基于FPGA 的单边带短波通信系统

马 竞

（广州海格通信集团股份有限公司，广东 广州 510663）

0 引 言

按照国际电信联盟无线电通信组标准化组织的频段划分，短波指波长在10 ～100 m、频率为3 ～30 MHz 的无线电波[1]。短波通信具有使用方便、组网灵活、价格低廉以及通信距离远等优点，因此应用广泛。现代短波通信正朝着数字化、小型化方向发展。文章设计一种基于现场可编程逻辑门阵列（Field Programmable Gate Array，FPGA）的单边带短波通信系统，具有电路简单、体积小、载波参数可灵活设置及指标性能良好等优点。

1 单边带通信系统原理

在短波通信系统中，幅度调制是一种应用最广泛的调制方式。幅度调制主要是由基带信号控制高频载波的幅度，使其随基带信号做线性变化。如果基带信号的时域表示为x(t)，t为时间，则载波信号可以表示为

式中：ωc为载波频率。基带信号与载波信号相乘得到双边带幅度调制信号SDSB(t)，即

与式（2）对应的双边带幅度调制信号SDSB(ω)的频域表达式为

式中：X(ω+ωc)为双边带下边带部分的频域表达式；X(ω-ωc)为双边带上边带部分的频域表达式。从式（3）可以看出，双边带的上下边带信号中都含有基带信号的所有信息。因此，只需传输一个边带，即完成单边带调制。

本系统采用相移法实现单边带调制。相移法是利用相移网络对载波信号和调制信号进行适当的相移，以便在合成过程中抵消其中的一个边带，从而获得单边带信号。相移法无须使用滤波器，具有陡峭的截止特性，无论载频有多高，均可一次实现单边带调制[2]。当给定信号的所有分量相位角发生±90°的变化时，得到的时间函数被称为该信号的希尔伯特转换（Hilbert transform），也被称为正交滤波器[3]。

采用相移法单边带调制时，需要将基带信号x(t)的一半与载波信号cos(ωct)相乘，得到Ⅰ路信号，即

x(t)的另一半通过希尔伯特滤波器，即的宽带相移网络后得到，并与同样相移的载波信号sin(ωct)相乘，得到Q 路信号，即

最后Ⅰ路和Q 路信号相加或相减得到单边带信号SSSB(t)。相移法产生单边带信号的具体过程如图1所示。

图1 相移法产生单边带信号

2 系统组成

FPGA 具有高性能和实时性、高集成性、高可靠性、低成本、高灵活性以及低功耗等优点[4]。因此，本系统结合了FPGA 芯片与外围模拟接口电路，以实现对全部信号的数字调制解调功能。同时，采用零中频技术，直接将基带信号调制为射频信号，从而减少了中频相关电路、系统体积和中频的干扰。系统发端包括基带模数转换器（Analog to Digital Converter，ADC）电路、FPGA 芯片、射频数模转换器（Digital to Analog Converter，DAC）电路以及功率放大电路，而收端主要包括滤波电路、射频ADC 电路、FPGA芯片以及基带DAC 电路。基于FPGA 的单边带通信系统的组成如图2 所示。

图2 基于FPGA 的单边带通信系统

在系统发端，ADC 对模拟基带信号进行采样，并将其转换为数字信号。数字基带信号进入FPGA 芯片，由FPGA 实现单边带调制，同时将基带信号搬移到短波载波频率，实现信号的上变频。经过调制后的信号经过射频DAC 电路转化为模拟信号，经过功率放大后由天线发射出去。

在系统收端，天线接收的射频信号经过滤波后，通过射频ADC 电路进行采样并转换为数字信号。然后由FPGA 芯片对该信号进行下变频、解调等处理，并经基带DAC 还原为模拟基带信号。

3 FPGA 详细设计

基于FPGA 的单边带短波通信系统的发端，模拟基带信号被采样为数字基带信号。为确保完整保留模拟信号中的全部信息，数字信号的采样频率应为系统中最高信号频率的2 倍以上。该系统主要用于传输语音信号，信息频率主要集中在0.3 ～3.3 kHz，因此选择19.2 kHz 的采样率对基带信号进行采样。

由于短波通信最大频率为30 MHz，根据奈奎斯特定理，射频信号的采样率至少为60 MHz。本系统射频采样率为78.643 2 MHz，因此需要将信号采样率从基带的19.2 kHz 插值到78.643 2 MHz，即插值4 096 倍。为去除因插值而产生的频谱扩展信息，需要在插值后级联适当的滤波器。数字信号进入FPGA芯片后分为Ⅰ路和Q 路进行插值、滤波、与载波相乘等操作，以合成一路单边带信号。首先，需要将Ⅰ路信号插值16 倍至307.2 MHz。其次，经过一个通带为0.300 ～3.3 kHz、带外抑制为-120 dB 的带通滤波器，以滤除带外无用的信号和噪声，提高有用信号的纯净度。再次，插值32 倍至9.830 4 MHz。为了滤除插值过程引入的带外信息，选择使用半带滤波器组。半带滤波器有大约一半的系数为0，可以有效地节省FPGA 的乘法器资源。最后，插值8 倍并采用3 级级联积分梳状滤波器（Cascade Integrator-Comb，CIC）进行滤波。

基带信号同样插值16 倍，并经过希尔伯特滤波器转换为Q 路信号。通常将希尔伯特滤波器设计成与Ⅰ路参数相同的带通滤波器，使其具有相移的功能，并滤除带外无用的信号和噪声。希尔伯特滤波器与Ⅰ路的带通滤波器阶数相同，以确保两路信号时延一致。之后经过和Ⅰ路完全相同的插值和滤波处理，使采样率提升至78.643 2 MHz。

本系统采用直接数字频率合成（Direct Digital Frequency Synthesis，DDS）技术，插值后的信号直接与载波信号相乘即可完成信号的上变频。数字控制振荡器（Numerically Controlled Oscillator，NCO）用于产生可控的正弦波或余弦波。DDS 与NCO 两者都是软件无线电的重要组成部分，是数字变频和正交解调的核心单元，也是决定数字调制与解调是否成功的主要因素[5]。使用FPGA 开发软件中的IP CORE以生成NCO，并产生本系统需要的载波信号cos(ωct)和相移的载波信号sin(ωct)。通过配置NCO 的参数，可以输出2 ～30 MHz 短波频段内任意频率的载波信号。Ⅰ路和Q 路信号与NCO 产生的载波信号cos(ωct)和sin(ωct)直接相乘，并使用加法器得到单边带信号。单边带信号在发端FPGA 的信号处理流程如图3 所示。

图3 发端FPGA 信号处理

收端的FPGA 信号处理是发端信号处理的逆过程。

在收端，天线接收的射频模拟信号经过射频ADC 电路采样进入FPGA 芯片，与FPGA 内部NCO产生的载波信号相乘，并进行抽值和滤波处理。为降低滤波器实现复杂度和FPGA 资源的使用频率，抽值滤波器采用半带滤波器和CIC 滤波器来实现。接收端的半带滤波器和CIC滤波器信号也采用同样的设计，以简化系统设计。抽值到基带后，通过希尔伯特滤波器进行相移以实现带通滤波，并进行相加或相减操作将信号还原为解调的基带信号。

本系统的收端还设计有自动增益控制（Automatic Gain Control，AGC）模块，以检测接收信号的大小、调整接收增益，从而得到幅度稳定的基带信号。单边带信号在收端FPGA 的信号处理流程如图4 所示。

图4 收端FPGA 信号处理

4 系统运行结果

本系统可根据需求配置FPGA 中的NCO 参数，使NCO 可以输出频率为2 ～30 MHz 的载波。这些载波的频率间隔可设置为1 Hz，从而实现在短波频段内的单边带调制通信。设置FPGA 中NCO 的参数，使载波频率为2 MHz、15 MHz、30 MHz。测试系统输出的3 种载波频率单边带调制信号的载波抑制和边带抑制指标如表1 所示。

表1 系统部分技术指标

由表1 可知，该系统的载波抑制和边带抑制指标均低于-80 dB，调制效果良好。

5 结 论

FPGA 芯片正在不断进化，朝着容量更大、体积更小、速度更快的方向发展。与此同时，利用FPGA芯片实现通信系统的数字信号处理技术日趋成熟。因此，文章设计的基于FPGA 的单边带短波通信系统具有诸多优势。FPGA 具有可重新配置的硬件，能容纳大量的门电路和逻辑元件，可以通过配置参数，实现短波全频段通信；具有较低的功耗和较高的集成度，可以有效降低系统的能耗，以提高系统的性能和稳定性；具备高度可靠性和可编程性，使得系统的维护和升级变得更加方便。该系统在灵活性、能效性、稳定性以及可维护性方面具有显著优势，可应用于多种短波通信场景。