全數(shù)字跟蹤接收機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：隨著軟件無(wú)線電在中頻領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，采用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)設(shè)計(jì)了基于FPGA全數(shù)字中頻跟蹤接收機(jī)并應(yīng)用于遙感衛(wèi)星天線接收系統(tǒng)中。給出了詳細(xì)的理論說(shuō)明和體統(tǒng)組成。該接收機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，調(diào)試方便。在測(cè)試和實(shí)際應(yīng)用中，該跟蹤接收機(jī)輸入信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍大，AGC和誤差電壓精度等指標(biāo)較模擬接收機(jī)都有顯著的提高。
關(guān)鍵詞：自動(dòng)跟蹤；現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列；數(shù)字下變頻；數(shù)字濾波器；幅度解調(diào)；數(shù)字AGC

隨著軟件無(wú)線電技術(shù)和全數(shù)字接收機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，以及現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列FPGA規(guī)模的不斷壯大，用FPGA實(shí)現(xiàn)中頻數(shù)字跟蹤接收機(jī)已經(jīng)成為必然的趨勢(shì)。本文設(shè)計(jì)的中頻跟蹤接收機(jī)中包括了A／D變換，數(shù)字正交混頻以及數(shù)字濾波等模塊。主要的功能模塊分為中頻接收模塊和誤差信號(hào)提取模塊。
經(jīng)過(guò)測(cè)試，系統(tǒng)能夠完成單脈沖跟蹤體質(zhì)天線的自動(dòng)跟蹤任務(wù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)中頻調(diào)幅信號(hào)的采樣，下變頻，解調(diào)等功能。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，成本低，有良好的通用性。

1 總體設(shè)計(jì)
自動(dòng)跟蹤接收系統(tǒng)是遙感衛(wèi)星地球站的一個(gè)組成部分，它接收來(lái)自天線的衛(wèi)星數(shù)據(jù)信號(hào)(和信號(hào))和角度誤差信號(hào)(差信號(hào))經(jīng)變頻，濾波，放大，檢波，解調(diào)后向伺服系統(tǒng)提供所需要的角度誤差信號(hào)，控制天線的方位軸，俯仰軸和方位軸向角度誤差小的方向轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的跟蹤。
其中中頻接收本分完成差信號(hào)的幅度檢波輸出視頻信號(hào)和信號(hào)強(qiáng)度的提取，誤差信號(hào)提取模塊完成角度誤差信號(hào)的解調(diào)，斜率補(bǔ)償、相位補(bǔ)償和時(shí)分信號(hào)的輸出。

2 數(shù)字中頻接收機(jī)設(shè)計(jì)
數(shù)字中頻接收機(jī)包括中頻采樣、A／D變換、數(shù)字AGC、數(shù)字下變頻、AM檢波等。原理框圖如圖1所示。

中頻信號(hào)經(jīng)過(guò)一個(gè)大動(dòng)態(tài)壓控放大器、中頻低噪聲限幅放大器和一個(gè)抗混疊帶通濾波器進(jìn)入A／D采樣，采樣后的數(shù)據(jù)進(jìn)入FPGA計(jì)算，輸出AGC信號(hào)和基帶信號(hào)進(jìn)入下一級(jí)。數(shù)據(jù)在FPGA中完成數(shù)字下變，CIC抽取濾波，F(xiàn)IR低通濾波，AM檢波，數(shù)字AGC等計(jì)算。
2．1 中頻采樣和A／D變換
本文提到的中頻數(shù)字跟蹤接收機(jī)是70 MHz中頻信號(hào)輸入，信號(hào)帶寬為12 MHz。輸入信號(hào)經(jīng)抗混疊濾波器后，進(jìn)行A／D采樣。采用欠采樣的方法來(lái)求的適合的采樣率。根據(jù)通帶采樣定理，采樣率必須滿足一下條件：

其中，fs是采樣頻率，fh、fl分別是信號(hào)的上、下限頻率，BW=fh-fl是信號(hào)帶寬，m為正整數(shù)，可去的值分別為：2～6。
可見(jiàn)，最低采樣率可以取到25．3～25．6之間，但是采樣率太低會(huì)給濾波器的設(shè)計(jì)帶來(lái)難度。最后根據(jù)Heisenberg不定性原理來(lái)估計(jì)采樣率與分辨率的關(guān)系，以及采樣率與分辨率對(duì)信噪比，ADC動(dòng)態(tài)范圍的影響，計(jì)算最佳采樣率(正交采樣)選擇采樣頻率fsopt=56 MHz，分辨率為16位。
2．2 數(shù)字下變頻的實(shí)現(xiàn)
用56 MHz的采樣頻率對(duì)70 MHz的信號(hào)進(jìn)行采樣，帶通采樣相當(dāng)于將信號(hào)以56 MHz的間隔進(jìn)行頻譜搬移，所以采樣后的信號(hào)，只需要下變頻14 MHz就可以得到基帶信號(hào)。采樣后的調(diào)幅信號(hào)與數(shù)字本振頻率為14 MHz的正余弦信號(hào)進(jìn)行數(shù)字混頻，產(chǎn)生同相和正交兩路基帶信號(hào)。同相分量中含有基帶分量和二次諧波分量，只要通過(guò)低通濾波器就可以得到基帶分量。正交分量中只包含二次諧波分量，通過(guò)低通濾波器可已完全濾除。為了節(jié)約系統(tǒng)資源，所以設(shè)計(jì)NCO只需要產(chǎn)生同相分量。選擇固定系數(shù)法來(lái)產(chǎn)生正弦信號(hào)和余弦信號(hào)，避免由于相位截短帶來(lái)的誤差。正交本振詳細(xì)取值如下：
cos(0)=1；cos(0．5π)=0；cos(π)=-1；cos(1．5π)=0；
sin(0)=0；sin(0．5π)=1；sin(π)=0；sin(1．5π)=-1。
本振信號(hào)的幅度值只有{0，1，-1}，用Verilog編程實(shí)現(xiàn)直接與ADC輸出相乘實(shí)現(xiàn)混頻，這種方法實(shí)現(xiàn)數(shù)字本振信號(hào)精度非常高。