大動態射頻直接采樣接收機的研究與實現

徐江海

(中國電子科技集團公司第20研究所，西安 710068)

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大動態射頻直接采樣接收機的研究與實現

徐江海

(中國電子科技集團公司第20研究所，西安 710068)

摘要：射頻直接采樣處理技術可大大簡化系統設計，提高設備集成度，具有一致性好、頻率切換速度快等優點，適合寬帶快速跳頻、實時多通道處理等應用。基于通道增益分配思想，提出了一種大動態信號射頻直接采樣接收方法。測試結果表明，該接收機能達到80 dB以上的動態范圍。

關鍵詞：射頻直接采樣；大動態；接收機

0引言

目前的接收機一般采用1次或2次模擬下變頻的結構，即將天線接收到的射頻信號經過1次或2次模擬下變頻至中頻后，利用模/數轉換器(ADC)進行采樣，再經過數字下變頻至基帶，得到正交的I、Q信號進行解調，稱為中頻數字化接收機。該接收機的射頻前端需要較為復雜的混頻設計方案，模擬器件多，一致性較差。射頻直接采樣是直接對射頻信號進行數字化處理，它利用軟件無線電的原理，將模/數(A/D)、數/模(D/A)變換盡量靠近天線，射頻直接數字化[1]。用軟件完成盡可能多的信號處理功能，具有所需器件少、成本低、功耗低、容易取得更高性能的優點，對設備的小型化、集成化以及低功耗化具有重大的意義。然而射頻直接采樣系統的接收動態范圍受限于ADC器件的水平，無法滿足遠距離通信的大動態接收處理要求。

本文基于軟件無線電的思想，設計了一種V/U波段的射頻直接采樣接收機，并給出了其實現方法。同時針對遠距離通信對大動態信號接收處理要求，在射頻直接采樣接收基礎上，通過信號增益分配，實現了80 dB以上的接收動態范圍。

1系統工作原理

軟件無線電是以通用性、可擴展性的最簡硬件為平臺，通過加載各種應用軟件來適應不同用戶、不同應用環境的不同需求，實現各種無線電功能[2]。本系統正是基于這種思想進行設計的。

整個射頻直接采樣接收機的原理框圖如圖1所示。通過此接收機的信號變換流程為：將載波為V/U波段、跳頻帶寬為100 MHz的空間信號由天線饋入；首先經限幅器以避免大信號反射或饋入造成接收機損壞；經限幅器后的信號通過低噪聲放大器(LNA)后，進行窄帶濾波濾除帶內以及帶內干擾信號；信號功分為2路后，分別進入2個接收通道，通過對2個通道的可變增益放大器(VGA)的增益設置，使得2個或某一個通道進入ADC的信號大小落入ADC的動態處理范圍內；信號經VGA放大/衰減后，經過帶通濾波器(BPF)進行抗混疊濾波；濾波后的信號經Balun轉換為I、Q正交2路后送入ADC進行帶通采樣處理；數字化后的信號進入現場可編程門陣列(FPGA)進行數字下變頻及濾波轉換為基帶信號后進行后續處理。

圖1　射頻直接采樣接收機原理圖

圖2　射頻信號數字化接收處理原理圖

送入FPGA的2路射頻數字化信號分別與DDS產生的本地載波信號進行混頻，完成數字下變頻(DDC)至基帶。其中DDS根據跳頻序列庫產生相應頻率的載波信號，下變頻的同時完成了解跳。下變頻后的基帶信號經級聯積分梳狀濾波器抽取濾波以減輕后續處理壓力。基帶信號解調解擴后進行解交織和信道譯碼，譯碼后的2路信號送入判決器進行判決輸出。

2關鍵技術指標分析與設計

2.1采樣速率的選擇

當待采樣信號的頻率分布在某一有限的頻帶(fL，fH)上時，如果按照Nyquist采樣定理[3]，則采樣頻率有可能會很大，以至難以實現。當相對帶寬較小時，一般采用帶通采樣定理。帶通采樣定理表述如下：

設一個頻率帶限信號x(t)，其頻帶限制在(fL，fH)內，如果其采樣速率fs滿足：

(1)

式中:n取能滿足fs≥2(fH-fL)的最大正整數(0,1,2,…)，則用fs進行等間隔采樣所得到的信號采樣值x(nTs)能準確地確定原信號x(t)[4]。

對于本系統,fL=400 MHz，fH=500 MHz，取n=2，則根據式(1)可以得到fs=360 MHz。

2.2ADC器件選擇

模數轉換器(ADC)的選擇必須兼顧轉換靈敏度、無雜散動態范圍和有效轉換位數(ENOB)等指標[5]。ADC轉換器的采樣位數越多，器件的電壓輸入范圍越小，即可轉換信號的動態范圍越小。ADC器件的選擇既要滿足輸入信號動態范圍的要求，又要滿足后續處理的精度要求。

本系統ADC選擇ADI公司高速低功耗的器件AD9434。AD9434是一款12位的高性能、低功耗的高速模數轉換器，其采樣速率高達500 MSPS，前端帶寬高達1 GHz，可直接對V/U頻段進行采樣。其無雜散動態范圍(SFDR)高達78 dBc。考慮到采樣時系統時鐘的抖動以及外界環境對器件的影響，實際使用時其動態范圍為-50～4 dBm。

2.3接收通道增益分配

由于ADC器件輸入信號動態范圍為60 dB左右，但系統要處理的動態范圍為-95～-15 dBm，單個ADC無法滿足要求。因此設計了雙通道同時接收，將信號功分為2路，進行不同的增益放大，使進入ADC的信號滿足ADC輸入信號動態范圍要求。

通過調整可變增益放大器(VGA)使接收通道A的增益為10 dB，接收通道B的增益為45 dB。此時A通道的輸出為-85～-5 dBm，則對A通道信號進行采樣的ADC可處理-50～-5 dBm的信號，對應于整個系統的可處理輸入信號動態范圍為-60～-15 dBm。同理，B通道可處理的信號動態范圍為-95～-50 dBm,滿足整個系統的設計要求，并保留了設計余量。

2.4綜合判決的設計

本系統采用不同增益雙通道同時接收的設計滿足80 dB大動態范圍的設計指標。雙通道對信號同時進行采樣、下變頻、解調及譯碼等后續處理，通過譯碼狀態對雙通道的解調數據輸出進行選擇，實現接收機的正確輸出。若2路中有任意一路譯碼正確，則輸出該路數據；若兩路均譯碼錯誤，則進行脈沖排序后剔除錯誤的圖樣，重新進行解調、譯碼，再次進行判決。其綜合判決流程如圖3所示。

圖3　綜合判決處理流程圖

3結束語

圖4是在Vivado開發環境下采集的FPGA信號處理時序圖。

圖4　系統測試結果圖

在圖4中，可以觀察到，當輸入-15 dBm信號時，通道B由于飽和，無法完成幀同步捕獲，相應的其同步完成標示未出現，譯碼狀態為初始態，即無有效數據輸入譯碼器。對于A通道，輸入ADC的信號為-5 dBm，信號大小處于ADC輸入信號動態范圍內，其同步完成標示、譯碼狀態和相關峰均正確，判決輸出A通道數據。

試驗結果表明，該設計在實現射頻直接采樣接收的同時，采用雙通道不同增益分配、同時接收的方法達到了-80 dB的大動態信號的接收處理。該技術在設備小型化、低功耗化方面具有重要的意義。

參考文獻

[1]MITOLA J.The software radio architecture[J].IEEE Communication Magzine,1995,33(5):26-38.

[2]徐江海.認知無線電中自適應調制解調器的FPGA實現[D].西安:西安電子科技大學，2010.

[3]樊昌信，詹道庸，徐炳祥，等.通信原理[M].北京：國防工業出版社,2005.

[4]楊小牛，樓才義，徐建良.軟件無線電原理與應用[M].北京：電子工業出版社，2001.

[5]吳麗娟.射頻直接帶通采樣軟件無線電接收機的研究[D].成都:四川大學，2005.

Study and Implementation of RF Direct-sampling Receiver with Large Dynamic Range

XU Jiang-hai

(The 20th Research Institute of CETC，Xi'an 710068，China)

Abstract:The technology of radio frequency (RF) direct-sampling can greatly simplify the system design,improve the equipment integration,and has the advantages of good consistency,fast frequency switching speed ，etc.，is suitable for the applications of wideband fast frequency hopping,real-time multi-channel processing,etc..A kind of RF direct-sampling receiving method with large dynamic range is put forward based on channel gain distribution thought.The test results show that the receiver can reach the dynamic range larger than 80 dB.

Key words:radio frequency direct-sampling;large dynamic range;receiver

收稿日期:2016-02-04

中圖分類號：TN92

文獻標識碼：A

文章編號：CN32-1413(2016)02-0046-03

DOI:10.16426/j.cnki.jcdzdk.2016.02.012