接收機(jī)的中頻處理技術(shù)

摘要：本文對(duì)數(shù)字中頻信號(hào)處理技術(shù)進(jìn)行了研究，采用軟件無線電的設(shè)計(jì)思想和解決方案，提出了一種基于“AD+FPCJA”的中頻信號(hào)處理技術(shù)，在頻譜分析儀及信號(hào)分析儀等接收機(jī)中應(yīng)用廣泛。本文網(wǎng)絡(luò)版地址：http：//www.eepw.com.cn/article/273265.htm

關(guān)鍵詞：數(shù)字中頻；軟件無線電；AD；FPCJADOI：10.3969/i.issn.1005-5517.2 015.4.006

引言

隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，接收機(jī)的設(shè)計(jì)越來越多地采用軟件無線電（software radio）的思想，以開放性、可擴(kuò)展、結(jié)構(gòu)精簡(jiǎn)的硬件為通用平臺(tái)，把盡量多的功能用可重構(gòu)、可升級(jí)的構(gòu)件化軟件來實(shí)現(xiàn)。從實(shí)際設(shè)計(jì)來說，射頻模塊盡量簡(jiǎn)化，將信號(hào)通過ADC轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理，提高接收機(jī)的穩(wěn)定性、通用性并降低實(shí)現(xiàn)成本。在接收機(jī)中，最常用的是頻譜分析和信號(hào)分析功能，本文以現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯器件（FPGA）為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，簡(jiǎn)述頻譜分析和信號(hào)分析的中頻處理。

1.方案

輸入的射頻信號(hào)經(jīng)過變頻模塊生成153.6MHz的中頻信號(hào)，通過ADC進(jìn)行122.88MHz頻率采樣，數(shù)字信號(hào)送入FPGA進(jìn)行數(shù)字下變頻（DDC）、CIC抽取、RBW濾波、求模、視頻濾波、檢波后存入RAM后送CPU進(jìn)行頻譜分析：經(jīng)過DDC、半帶濾波及CIC后存入DDR2后送CPU進(jìn)行信號(hào)分析，包括矢量信號(hào)解調(diào)，GSM、TD-SCDMA、WCDMA、TD-LTE及FDD-LTE分析等通信制式的非信令解潤(rùn)。具體中頻處理框圖如圖1所示。

2.具體實(shí)現(xiàn)

2.1模數(shù)轉(zhuǎn)換（AD）

ADC是整個(gè)中頻處理的關(guān)鍵部分，它直接關(guān)系到整個(gè)接收機(jī)的性能指標(biāo)，其選用主要參考二個(gè)指示，即信噪比和采樣頻率。由于信噪比與ADC的有效位數(shù)有直接關(guān)系：SNR=（6.02N+1.76）dB，其中N為ADC的位數(shù)，所以盡量選用高位數(shù)ADC；同時(shí)，由于中頻的寬帶化需求，需要高采樣時(shí)鐘的ADC，如要滿足40MHz的分析帶寬，理論上要求采樣時(shí)鐘大于80MHz，本設(shè)計(jì)的采樣時(shí)鐘為122.88MHz。綜合兩方面考慮，ADC我們選用了LINERA公司的LTM9001。

2.2數(shù)字下變頻

數(shù)字下變頻（DDC）是數(shù)字接收機(jī)中的關(guān)鍵技術(shù)，廣泛應(yīng)用于雷達(dá)、聲納和無線電接收機(jī)中，主要將中頻信號(hào)混頻到基帶，便于后續(xù)處理。它跟模擬下變頻類似，包括數(shù)字混頻器、數(shù)字控制振蕩器及數(shù)字低通濾波器三部分，基本結(jié)構(gòu)圖見圖2所示。

在本設(shè)計(jì)中， 由于fo=153.6MHz， fs=122.88MHz，滿足fo/fs=（2n+l）/4，NCO輸出為cos（0）、cos（π/2）、cos（π）、cos（3π/4），即1，o，一1，o等幾個(gè)特殊值，實(shí)現(xiàn)了免混頻，用簡(jiǎn)單的組合邏輯和取反電路就能實(shí)現(xiàn)，具體方法為：先將輸入信號(hào)每隔2個(gè)取2補(bǔ)碼，形成一個(gè)新的數(shù)據(jù)流；再將新數(shù)據(jù)流每隔一個(gè)置O，所得輸出就是混頻后的信號(hào)。

2.3 CIC抽取濾波

在數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中，經(jīng)常需要將信號(hào)的采樣率降低以便其后進(jìn)行數(shù)字處理或存儲(chǔ)，接收機(jī)最常用的是CIC抽取濾波或半帶抽取濾波。CIC濾波器是級(jí)聯(lián)積分梳狀濾波器（CascadedIntegrator - Comb Filter）的簡(jiǎn)稱，其基本構(gòu)成單元是積分器和梳狀濾波器。經(jīng)過若干級(jí)級(jí)聯(lián)后可實(shí)現(xiàn)采樣率整數(shù)倍的抽取和內(nèi)插，在接收機(jī)的設(shè)計(jì)中，主要采用CIC進(jìn)行抽取。抽取濾波器可以實(shí)現(xiàn)降低取樣速率并能使通帶混疊或誤差依據(jù)在要求的范圍之內(nèi)。積分器和梳狀濾波器的原理圖如圖3所示。

在濾波器的實(shí)現(xiàn)時(shí)，CIC將只有加法而沒有乘法，有效地節(jié)省了硬件資源。其FPGA實(shí)現(xiàn)框圖及其控制時(shí)序圖如下，只需通過改變抽取率R值，就可以實(shí)現(xiàn)大范圍整數(shù)倍抽取。

2.4 RBW率采樣速率，但頻譜分析儀需要實(shí)現(xiàn)從1Hz～3MHz的分辨率帶寬，此時(shí)，為了得到更高質(zhì)量的頻譜波形，需要添加高斯FIR濾波，這里RBW大于等于lkHz時(shí)選擇了25級(jí)、22bit濾波器系數(shù)，RBW小于lkHz時(shí)選擇了1024級(jí)。22bit濾波器系數(shù)，滿足帶外衰減優(yōu)于100dB。

2.5半帶濾波抽取

半帶濾波器（Half-Band Filter）在多速率信號(hào)處理中有著特別重要的位置，半帶FIR濾波器系數(shù)對(duì)稱、約一半的系數(shù)為零，可節(jié)約FPGA的MAC資源，是一種高效的數(shù)字濾波器。因此這種濾波器特別適合實(shí)現(xiàn)D：2M（即2的冪次方倍）的抽取或內(nèi)插，而且計(jì)算效率高，實(shí)時(shí)性強(qiáng)。

圖5采用半帶抽取方式實(shí)現(xiàn)降低信號(hào)采樣速率的要求。假設(shè)有N級(jí)半帶濾波器實(shí)現(xiàn)抽取，F(xiàn)s。是輸入采樣速率，F(xiàn)SN是第N級(jí)半帶濾波器的輸入采樣速率，則FSN=Fso/2N，且信號(hào)經(jīng)過每一級(jí)半帶濾波器抽取后，帶寬變?yōu)樵瓉淼囊话搿０霂V波和CIC抽取濾波結(jié)合降低信號(hào)的采樣率，實(shí)現(xiàn)大跨度碼元速率信號(hào)的處理。

2.6求模

數(shù)字中頻信號(hào)經(jīng)下變頻分解為正交的I和Q略，經(jīng)濾波處理過后，信號(hào)序列的每一點(diǎn)分別對(duì)應(yīng)I路和Q路的兩個(gè)值a和b。就是信號(hào)序列每一點(diǎn)的幅度值。由于采用了硬件方式實(shí)現(xiàn)幅度運(yùn)算，會(huì)消耗大量的硬件資源。在這里，采用一種新的逼近算法，采用寄存器結(jié)構(gòu)即可實(shí)現(xiàn)，首先對(duì)數(shù)據(jù)a和b分別移位處理得到絕對(duì)值，然后計(jì)算a1=lal +lbl，bl=∣b∣-∣a∣；按照下面的框圖遞推計(jì)算a（n）并逼近真值，增加循環(huán)次數(shù)可提高數(shù)值精度。當(dāng)遞歸次數(shù)n等于6時(shí)，可得到精確的幅度值，誤差為0.02dB。

2.7視頻濾波

視頻濾波器在求模值之后，是一種低通濾波器，用以平均噪聲起伏，平滑顯示結(jié)果。一個(gè)較窄的視頻濾波器相當(dāng)于一個(gè)平均電路、雖然它不能改變靈敏度，但能減小噪聲對(duì)被觀測(cè)信號(hào)的影響。在缺省情況下，一般設(shè)置為與分辨率相等，但在測(cè)量脈沖信號(hào)或隨機(jī)信號(hào)時(shí)，適當(dāng)加大或減小視頻濾波帶寬可以更準(zhǔn)確地觀察信號(hào)。該設(shè)計(jì)采用一階滯后濾波法來實(shí)現(xiàn)視頻濾波。

一階滯后濾波法首先選擇一個(gè)常數(shù)a=O～1.計(jì)算方式為：本次濾波結(jié)果=（l-a）+本次采樣值+a+上次濾波結(jié)果。它可以對(duì)周期性干擾具有良好的抑制作用、適用于波動(dòng)頻率較高的場(chǎng)合，缺點(diǎn)就是靈敏度偏低。

2.8檢波

數(shù)字系統(tǒng)有一個(gè)固有的問題，就是無論顯示使用多少個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，每個(gè)點(diǎn)都代表一定的頻率間隔和一定時(shí)間間隔內(nèi)的數(shù)值，這個(gè)間隔稱為進(jìn)程（ Bucket）。檢波方式就是對(duì)每個(gè)進(jìn)程所包含的子進(jìn)程數(shù)據(jù)進(jìn)行不同方式選取，使每個(gè)進(jìn)程得到一個(gè)檢波數(shù)據(jù)輸出并顯示在屏幕上。頻譜儀常用檢波方式主要有取樣值、最大值、最小值、有效值及平均值檢波等方式，其檢波方式如圖7所示。

2.9存儲(chǔ)

在頻譜分析應(yīng)用中，由于數(shù)據(jù)量較少，存儲(chǔ)介質(zhì)采用FPGA內(nèi)部的RAM（XC5VSX35T內(nèi)部RAM空間3Mb左右）即可，但在數(shù)據(jù)分析過程中，經(jīng)常需要采集大數(shù)據(jù)量的信號(hào)數(shù)據(jù)，例如在TD-LTE信號(hào)分析中，經(jīng)常需要用61.44MHz采樣時(shí)鐘采集lOms的IQ兩路各16位數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量約為18Mb，TD-LTE-A信號(hào)分析，所以采用了基于FPGA的DDR2 SDRAM存儲(chǔ)方案，如MT47H128M16存儲(chǔ)容量為2GB。在設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮正確的布線阻抗、傳播延遲以及信號(hào)完整性等因素，通過FPGA內(nèi)的MIG等實(shí)現(xiàn)對(duì)DDR2的控制，根據(jù)需要選擇控制命令組合，完成簡(jiǎn)單可靠的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

3.結(jié)果

輸入信號(hào)經(jīng)過上述流程處理經(jīng)CPU計(jì)算顯示后，可以實(shí)現(xiàn)頻譜分析及矢量信號(hào)、通信制式信號(hào)解調(diào)等眾多功能，其典型測(cè)量應(yīng)用示例見圖8。

4.結(jié)論

本中頻信號(hào)處理采用了軟件無線電的設(shè)計(jì)理念，硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，主要的數(shù)據(jù)處理都采用軟件模塊重構(gòu)思路，應(yīng)用靈活，能完成大跨度碼元速率信號(hào)的頻譜，解調(diào)等分析，只要不大于分析帶寬的信號(hào)就能夠?qū)崿F(xiàn)處理并通過存儲(chǔ)計(jì)算的方式得到分析，完全滿足設(shè)計(jì)需要，在接收機(jī)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，采用該設(shè)計(jì)的接收機(jī)已經(jīng)投放市場(chǎng)并得到了市場(chǎng)檢驗(yàn)。