大动态射频直接采样接收机的研究与实现

徐江海

(中国电子科技集团公司第20研究所，西安 710068)



大动态射频直接采样接收机的研究与实现

徐江海

(中国电子科技集团公司第20研究所，西安 710068)

摘要：射频直接采样处理技术可大大简化系统设计，提高设备集成度，具有一致性好、频率切换速度快等优点，适合宽带快速跳频、实时多通道处理等应用。基于通道增益分配思想，提出了一种大动态信号射频直接采样接收方法。测试结果表明，该接收机能达到80 dB以上的动态范围。

关键词：射频直接采样；大动态；接收机

0引言

目前的接收机一般采用1次或2次模拟下变频的结构，即将天线接收到的射频信号经过1次或2次模拟下变频至中频后，利用模/数转换器(ADC)进行采样，再经过数字下变频至基带，得到正交的I、Q信号进行解调，称为中频数字化接收机。该接收机的射频前端需要较为复杂的混频设计方案，模拟器件多，一致性较差。射频直接采样是直接对射频信号进行数字化处理，它利用软件无线电的原理，将模/数(A/D)、数/模(D/A)变换尽量靠近天线，射频直接数字化[1]。用软件完成尽可能多的信号处理功能，具有所需器件少、成本低、功耗低、容易取得更高性能的优点，对设备的小型化、集成化以及低功耗化具有重大的意义。然而射频直接采样系统的接收动态范围受限于ADC器件的水平，无法满足远距离通信的大动态接收处理要求。

本文基于软件无线电的思想，设计了一种V/U波段的射频直接采样接收机，并给出了其实现方法。同时针对远距离通信对大动态信号接收处理要求，在射频直接采样接收基础上，通过信号增益分配，实现了80 dB以上的接收动态范围。

1系统工作原理

软件无线电是以通用性、可扩展性的最简硬件为平台，通过加载各种应用软件来适应不同用户、不同应用环境的不同需求，实现各种无线电功能[2]。本系统正是基于这种思想进行设计的。

整个射频直接采样接收机的原理框图如图1所示。通过此接收机的信号变换流程为：将载波为V/U波段、跳频带宽为100 MHz的空间信号由天线馈入；首先经限幅器以避免大信号反射或馈入造成接收机损坏；经限幅器后的信号通过低噪声放大器(LNA)后，进行窄带滤波滤除带内以及带内干扰信号；信号功分为2路后，分别进入2个接收通道，通过对2个通道的可变增益放大器(VGA)的增益设置，使得2个或某一个通道进入ADC的信号大小落入ADC的动态处理范围内；信号经VGA放大/衰减后，经过带通滤波器(BPF)进行抗混叠滤波；滤波后的信号经Balun转换为I、Q正交2路后送入ADC进行带通采样处理；数字化后的信号进入现场可编程门阵列(FPGA)进行数字下变频及滤波转换为基带信号后进行后续处理。

图1　射频直接采样接收机原理图

图2　射频信号数字化接收处理原理图

送入FPGA的2路射频数字化信号分别与DDS产生的本地载波信号进行混频，完成数字下变频(DDC)至基带。其中DDS根据跳频序列库产生相应频率的载波信号，下变频的同时完成了解跳。下变频后的基带信号经级联积分梳状滤波器抽取滤波以减轻后续处理压力。基带信号解调解扩后进行解交织和信道译码，译码后的2路信号送入判决器进行判决输出。

2关键技术指标分析与设计

2.1采样速率的选择

当待采样信号的频率分布在某一有限的频带(fL，fH)上时，如果按照Nyquist采样定理[3]，则采样频率有可能会很大，以至难以实现。当相对带宽较小时，一般采用带通采样定理。带通采样定理表述如下：

设一个频率带限信号x(t)，其频带限制在(fL，fH)内，如果其采样速率fs满足：

(1)

式中:n取能满足fs≥2(fH-fL)的最大正整数(0,1,2,…)，则用fs进行等间隔采样所得到的信号采样值x(nTs)能准确地确定原信号x(t)[4]。

对于本系统,fL=400 MHz，fH=500 MHz，取n=2，则根据式(1)可以得到fs=360 MHz。

2.2ADC器件选择

模数转换器(ADC)的选择必须兼顾转换灵敏度、无杂散动态范围和有效转换位数(ENOB)等指标[5]。ADC转换器的采样位数越多，器件的电压输入范围越小，即可转换信号的动态范围越小。ADC器件的选择既要满足输入信号动态范围的要求，又要满足后续处理的精度要求。

本系统ADC选择ADI公司高速低功耗的器件AD9434。AD9434是一款12位的高性能、低功耗的高速模数转换器，其采样速率高达500 MSPS，前端带宽高达1 GHz，可直接对V/U频段进行采样。其无杂散动态范围(SFDR)高达78 dBc。考虑到采样时系统时钟的抖动以及外界环境对器件的影响，实际使用时其动态范围为-50～4 dBm。

2.3接收通道增益分配

由于ADC器件输入信号动态范围为60 dB左右，但系统要处理的动态范围为-95～-15 dBm，单个ADC无法满足要求。因此设计了双通道同时接收，将信号功分为2路，进行不同的增益放大，使进入ADC的信号满足ADC输入信号动态范围要求。

通过调整可变增益放大器(VGA)使接收通道A的增益为10 dB，接收通道B的增益为45 dB。此时A通道的输出为-85～-5 dBm，则对A通道信号进行采样的ADC可处理-50～-5 dBm的信号，对应于整个系统的可处理输入信号动态范围为-60～-15 dBm。同理，B通道可处理的信号动态范围为-95～-50 dBm,满足整个系统的设计要求，并保留了设计余量。

2.4综合判决的设计

本系统采用不同增益双通道同时接收的设计满足80 dB大动态范围的设计指标。双通道对信号同时进行采样、下变频、解调及译码等后续处理，通过译码状态对双通道的解调数据输出进行选择，实现接收机的正确输出。若2路中有任意一路译码正确，则输出该路数据；若两路均译码错误，则进行脉冲排序后剔除错误的图样，重新进行解调、译码，再次进行判决。其综合判决流程如图3所示。

图3　综合判决处理流程图

3结束语

图4是在Vivado开发环境下采集的FPGA信号处理时序图。

图4　系统测试结果图

在图4中，可以观察到，当输入-15 dBm信号时，通道B由于饱和，无法完成帧同步捕获，相应的其同步完成标示未出现，译码状态为初始态，即无有效数据输入译码器。对于A通道，输入ADC的信号为-5 dBm，信号大小处于ADC输入信号动态范围内，其同步完成标示、译码状态和相关峰均正确，判决输出A通道数据。

试验结果表明，该设计在实现射频直接采样接收的同时，采用双通道不同增益分配、同时接收的方法达到了-80 dB的大动态信号的接收处理。该技术在设备小型化、低功耗化方面具有重要的意义。

参考文献

[1]MITOLA J.The software radio architecture[J].IEEE Communication Magzine,1995,33(5):26-38.

[2]徐江海.认知无线电中自适应调制解调器的FPGA实现[D].西安:西安电子科技大学，2010.

[3]樊昌信，詹道庸，徐炳祥，等.通信原理[M].北京：国防工业出版社,2005.

[4]杨小牛，楼才义，徐建良.软件无线电原理与应用[M].北京：电子工业出版社，2001.

[5]吴丽娟.射频直接带通采样软件无线电接收机的研究[D].成都:四川大学，2005.

Study and Implementation of RF Direct-sampling Receiver with Large Dynamic Range

XU Jiang-hai

(The 20th Research Institute of CETC，Xi'an 710068，China)

Abstract:The technology of radio frequency (RF) direct-sampling can greatly simplify the system design,improve the equipment integration,and has the advantages of good consistency,fast frequency switching speed ，etc.，is suitable for the applications of wideband fast frequency hopping,real-time multi-channel processing,etc..A kind of RF direct-sampling receiving method with large dynamic range is put forward based on channel gain distribution thought.The test results show that the receiver can reach the dynamic range larger than 80 dB.

Key words:radio frequency direct-sampling;large dynamic range;receiver

收稿日期:2016-02-04

中图分类号：TN92

文献标识码：A

文章编号：CN32-1413(2016)02-0046-03

DOI:10.16426/j.cnki.jcdzdk.2016.02.012