FPGA数字调频发射机的原理及设计

薛涛

[摘要]在二十一世纪，伴随着软件无线电技术的快速发展，通信领域进入了数字时代，其已成为未来发射机的主流。

[关键词]FPGA 数字调频发射机 原理 设计

二十一世纪以来，随着软件无线电技术和微电子技术的不断蓬勃发展，通信技术也进入了一个快速发展的时期，其特别是在在军事通信和民用通信中有着十分重要的作用。在1992年，人们提出了软件无线电技术，至今已经取得了长足的发展，其突破了传统的无线电单一功能。现在的无线通信领域之中，模拟调制的相关技术已经逐渐成熟，但是一些方面比如在调制码率、带宽利用率方面效率不高，由于二极管技术限制的制约，同样制约了调制频偏受，与此同时因为模拟调制发射机，它的功能相对来说比较的单一，这就使得系统的调制频率无法进行调节，调制不可再配置，从而无法满足多频变得要求。此时，数字调制发射机就应运而生。与模拟调制相比较，其具备了前者无法匹敌优势，其可以进行重新组合调制，只需要利用可编程器件即可完成上述目的，并且还可以兼容其他的调制方式，对有限的频率资源进行合理利用。在现实使用时，可以将采编器与其归一，增强了扩展性。

当下，通信技术领域的必然发展趋势是电路数字化，这是因为数字通信具有很强的抗干扰能力，可靠稳定的传输性能，另外其易于对传输的数字信号进行处理和存储，以及还有易集成、小型化等各方面的优点。综上所述，数字发射机的优点众多，例如工作性能安全可靠，各种功能集成运行，造价低体积小等等。在当前科技飞跃发展的大背景之下，数字调制发射机的性能比起以前的产品来说，可谓是性能大大提高，且具有体积小，成本低的优势，因此更具备广阔的应用前景。在本次设计当中，笔者针对数字调制发射机，首先对它的原理进行了学习和阐述，然后对其各个重要主要组成部分进行了一一分析和设计。从而可知要实现数字调制发射机的功能集成化设计，也就是将数字调制发射机的功能集中到FPGA芯片之上，并且笔者在此基础上，对各部分进行了设计。

一、FPGA简述

FPGA是现场可编程门阵列，它是基于互联连接的可配置逻辑块CLB矩阵的半导体器件。其与ASIC相比，FPGA可以针对所需的功能或者是需要按照一定的要求进行编程。它是ASIC中一种半定制的电路，它可以按照用户按照需求进行自定义以及配置的一种高容量的现场可编程门阵列。FPGA的内部逻辑单元阵列是由许多小单元一起组成，各个逻辑单元的信号经由周边布线通道来实现相互连接，用户自行对布线通道和逻辑单元进行按需配置，按照不同的设计配置，集成块的功用也就不尽相同。在集成技术高速发展的二十一世纪，FPGA的功能越来越强大，规模也是越来越大，其已经在很多平台的支持下用来设计和实现多种多样的中小规模的逻辑器系统。

一般来讲，FPGA包括由CLB、IOB和IR这三种可编程电路和SRAM共同组成，这里SRAM是由于存放编程数据的。FPGA最重要的一个组成部分就是CLB，它能够实现逻辑功能。IOB负责提供引脚和内部逻辑阵列间连接，每一个引脚都由专门的一个IOB进行控制，进行输入或输出的双向功能配置，其包括输入和输出缓冲器、触发锁存器等等几个部分，排列在芯片周围。IR，作为可编程互联资源，通过包含其中的一些可编程开关以及金属线实现CLB与IOB的联接，这样从而构建成各种功用的不同系统。总而言之FPGA具有众多突出优点，尤其是以集成度高、容易进行编程仿真、速度快体积小等优点，得以广泛应用在在通信、信号、电力等各行各业。

二、数字调频发射机组成与原理

从下图1可以知道，通常数字调频发射机的五大主要组成部分，它们分别是模数转换器A/D、FIR滤波器、直接数字频率合成DDS、PLL锁相环频率合成器、和单边带调制SSB这五部分。

众所周知的是原始的输入信号的频率都比较低，而且它是相位与幅度都是随着时间变化而变化的模拟输入信号。因此要通过A/D进行信号转换，再进行DDS输入实现基带信号调频。最后交由SSB实现调幅目的，这样就可以无失真将低频信号搬移至高频载波之中。发射阶段则通过功率放大器进行放大之后再输出，再使用天线向四周空间辐射，就这样就完成了整个信号的调制和发射。本文接下来将结合A/D、FIR、DDS、PLL、SSB这五个重要组成部分进行阐述说明和分析设计。

三、FIR数字滤波器的设计

滤波器的作用就是提取有用的信号，将无用的信号或者噪声进行过滤，对信号的频带进行扩展，对信号的特定频谱分量进行转变。

FIR数字滤波器需要通过一定的运算变换和处理操作，然后就可以做到变换输入序列为人们所需要的序列，简单来讲就是不管输入序列如何，我们只需要进行要求设定，对其进行处理然后就可以得到目标序列，使其符合需求，这样就成功完成信号频谱改变的任务了。在数字信号传输和处理方面数字滤波器的应用十分广泛，例如在通信遥测之中，人们要求能够快速的实时的对数据进行处理，则可通过其系数相关特点，即h（i）=h（N-i），即h0=h7、hl=h6、h2=h5、h3=h4，对于偶数M阶的滤波器，那么就只要有M/2个乘法器就可以了，而如果是奇数M，那么就需要（M+1）/2个乘法器来实现目标。下图以8阶为例，如下图2所示其为串行方式8阶的结构。

四、直接数字频率合成器DDS的设计

二十一世纪的科技在迅速发展，近些年来有新的合成频率的方式也在不断兴起，其中的一种就是直接数字合成技术（简称DDS或DDFS）。DDS合成频率技术优势之处十分明显，比如在一些方面，包括转换信号频率的速度非常快节约时间，还可以输出连续得相位信号，还具有频率分辨率高、控制灵活等显著特征，使得DDS成功的成为行业中的领头羊。本次设计采用基于FPGA的自行设计实现DDS系统，因为其中可编辑逻辑器件功能足够强大，以其杰出的的高速、大规模、可编程等显著功能，可以完美实现DDS。结合FPGA，人们可以依据实际的需要，方便快捷的进行调幅、调频、调相位方面的操作。

通过将不同的波形数据存放如ROM中，就可输出目标波形，比如说方波、矩形波、三角波、锯齿波等等，可以说可实现任何一种波的输出。再如果存入了正弦和余弦函数表，那么就能够得到正交输出信号。直接数字频率合成优点有很多，其易于控制和集成，转换速度和频率也很快很高，也能够输出连续相位，但是因为器件的约束，使得其输出信号频率不够高。现如今，科学技术迅猛发展，相信随着随着数字集成技术的飞速发展，这一不足之处肯定会得到完善的解决。无论如何，瑕不掩瑜，目前DDS以其独特的性能使用起来十分方便快捷，而且其质量小、稳定系数高、造价低、易于集成等综合性优点收到广泛关注和应用。

五、PLL载波信号合成设计

整个发射机之中由DDS生成低频的基带信号，学习过电磁学知识我们知道，低频的信号不能也无法直接进行远距离空间的传输，这样造成了无法直接进行无线信号的传输，因此需要借助高频载波，将低频信号附加在其之上，那么才能够实现真正有效的无线传输。这里就需要运用到采用锁相环路合成法，简称为PLL，来进行操作。

基本锁相环的主要组成包括鉴相器PD、环路滤波器、压控振荡器VCO这三大部分组成。它的基本功能是负责跟踪输入信号的相位，然后经过鉴相器产生一个与其和VCO信号相位差成比例的电压。这个电压通过环路滤波器，噪声和高频信号成分被其滤除之后，再经过调制VCO的频率，在PD鉴相器中与起初信号进行比较，进行重复操作直到VCO以固定的相位锁住输入信号，通过跟踪相位以获得频率同步和频率跟踪。利用鉴相器PD来比对参考与输入信号间的相位，输出相位差函数的电压。环路滤波器是线性电路，可以虑除高频信号成分与噪音，让差频分量顺利通过。由此可知，整个锁相环路工作原理十分简单快捷，利用它可合成稳定性和精度都很高的信号，在本次的设计中就采用这种锁相频率合成法来完成合成来进行调节高频载波信号。

六、单边带调制SSB设计

学习电磁场理论可知在无线传输中，天线的尺寸和波长是成正比的，而信号的频率则与波长成反比，所以直接采用无线传输低频基带信号是不现实的，要将低频信号附加在载波信号之上来进行传输。通过控制低频信号以达到利用高频载波的某一个参数的目的，使得其伴随着信号变化而变化，这就是调制。对于此次SSB调制使用幅度调制来完成信号的附加搬移，将低频信号加载到载波信号上。整个系统的幅度调制用AD公司的I/Q调制器AD8346芯片，它的可调频带是0.5-2.5GHz，主要包括本振源、混频器、V-I转换器、差分信号一单边带信号转换器等几个组成。讲一个信号常量输入给DDS时，通过其合成功能得到单一频率的波源信号，接着利用I/Q实现正弦信号的幅度调制，也就是说任一信号源输入到DDS之中再经由I/Q，就可以完成低频信号频谱的搬移。

七、关于控制电路的设计

在本次设计中关于控制电路的设计主要是从下面三个方面的任务着手的：①为A/D、D/A、PLL、SSB提供时钟；②完成对PLL、A/D、D/A的控制；③对DDS输出的信号，进行后期处理，然后再输出到D/A。

本次设计基于FGPA对数字调频发射机进行的研究和设计，针对A/D、FIR、DDS、PLL、SSB等各组成部分进行了设计并给出了实现方案，使得数字调制发射机各个方面的性都能够得以提升，并为以后的工作提供了一定的参考依据。