中频数字化接收机

摘　要：文中给出了一种中频数字化接收机的实现方法，介绍了数字化接收机的基本理论，论述了中频数字化接收机的组成方法、主要部件及参数的设计方法，给出了系统达到的技术指标。

关键词：软件无线电；数字化接收机

引言

以通用的、可编程器件、数字信号处理器(DSP)等构造硬件平台，以算法软件实现不同应用功能的软件无线电技术，在无线电领域得到广泛的关注，相应的软、硬件正在不断推出。软件无线电具有很好的开放性，模块化的结构使得硬件可以随技术发展而更新；同时软件无线电具有显而易见的灵活性，通过升级软件，增加新的功能，通过加载新的软件实现扩展功能，通过选用不同的软件模块，在硬件不变的情况下，实现不同的功能等。所有这些优点使得软件无线电正在成为未来无线电技术的发展方向，而且不仅应用于军用领域，在民用领域也获得了应用。系统的A/D和D/A越靠近天线，则越接近理想的软件无线电概念，对于微波接收机，由于目前器件速度的限制，还无法直接采用软件无线电技术，但在中频采用基于软件无线电理论的数字化接收机，在应用上仍然可以带来上述的许多方便和灵活性。

基本理论

时间上连续的模拟信号离散化，是数字化接收机的首要任务，Nyquist采样定理给出了信号频率在(0，f_H)内的带限信号x(t)的采样准则。由信号最高频率f_H 确定采样率，当采样率f_S≥2f_H时，得到的离散信号x(nT)可以完全确定x(t)。x(nT)对应的频域分辨率与其信号长度N相关，N越大，则分辨率越高，但信号处理的实时性降低。

对于信号频率在(f_L，f_H)内的信号，可以采用带通采样定理。

带通采样定理：

n取能满足f_s≥2(f_H-f_L)的最大正整数，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)。

带通信号的中心频率f₀=(f_L+f_H)/2，频带宽度B=f_H-f_L时，上式可表示为：


能满足用最低采样速率即2倍频带宽度速率(f_s=2B)对带通信号进行采样的条件：


公式(3)说明，信号的最高频率是带宽的整数倍时，用同样采样率f_s对中心频率为f₀n(n=0，1，2，.)带宽为B 的带通信号进行采样，其采样结果均能正确的表示。

带通采样的结果是把位于[nB，(n+1)B](n=0，1，2，.)不同频带上的信号都用位于(0，B)上相同的基带信号频谱来表示。

采用带通采样定理需要满足的条件：

① 在[nB，(n+1)B] (n=0，1，2，..)不同频带上，只允许在其中的一个频带上存在信号，不允许在不同的频带上同时存在信号；

②虽然采样率仅与带宽有关，但A/D的最高工作频率则与信号最高频率有关，即A/D的瞬时特性(孔径时间)必须满足信号最高频率；

另外，采用带通采样定理时，B 为处理带宽，在这一处理带宽内允许同时存在多个信号。

系统组成

中频数字化接收机是整个接收机的一个组成部分，承担信号分析、参数提取、信号的分选等功能。它与接收机系统的关系如图1所示。图中虚线部分的下变频器是可选件，用于扩展接收机的频率范围。由上节分析知道，带通采样的前提之一，只允许一个频带上有信号，否则会产生混淆，而接收机要求带宽较宽，在微波段采用跟踪滤波器，技术上存在困难，为满足上述要求采用超外差接收模式，利用中频滤波器选频，本振在计算机的控制下，每跳一个频点，对应一段射频信号，相当于跟踪滤波器的作用。这样即完成了频率搬移(降低信号的频率)，又完成满足了带通采用对信号频带单一性的要求。中频数字化接收机组成如图2所示，采用模块化结构，每个数字化接收机模块由A/D、DDC(数字下变频器)、DSP及与控制计算机接口四个组成部分，通过PC104总线与计算机联接。可以根据需要选择多个数字化接收模块，每个模块调到相应的信号信道上。完成该信道上信号的分析，这样可以同时进行对多个信道的信号进行处理。每个模块以DSP为核心，DSP不仅承担信号的分析处理任务，还承担DDC的状态设置、DDC输出数据的接收，A/D工作时序控制，以及与控制计算机的数据等交换。

图1　数字化接收机与系统关系

图2　中频数字化接收机组成图

主要部件及参数设计

中频数字化接收机的中频选择，受中频信号带宽、A/D性能以及DDC性能等的影响，所设计的数字化接收模块输入中心频率确定为21MHz，带宽2MHz。采样频率按公式(1)确定，则fS≥4MHz，就可以满足信号恢复要求，实际采样率的选取，还要考虑采样率对离散化后的信噪比影响、后续信号处理的运算能力等。

本系统设计的采样率为26MHz，连续信号离散化抽样后，其频谱将周期性重复，负采样时(不满足Nyquist采样定理)，频谱将会出现周期性重叠。对于带通信号，当采样率满足公式(1)规定的信号带宽与采样率的关系时，信号不会发生混叠。频谱关系如图3所示。

图3　采样前后频谱示意图

数字下变频
数字下变频就是采用数字混频、降采样、半带滤波、FIR滤波等数字处理技术完成带通信号到基带信号的变换。数字下变频的原理示意图如图4所示。

图4　数字下变频的组成

数字下变频就是输入信号与一个本地振荡信号的乘法和滤波运算。数字下变频的运算速度决定了输入信号数据流可达到的最高速率，相应地也限制了ADC的最高采样速率；影响数字下变频性能的主要因素有两个：一是表示数字本振、输入信号以及混频乘法运算的样本数值的有限字长所引起的误差；二是数字本振相位的分辨率不够而引起数字本振样本数值的近似取值。也就是说如果数字混频器和数字本振的数据位数不够宽，就存在着尾数截断的情况；数字本振相位的样本值存在近似的情况，会或多或少地影响DDC的性能。

输入到数字下变频器中抽样信号的频谱如图3所示，通过数字下变频将其变换到基带，在数字下变频中，NCO输出载波频率可选为4 MHz或20.0MHz，实际设计时，NCO输出载波频率为20.0MHz，NCO的取样频率为26MHz，与系统的采样率一致，下变频后数据处理速率时钟为26MHz，数字混频后经滤波、变换处理后输出基带的数据速率为6Mps，输出基带信号的频谱如图5所示。

我们选择了单片集成可编程数字下变频器HSP50214B，HSP50214的功能包括本振的产生、混频，抽取滤波，可编程的FIR成型滤波，再抽样，自动增益控制(AGC)，鉴频。

图5　数字下变频后信号频谱

混频器将14 bit的输入和两路正交的18 bit的正弦波相乘：

I_OUT=I_INcos(ωc)
Q_OUT=Q_INsin(ωc)

坐标转换器接收I、Q两路信号产生幅度和相位数据。其中幅度输出如下：


A/D转换器及自动增益控制
A/D转换器将模拟信号转换为数字信号的过程中，存在量化误差，量化噪声将使整个接收系统的信噪比(SNR)变差，对于一个满量程的正弦信号，SNR可以表示为：

式中：n—A/D的有效位数；fs—采样率；B—信号带宽。

公式(4)表明提高A/D转换器的有效位数，可以提高信噪比，提高采样率，相当于在一个更宽的频率范围内扩展量化噪声，从而使SNR得到改善。

影响系统SNR的A/D参数还有孔径误差、无杂散动态等，选择高分辨率、瞬时带宽宽的A/D转换器，对提高SNR有益。选择A/D转换器的位数时，还需要考虑与后级DDC位数的匹配。结合中频频率、带宽等参数，系统设计时，A/D转换器选择A/D6644，该器件最大转换速度65 MHz，转换位数14位，工作带宽300MHz，内部带有高速采样保持电路。

公式(4)的前提是输入到A/D转换器的最大信号为A/D的满量程，当最大信号小于满量程时，则SNR下降，数字化接收机的接收灵敏度下降。为使数字化接收机处于最佳接收状态，采用数字化自动增益控制技术，如图6所示，中频信号经滤波器输入到可变增益放大器，该放大器输出分为两路：一路输入到数字化处理板，另一路输入到检波器，提取信号包络值，控制计算机通过A/D转换器，获取此时中频信号的幅度范围，并控制可变增益放大器，将中频信号幅度调整到合适的范围，构成一种类似接收机自动增益电路的前馈自动调整功能。

图6　自动增益控制

DSP与控制计算机
DSP是中频数字化接收机的核心部件，承担A/D、DDC的同步协调与控制功能、信号分析、信号分选等功能，DSP采用FFT等算法，完成信号的频率分析，并将分析结果送到控制计算机。如图7所示，系统采用双端口RAM，实现大数据量的快速信息交换。控制计算机通过双端口RAM 传递命令启动DSP，DSP执行信号分析任务，并将分析的结果写入到双端口RAM，控制计算机直接通过内存操作，读取DSP给出的结果。这样DSP和控制计算机都是通过内存的读/写操作，实现数据的传输，保证了大数据量的快速信息交换。

DSP选取TI公司的TMSC6711B，工作时钟选用150MHz，从控制计算机发出命令，DSP启动A/D、DDC，完成1024点FFT，并将分析的结果写入到双端口RAM，到控制计算机读出结果，时间小于400μs。

图7　DSP与控制计算机接口

结束语

数字化接收机是未来无线电接收机的发展方向，本文论述的中频数字化接收机，在中频频率为21MHz，带宽2MHz时，频率分辨率优于10kHz；动态范围大于50dB。系统具有可扩展化和嵌入式的特点，系统采用的PC104总线，使整个中频数字化接收机嵌入到接收机之中，采用PC104标准总线，可以扩展多个数字化接收板卡，完成多信道的接收分析。