長波信號采集與處理板卡設計

中國電子科技集團公司第二十研究所 丁雨謝

目前全球使用最多的定位授時系統為GNSS(global navigation satellite system全球導航衛星系統)，其依靠覆蓋面廣，使用方便，定位精度高等優勢，在多個領域發揮著巨大的作用，如飛機與艦船的全球定位授時，地形勘測中的定位，交通與個人手機的定位。但考慮到GNSS信號容易被干擾與攻擊，因此需要有能夠在必要時代替這一系統的新的體系，所以長波信號強度高，抗干擾能力強的特點逐漸被科研人員所重視，并開始對其研究，開始研制相關通信導航設備。目前我國自主建立了長河二號導航系統，以此來保障我國國防和海岸線戰略的實施。

本文基于現場可編程門陣列（FPGA）與數字信號處理器（DSP）對長波信號采集與處理板卡進行了設計，并利用仿真軟件對ADC前端的帶通濾波器進行了仿真設計，以此來保證采集信號的信噪比，為后端的采集與處理打下基礎。

1 總體設計

本系統中主要的控制芯片為XILINX公司的XC7K410T，主要的信號處理芯片選擇為TI公司的TMS320C6416T。系統通過對外部的長波信號進行帶通濾波，然后利用ADC芯片對信號進行采樣處理，采樣數據首先會進入FPGA，通過FPGA對數據進行預處理之后送入DSP，利用DSP對數據進行進一步的分析處理，最后輸出。系統的結構如圖1所示。

2 硬件設計

為了保證板卡的正常工作與使用，硬件中包括對外信號接口，電源管理電路與時鐘電路。對外信號接口保證板子與外部的交互以及對外部的模擬信號采集還有對外部的模擬信號輸出。電源管理電路負責為整板提供合適的電壓與電流，并且對所有器件的上電時序進行控制。時鐘電路負責將輸入時鐘進行分配，給所有芯片提供合適的時鐘。

圖1 系統結構圖

2.1 信號接口設計

本信號處理板卡對外的信號接口主要有兩路長波信號輸入，一路射頻信號輸出，一路百兆網絡輸出以及若干離散信號對外交互。長波信號通過射頻連接器輸入之后，經過設計的帶通濾波器進行濾波，然后通過轉換芯片將單端信號轉換位差分信號，輸入給ADC芯片，板卡ADC芯片選擇為ADI公司的AD7961，ADC芯片將輸入信號進行模數轉換后通過串行的LVDS接口將信號送到FPGA，經過FPGA的預處理，給到DSP進行信號處理與分析，最后通過離散信號或者串口總線輸出。此外，板卡還可以通過DSP和FPGA的處理與計算，生成數字信號波形，通過并行的接口輸出到DAC芯片AD9783中，然后通過射頻變壓器調整模擬信號的幅度范圍最后完成信號的輸出。在本板卡上，還搭載有一片W5100網路芯片來對外進行數據傳輸以及多種形式的串口芯片來完成對外的離散信號交互。

2.2 電源管理電路設計

根據芯片手冊，可知本板卡上芯片需要5V、3.3V、1.8V、1.2V、1V等多種電壓對芯片進行供電，所以選擇了多片LTM4644芯片來對板卡芯片進行供電。此芯片為可進行多路輸出的DC-DC電源芯片，可同時輸出四路不同的電壓，并且每一路都能有4A的電流，滿足各種芯片的使用需求。除了合理選擇電源芯片外，板卡上還設計保護電路，輸出電壓調整電路，電源指示燈，板卡溫度監測電路等。以此來保證板卡的正常工作，提高板卡的穩定性與安全性。

圖2 時鐘電路示意圖

2.3 時鐘電路設計

板卡上的ADC、FPGA、DAC、DSP都需要特定頻率的時鐘才能正常工作，所以需要在板卡上設計出合適的時鐘電路，才能保證板卡的正常工作。這里選擇AD9517這一時鐘產生器作為時鐘分配的主要芯片，其通過內部的VCO以及分頻器可以同時產生多種不同頻率的時鐘信號，這樣就能為ADC提供合適的采樣時鐘，并且可以利用FPGA通過SPI總線信號對其進行配置，完成對輸入時鐘的選擇，保證板卡時鐘電路的正常工作。此外，FPGA還需要單獨的一路10M時鐘來完成板上芯片的初始化，之后FPGA需要輸出時鐘給DAC保證DAC能正常工作。同時DSP和網絡芯片需要單獨提供特定的時鐘。時鐘電路示意圖如圖2所示。

3 帶通濾波器設計

圖3 設計的帶通濾波器原理圖

圖4 濾波器頻率特性

考慮到系統中對采樣信號的質量要求比較高，所以在ADC前端設計了帶通濾波器對信號進行濾波。系統中設計的濾波器為LC無源帶通濾波器，首先需要設計出截止頻率與帶通濾波器帶框相同的低通濾波器，選擇合適的歸一化低通濾波器模型，所有歸一化低通濾的截止頻率和特征阻抗相同。分別為：1/(2π)Hz和1Ω。之后要使低通濾波器的截止頻率等于帶通濾波器的帶寬，且保證兩個濾波器的特征阻抗相同。低通濾波器設計完成后需要對低通濾波器的構成單元進行轉換，轉換成帶通濾波器的構成單元。設計完成后的得到相應的電感和電容值，取其相近的常規阻容，最終設計的濾波器如圖3所示，利用仿真軟件進行仿真的頻率特性如圖4所示。可以通過仿真軟件知道所設計的濾波器在100KHz附近有較好的頻率特性，能夠滿足采用需求。

結語：這塊長波信號處理板，通過設計的LC帶通濾波器能完成長波信號的濾波，并且無源濾波器也克服了以往有源濾波器中噪聲過高的缺點，達到了長波信號處理的信號質量要求。對于長波通信具有很高的實用價值，同時，也對其他的長波信號采集與處理板卡具有參考價值。