一種短波軟件無(wú)線(xiàn)電臺數字中頻單元的設計與實(shí)現

摘要：根據實(shí)際應用需求，基于FPGA設計了一種可用于民用短波電臺的中頻數字處理單元。分析了相應的工作原理、性能特點(diǎn)及實(shí)現方法；結合音頻信號的處理流程進(jìn)行了深入的研究并實(shí)現了該單元。經(jīng)過(guò)實(shí)際測試，證明所設計的中頻數字單元性能優(yōu)良，可滿(mǎn)足使用要求。
關(guān)鍵詞：中頻數字化；FPGA；DDC；DUC；AGC

0 引言
軟件無(wú)線(xiàn)電技術(shù)是20世紀90年代以后逐漸興起的一種全新的設計理念，其核心是在通用的通信硬件平臺上加載不同的軟件，實(shí)現不同通信方式之間的轉換?；镜姆椒ㄊ菍拵／D轉換器盡可能地靠近射頻天線(xiàn)，以便盡早地將模擬信號轉換成數字信號，最大限度地通過(guò)軟件來(lái)實(shí)現通信系統的各種功能。目前由于直接進(jìn)行射頻數字化在實(shí)際應用中還存在著(zhù)一定困難，所以一般先經(jīng)模擬射頻信號變頻至適當中頻，然后在中頻直接數字化，經(jīng)數字上下變頻(DUC／DDC)至基帶后再進(jìn)行處理。與傳統模擬中頻方法相比，采用數字變頻的方法可以避免混頻器的非線(xiàn)性、參數一致性、溫度漂移、頻率穩定度等一系列問(wèn)題，而且具有動(dòng)態(tài)范圍大、體積小、重量輕、成本低，穩定性和可靠性高等特點(diǎn)。是未來(lái)民用短波電臺的發(fā)展方向。
數字變頻的實(shí)現通常有3條途徑：
(1)可以采用專(zhuān)用芯片，如AD公司的AD6620以及HARRIS公司的HSP50415等；
(2)可以用DSP芯片或者參數化的ASIC來(lái)實(shí)現；
(3)根據系統要求自行設計，并用FPGA來(lái)實(shí)現。
現場(chǎng)可編程邏輯器件(FPGA)既繼承了ASIC的大規模、高集成度、高可靠性的優(yōu)點(diǎn)，又克服了ASlC的設計周期長(cháng)、投資大、靈活性差的缺點(diǎn)，與高速DSP及參數化ASIC的技術(shù)性能相比，具有體積小、功耗小、現場(chǎng)可編程能力強的特點(diǎn)。所以，用FPGA實(shí)現中頻數字處理算法具有很好的前景。

1 系統模塊設計
1．1 數字上／下變頻
在變換抽樣率的系統中，有單級濾波和多級濾波2種實(shí)現形式。采用多級實(shí)現方法有重要的現實(shí)意義，與單級濾波相比，它的優(yōu)點(diǎn)主要體現在：實(shí)現抽樣率變換系統時(shí)可顯著(zhù)地降低運算量；降低系統中的存儲量；簡(jiǎn)化濾波器設計問(wèn)題，允許每一級歸一化的過(guò)渡帶比較寬；實(shí)現數字濾波器時(shí)可減少有限字長(cháng)效應(即舍入噪聲和系數靈敏度)。
在本文所述的方案中，上下變都是采取CIC濾波器、補償FIR濾波器、整形FIR濾波器三級級聯(lián)的結構。
1．1．1 上變頻模塊設計
上變頻模塊需將調制好的基帶信號經(jīng)過(guò)升采樣率變換，通過(guò)I，Q支路的正交混頻，將基帶信號中心頻率搬移到中頻后送往射頻單元，經(jīng)由濾波器濾波后二次模擬混頻到射頻最終由天線(xiàn)發(fā)射。上變頻模塊基本工作流程是：首先將量化后的基帶信號通過(guò)整形濾波器進(jìn)行處理，以適應帶限信道和消除碼間串擾(ISI)，再通過(guò)補償濾波器抵消后級CIC濾波帶來(lái)的通帶內衰減，然后通過(guò)插值濾波器處理提高采樣率，最后與正交載波進(jìn)行數字混頻，DUC模塊功能框圖如圖1所示。

1．1．2 下變頻模塊設計
下變頻模塊需要將經(jīng)前端射頻單元模擬混頻及濾波后的中頻模擬信號A／D轉換后，通過(guò)與NCO產(chǎn)生的I，Q兩路信號數字混頻變?yōu)榱阒蓄l信號，CIC濾波器完成對零中頻的抽取濾波，再經(jīng)過(guò)補償FIR濾波器和整形FIR濾波器，輸出低采樣率的基帶信號，供后端的數字處理。下變頻(DDC)模塊功能框圖如圖2所示。

1．1．3 NCO的設計
NCO是數字變頻模塊中的主要組成部分之一，其目標就是產(chǎn)生一個(gè)理想的正弦或余弦波采樣值。在采樣率較低時(shí)，正弦波形采樣可以用實(shí)時(shí)計算的方法產(chǎn)生；而在采樣率高的情況下．產(chǎn)生正弦波采樣最簡(jiǎn)單有效的方法是查表法，即事先計算好各個(gè)相位的正弦值并存儲在ROM中，然后按相位做地址查表得到正弦波采樣。NCO主要由相位累加器、相位加法器和正弦表只讀存儲器3部分組成，工作原理如下：每一個(gè)時(shí)鐘脈沖，利用相位累加器使相位在原來(lái)的基礎上加一個(gè)相位增加量即頻率控制字，再利用相位加法器加上初始相位即相位偏移，最后用相位值作為正弦表的地址查出正弦值，累加器遞增完成一個(gè)循環(huán)即是一個(gè)正弦波形的周期。
1．1．4 CIC設計
CIC濾波器是一種零極點(diǎn)相消的濾波器，整個(gè)結構可以只用加法器、積分器和寄存器來(lái)實(shí)現，已經(jīng)被證明是在高速抽取中非常有效的單元。CIC濾波器由兩部分組成：積分部分和梳狀部分，各部分傳輸函數為：