，將基帶信號中心頻率搬移到中頻后送往射頻單元，經(jīng)由濾波器濾波后二次模擬混頻到射頻最終由天線發(fā)射。上變頻模塊基本工作流程是：首先將量化后的基帶信號通過整形濾波器進(jìn)行處理，以適應(yīng)帶限信道和消除碼間串?dāng)_(ISI)，再通過補(bǔ)償濾波器抵消后級CIC濾波帶來的通帶內(nèi)衰減，然后通過插值濾波器處理提高采樣率，最后與正交載波進(jìn)行數(shù)字混頻，DUC模塊功能框圖如圖1所示。

1．1．2 下變頻模塊設(shè)計(jì)
下變頻模塊需要將經(jīng)前端射頻單元模擬混頻及濾波后的中頻模擬信號A／D轉(zhuǎn)換后，通過與NCO產(chǎn)生的I，Q兩路信號數(shù)字混頻變?yōu)榱阒蓄l信號，CIC濾波器完成對零中頻的抽取濾波，再經(jīng)過補(bǔ)償FIR濾波器和整形FIR濾波器，輸出低采樣率的基帶信號，供后端的數(shù)字處理。下變頻(DDC)模塊功能框圖如圖2所示。

1．1．3 NCO的設(shè)計(jì)
NCO是數(shù)字變頻模塊中的主要組成部分之一，其目標(biāo)就是產(chǎn)生一個(gè)理想的正弦或余弦波采樣值。在采樣率較低時(shí)，正弦波形采樣可以用實(shí)時(shí)計(jì)算的方法產(chǎn)生；而在采樣率高的情況下．產(chǎn)生正弦波采樣最簡單有效的方法是查表法，即事先計(jì)算好各個(gè)相位的正弦值并存儲在ROM中，然后按相位做地址查表得到正弦波采樣。NCO主要由相位累加器、相位加法器和正弦表只讀存儲器3部分組成，工作原理如下：每一個(gè)時(shí)鐘脈沖，利用相位累加器使相位在原來的基礎(chǔ)上加一個(gè)相位增加量即頻率控制字，再利用相位加法器加上初始相位即相位偏移，最后用相位值作為正弦表的地址查出正弦值，累加器遞增完成一個(gè)循環(huán)即是一個(gè)正弦波形的周期。
1．1．4 CIC設(shè)計(jì)
CIC濾波器是一種零極點(diǎn)相消的濾波器，整個(gè)結(jié)構(gòu)可以只用加法器、積分器和寄存器來實(shí)現(xiàn)，已經(jīng)被證明是在高速抽取中非常有效的單元。CIC濾波器由兩部分組成：積分部分和梳狀部分，各部分傳輸函數(shù)為：