如何基于FPGA的短波通信接收機？

短波通信又稱(chēng)高頻通信，是利用HF波段(3-30MHz)電磁波進(jìn)行的無(wú)線(xiàn)電通信。短波通信主要靠天波傳播，可經(jīng)電離層一次或數次反射，最遠可傳至上萬(wàn)里，如按氣候、電離層的電子密度和高度的日變化以及通信距離等因素選擇合適頻率，就可用較小功率進(jìn)行遠距離通信。短波通信設備較簡(jiǎn)單，機動(dòng)性大，因此也適應于應急通信和抗災通信?，F代短波通信接收機正向著(zhù)數字化、大通信帶寬方向發(fā)展。文獻[1-3]研究了短波通信的數字化實(shí)現方式，但其未對短波通信的大帶寬應用進(jìn)行探討;文獻[4-6]研究了通信信道化算法，其對一定帶寬內的多信道高效算法進(jìn)行了詳細的討論，并給出了具體實(shí)現的有效算法。本文將信道化算法應用于短波通信，研究采用信道化算法基于FPGA 的短波通信接收機及其具體實(shí)現方案，為未來(lái)短波通信發(fā)展的研究，進(jìn)行初步的理論探索。

1 短波數字通信接收機

常規短波數字通信接收機由模擬前端、模數轉換器(ADC)、數字下變頻(DDS)以及數字信號處理(DSP)等四部分組成，其結構如圖1 所示。短波數字通信接收機的模擬前端對輸入的3-30MHz 模擬信號進(jìn)行濾波、放大等處理，然后將處理后的回波信號利用ADC 進(jìn)行采樣，再將采樣后得到的數字信號送入DDS 進(jìn)行數字下變頻，以得到可以利用DSP 進(jìn)行處理的低速信號，最后將經(jīng)過(guò)數字下變頻的數字信號送入DSP 等數字信號處理芯片進(jìn)行數字信號處理，解調出通信語(yǔ)音等有用信息。

圖1 短波數字通信接收機結構示意圖

常規短波數字通信接收機的數字信號處理部分通常由DSP芯片來(lái)實(shí)現，由于DSP的處理能力有限，因此一般需要先進(jìn)行數字下變頻，以降低數據率，從而滿(mǎn)足DSP的處理能力。然而這種結構存在硬件設計復雜，且通信帶寬較低等缺點(diǎn)。

2 基于FPGA 的短波通信接收機

2.1 短波通信接收機信道化數學(xué)模型

信道化接收是指對整個(gè)帶寬信號進(jìn)行信道劃分，以實(shí)現對任意信道信號的接收，短波通信信道化接收機將整個(gè)3-30MHz帶寬劃分為N個(gè)均勻的信道，如圖2所示。然后可以同時(shí)對任意一個(gè)信道中的信號進(jìn)行接收，從而實(shí)現較大的通信帶寬。

圖2 信道分配圖

由圖2可知，為了可以對任意一個(gè)信道中的信號進(jìn)行接收，首先需要將任意一個(gè)信道中的信號或者同時(shí)將幾個(gè)信道中的信號解調到視頻，因此基于圖1中固定的一個(gè)DDS的硬件結構在信道化接收機中不再適用，同時(shí)解調多個(gè)信道的信號對后續的信號處理又提出了新的難題，因此急需提出一種新的短波通信接收機，以解決目前短波通信中存在的問(wèn)題。

2.2 基于FPGA 的短波通信接收機

根據上節的分析，本節提出基于FPGA的信道化接收機模型，其結構如圖3所示。由于FPGA具有高度的靈活性以及高速的信號處理能力，其完全可以實(shí)現多路DDS以及后續的信號處理，且可以根據實(shí)際應用需求，可以通過(guò)提高芯片的規模來(lái)實(shí)現更復雜、更大帶寬的短波通信。

圖3 基于FPGA 的短波通信接收機系統方案

其中FPGA實(shí)現多路DDS下變頻以及后續的信號處理解調算法，利用FPGA 的靈活性和實(shí)時(shí)性實(shí)現短波通信的信道化算法，從而在理論上實(shí)現了真正的軟件無(wú)線(xiàn)電短波通信接收機。

3 結論

短波數字通信接收機隨著(zhù)現代電子技術(shù)的進(jìn)步而得到了極大的發(fā)展。本文提出的基于FPGA的短波通信接收機，利用信道化技術(shù)以及FPGA 的高實(shí)時(shí)性，實(shí)現了對帶寬內任意信道信號的解調。本文提出的基于FPGA的短波通信接收機從結構到算法上第一次完整實(shí)現了基于軟件無(wú)線(xiàn)電的短波通信接收機。