长波信号采集与处理板卡设计

中国电子科技集团公司第二十研究所 丁雨谢

目前全球使用最多的定位授时系统为GNSS(global navigation satellite system全球导航卫星系统)，其依靠覆盖面广，使用方便，定位精度高等优势，在多个领域发挥着巨大的作用，如飞机与舰船的全球定位授时，地形勘测中的定位，交通与个人手机的定位。但考虑到GNSS信号容易被干扰与攻击，因此需要有能够在必要时代替这一系统的新的体系，所以长波信号强度高，抗干扰能力强的特点逐渐被科研人员所重视，并开始对其研究，开始研制相关通信导航设备。目前我国自主建立了长河二号导航系统，以此来保障我国国防和海岸线战略的实施。

本文基于现场可编程门阵列（FPGA）与数字信号处理器（DSP）对长波信号采集与处理板卡进行了设计，并利用仿真软件对ADC前端的带通滤波器进行了仿真设计，以此来保证采集信号的信噪比，为后端的采集与处理打下基础。

1 总体设计

本系统中主要的控制芯片为XILINX公司的XC7K410T，主要的信号处理芯片选择为TI公司的TMS320C6416T。系统通过对外部的长波信号进行带通滤波，然后利用ADC芯片对信号进行采样处理，采样数据首先会进入FPGA，通过FPGA对数据进行预处理之后送入DSP，利用DSP对数据进行进一步的分析处理，最后输出。系统的结构如图1所示。

2 硬件设计

为了保证板卡的正常工作与使用，硬件中包括对外信号接口，电源管理电路与时钟电路。对外信号接口保证板子与外部的交互以及对外部的模拟信号采集还有对外部的模拟信号输出。电源管理电路负责为整板提供合适的电压与电流，并且对所有器件的上电时序进行控制。时钟电路负责将输入时钟进行分配，给所有芯片提供合适的时钟。

图1 系统结构图

2.1 信号接口设计

本信号处理板卡对外的信号接口主要有两路长波信号输入，一路射频信号输出，一路百兆网络输出以及若干离散信号对外交互。长波信号通过射频连接器输入之后，经过设计的带通滤波器进行滤波，然后通过转换芯片将单端信号转换位差分信号，输入给ADC芯片，板卡ADC芯片选择为ADI公司的AD7961，ADC芯片将输入信号进行模数转换后通过串行的LVDS接口将信号送到FPGA，经过FPGA的预处理，给到DSP进行信号处理与分析，最后通过离散信号或者串口总线输出。此外，板卡还可以通过DSP和FPGA的处理与计算，生成数字信号波形，通过并行的接口输出到DAC芯片AD9783中，然后通过射频变压器调整模拟信号的幅度范围最后完成信号的输出。在本板卡上，还搭载有一片W5100网路芯片来对外进行数据传输以及多种形式的串口芯片来完成对外的离散信号交互。

2.2 电源管理电路设计

根据芯片手册，可知本板卡上芯片需要5V、3.3V、1.8V、1.2V、1V等多种电压对芯片进行供电，所以选择了多片LTM4644芯片来对板卡芯片进行供电。此芯片为可进行多路输出的DC-DC电源芯片，可同时输出四路不同的电压，并且每一路都能有4A的电流，满足各种芯片的使用需求。除了合理选择电源芯片外，板卡上还设计保护电路，输出电压调整电路，电源指示灯，板卡温度监测电路等。以此来保证板卡的正常工作，提高板卡的稳定性与安全性。

图2 时钟电路示意图

2.3 时钟电路设计

板卡上的ADC、FPGA、DAC、DSP都需要特定频率的时钟才能正常工作，所以需要在板卡上设计出合适的时钟电路，才能保证板卡的正常工作。这里选择AD9517这一时钟产生器作为时钟分配的主要芯片，其通过内部的VCO以及分频器可以同时产生多种不同频率的时钟信号，这样就能为ADC提供合适的采样时钟，并且可以利用FPGA通过SPI总线信号对其进行配置，完成对输入时钟的选择，保证板卡时钟电路的正常工作。此外，FPGA还需要单独的一路10M时钟来完成板上芯片的初始化，之后FPGA需要输出时钟给DAC保证DAC能正常工作。同时DSP和网络芯片需要单独提供特定的时钟。时钟电路示意图如图2所示。

3 带通滤波器设计

图3 设计的带通滤波器原理图

图4 滤波器频率特性

考虑到系统中对采样信号的质量要求比较高，所以在ADC前端设计了带通滤波器对信号进行滤波。系统中设计的滤波器为LC无源带通滤波器，首先需要设计出截止频率与带通滤波器带框相同的低通滤波器，选择合适的归一化低通滤波器模型，所有归一化低通滤的截止频率和特征阻抗相同。分别为：1/(2π)Hz和1Ω。之后要使低通滤波器的截止频率等于带通滤波器的带宽，且保证两个滤波器的特征阻抗相同。低通滤波器设计完成后需要对低通滤波器的构成单元进行转换，转换成带通滤波器的构成单元。设计完成后的得到相应的电感和电容值，取其相近的常规阻容，最终设计的滤波器如图3所示，利用仿真软件进行仿真的频率特性如图4所示。可以通过仿真软件知道所设计的滤波器在100KHz附近有较好的频率特性，能够满足采用需求。

结语：这块长波信号处理板，通过设计的LC带通滤波器能完成长波信号的滤波，并且无源滤波器也克服了以往有源滤波器中噪声过高的缺点，达到了长波信号处理的信号质量要求。对于长波通信具有很高的实用价值，同时，也对其他的长波信号采集与处理板卡具有参考价值。