數字調諧濾波器軟件原理研究

摘 要:跳頻技術中數字調諧濾波器可以改善系統的抗干擾性能。數字調諧濾波器性能不僅由硬件決定，更依賴于內部的軟件以及調測過程的軟件算法。介紹一種數字調諧濾波器的軟件原理，對算法原則進行了闡述，指出結合硬件的軟件技術才是數字調諧濾波器的關鍵技術。

關鍵詞:跳頻;數字調諧;濾波器;軟件算法

中圖分類號:TN713+.5文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)05-058-03

Software Principle of Digital Tunable Filter

ZHUANG Yonghe1，PENG Chuan2，

(1.CETC 43rd Research Institute，China Electronics Technology Group Corporation，Hefei，230022，China;

2.PLA Air Force Military Hefei Representative Office，Hefei，230031，China)

Abstract:In the frequency-hopping spread spectrum technology，using the digital harmonious center frequency band-pass filter can improve the system anti-jamming performance.The performance of digital tunable filter is not only the decision by the hardware.It is more dependent on internal software，and testing software algorithm of the process.The software principle of digital tunable filter is introduced.The principle of the algorithm is described.The combination of hardware and software technology is the key figure tunable filter technology.

Keywords:frequency-hopping;digital tuning;filter;software arithmetic

0 引 言

跳頻系統的數字調諧濾波器是發射、接收機系統通道中的一種射頻集總參數帶通濾波器[1]，濾波器的中心頻率可以按設定的跳頻圖案數控改變。這將明顯改善系統的抗干擾性能，有效地改善接收機的信噪比，同時降低了系統對跳頻收發信機的要求，使跳頻通信設備能更高效可靠，同時也能達到保密的要求。

跳頻濾波技術是跳頻通訊的關鍵技術之一，通過對其硬件原理和方案的介紹[4]，了解到它是一類比較特殊的濾波器，其性能不僅由硬件決定，更依賴于內部的軟件以及調測過程的軟件算法。下文將對數字調諧濾波器軟件和算法做闡述。

1 軟件角度看電路工作過程

軟件角度看電路工作過程計算:

f0=D×(fH-fL)250+fL

(1)

根據式(1)可以倒推出當計算機輸入8位的控制碼D，STB觸發后濾波器即把中心頻率變為f0。

根據硬件原理的介紹可以看出，模塊內部存儲器將完成外部地址碼轉換為濾波器電路的控制碼功能。電路內部的工作過程是這樣的:電路接收8位調諧碼后，把這8位作為11位地址的存儲器的高8位，再與邏輯電路自動產生的3位形成完整的11位存儲器地址。地址確定后并行讀出存儲器數據，再在時鐘作用下轉為串行，邏輯電路再改變地址讀下一個存儲器數據。這里實際讀出了8×8=64 b數據，用其中24 b去控制模擬部分PIN管的開關[5]，完成一次跳頻。

例如:所需頻率為10.32 MHz，根據式(1)可以計算出輸入調諧碼D=4(fH=30 MHz，fL=10 MHz)，如圖1所示，找到存儲器地址20H，從20H開始讀8個字節，共64位，其中第13～24位、29～40位共24位是所需的，為F8D和F86，二進制碼即為1111，1000，1101和1111，1000，0110，“1”即表示接通模擬部分的對應電容，“0”表示斷開，此時實際接通的電容“理論上”為636.4 pF和629.7 pF，電路諧振到1032 MHz。

因此可以看出，真正調試好的電路使用方式非常簡單。但是從硬件介紹中可以得到結論，每個模塊內部存儲器的數據是不同的。內部軟件數據從何而來，就必須依賴與外圍的測試、調試系統和軟件。軟件設計時有兩個問題需要注意:

圖1 數據格式

問題1:存儲器里的轉換數據從何而來。

濾波器內部開關的組合方式非常多，是一個異常龐大的測試和計算過程，不經優化即使計算機自動調試1年也調試不出一塊電路;存儲器數據還與每個濾波器個體性能密切相關，電路和電路之間數據是不同的，每個電路必須逐個調試，工作量十分巨大。因此，調試程序必須優化，才有可能賦予內部存儲器性能數據。

問題2:F8D和F86能諧振出10.32 MHz，F86和F8D是否也能諧振出10.32 MHz。

理論上F8D和F86與 F86和F8D一樣都能諧振出10.32 MHz，但精度和原理決定了這種理論上可行的辦法實際是不行的:在高頻范疇，元器件和工程制作都達不到理想參數值，實踐也證實F8D和F86與 F86和F8D不能同樣都諧振出1032 MHz。

通過對上述問題釋疑，進行軟件關鍵技術研究。

2 軟件設計原則

2.1 數據碼和頻率的映射關系

最終的調試目標是找到想要的頻率，而且該頻率對應濾波器差損要小。但對于頻率和碼(是12位的數據碼，不是8位控制碼)的關系卻不是一一對應的函數關系。如圖2(a)是頻率到碼的映射，一個目標頻率可能與多個碼組對應(一頻多碼)，組合各不相同，其差損可能相差也很大。

另外，碼到頻率的映射如圖2(b)所示，假設碼2～5都是在數值上接近的碼，它們對應的頻率卻可能相距很遠。例如0000，0100，0000對應電容39 pF;0000，0011，1111對應電容56.4 pF，它們數值上只相差1，可是諧振頻率會相差很遠(鄰碼不臨頻)。

根據電路設計，電容陣列有24路，左右側各12路，它們的不同組合對應模擬電路不同的響應，必須經過測試才知道哪個是需要的頻率，且差損最小，最簡單的方法是進行窮舉測試，把12+12位碼都進行測試，即有N=2(12+12)=16 777 216種，在16 777 216種組合中，找出需要的值。目前網絡分析儀測試一個數據需要[8]3 s，則需要50 331 648 s(582.5天)時間才能調試一塊，在科研或工程中顯然無法實施。

圖2 頻率與碼的映射

“跳頻”的關鍵技術是電容陣列的組合算法。組合中大量的數據是無用的，例如:000000000000，111111111111顯然諧振不出想要的頻率，應該舍去。調試方法的優化是必須要做工作，研究算法的目的是在不損失或盡量少損失有用數據的同時盡量減少測試量。

2.2 軟件算法優化原則

電路的算法，是從16 777 216個數中找到250個正確結果，顯然不能每個數都去試。通過分析電路，對電容陣列的組合算法采用以下原則:

原則1:多路組合原則。就是在都能達到一個組合目標的情況下，應使用較多的路數來進行電容陣列的組合，可以取得較高的Q值。

原則2:模糊原則。由于電容的差異和電路分布參數的影響以及微波器件導通和截止的電容影響，理論計算的陣列分布在調試中都是不準確的。雖然精確計算可以大大縮小選擇的數據量，但計算得越精確，得到的結果越不準確，所以調試中必須附加誤差來進行，但這樣又增加了數據。這里采用適當的模糊原則。

原則3:最佳路徑原則。將路徑組合繪制在一張圖上，能夠看出同樣的頻率可以有多種組合方法，相鄰的組合方法有可能對應差異較大的頻率。根據電路分析，結合原則1，找到最佳路徑。

數據精簡的過程和上述方法的實現，都是通過軟件完成的。通過程序，篩選16 777 216個數得到99 695個結果，數據分布圖如圖3所示。

這個數據量仍然很大，分析這個圖，進一步優化。

圖3 符合條件的99 695個數分布

圖4是圖3局部0～600點的放大圖，橫坐標對應電容值，縱坐標是碼值，得到如下結論:

(1) 每一個理論電容值都可以對應一個或幾個數(碼陣列);

(2) 每一個碼對應一個電容，在電容的誤差范圍內對應多個碼;

(3) 有的部分組合方式少，有的部分組合方式多;

(4) 如果給出范圍，組合方式更多。

圖4 分析數據

這是進行組合數據篩選和編程的依據，因此，使用HP-VEE編制了應用軟件。軟件設計從主要功能上分為:矯正、在線調平衡、篩選、在線調試、在線測試、離線測試等六大部分，還有相應的子程序，分別編制了相應的VEE應用程序[9]完成相應功能。數據量精簡后，需要19.7 h即可自動調試一塊模塊，在目前研制階段是

可容忍的。

使用軟件對電路進行調試，獲得了大量的試驗數據，完成了MTDF1030-2型數字調諧濾波器的調試和測試，產品與美國POLE ZERO公司MINI-POLE 1030-2數字調諧濾波器兼容，指標相當。

3 結 語

數字調諧跳頻濾波器是軍用跳頻通訊的關鍵部件之一。數字調諧跳頻濾波器是一類多點跳頻、頻率精度高、可通過一定功率、適合射頻段的程控濾波器。每個模塊內部都帶有惟一的、與眾不同的軟件是數字調諧跳頻濾波器的最大特點。

參考文獻

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作者簡介

莊永河 男，1974年出生，福建永春人，碩士研究生，高級工程師。主要研究方向為混合集成電路設計。