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）

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。

图1 软件无线电的结构框图Fig.1 Software radio structure diagram

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70 MHz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。

图2 数字化中频接收机原理框图Fig.2 Principle diagram of digital intermediate frequency receiver

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 关键技术及器件选择

2.1 ADC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：

其中k取满足以下条件的整数：

其fs是采样频率，fh是信号最高频率，fl是最低频率。本方案中，载波中心频率为70 MHz，信号带宽为3 MHz。则有：

由以上公式，为了保证采样变频输出各段频谱不重叠采样率，fs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 60～80 dB。

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25 MHz的信号，它的无杂散动态范围可达80 dB，一般情况信噪比为67 dB，模拟输入带宽能达到300 MHz，其最高采样速率可达105 MHz，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55 MHz，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-52～8 dBm，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60 dBm，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15 MHz附近，还需在鉴相时进行数字下变频才能完成载波信号的解调。

设输入的中频模拟信号为：

采样后的信号为：

式中：

DCO产生的信号为 sin（ωcn），经 90°移相后变为正交信号cos（ωcn），与采样信号在混频器相乘后得：

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：

由于信号的采样频率较高，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15 MHz，所以DCO产生的正弦波样本信号的基频应为15 MHz。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，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70 MHz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1 900 000门，最高工作频率可达200 MHz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。

图3 中频接收机硬件平台结构图Fig.3 Intermediate frequency receiver hardware structure chart

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。

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