如何基于FPGA的短波通信接收機(jī)？

短波通信又稱高頻通信，是利用HF波段(3-30MHz)電磁波進(jìn)行的無線電通信。短波通信主要靠天波傳播，可經(jīng)電離層一次或數(shù)次反射，最遠(yuǎn)可傳至上萬里，如按氣候、電離層的電子密度和高度的日變化以及通信距離等因素選擇合適頻率，就可用較小功率進(jìn)行遠(yuǎn)距離通信。短波通信設(shè)備較簡(jiǎn)單，機(jī)動(dòng)性大，因此也適應(yīng)于應(yīng)急通信和抗災(zāi)通信。現(xiàn)代短波通信接收機(jī)正向著數(shù)字化、大通信帶寬方向發(fā)展。文獻(xiàn)[1-3]研究了短波通信的數(shù)字化實(shí)現(xiàn)方式，但其未對(duì)短波通信的大帶寬應(yīng)用進(jìn)行探討;文獻(xiàn)[4-6]研究了通信信道化算法，其對(duì)一定帶寬內(nèi)的多信道高效算法進(jìn)行了詳細(xì)的討論，并給出了具體實(shí)現(xiàn)的有效算法。本文將信道化算法應(yīng)用于短波通信，研究采用信道化算法基于FPGA 的短波通信接收機(jī)及其具體實(shí)現(xiàn)方案，為未來短波通信發(fā)展的研究，進(jìn)行初步的理論探索。

1 短波數(shù)字通信接收機(jī)

常規(guī)短波數(shù)字通信接收機(jī)由模擬前端、模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)、數(shù)字下變頻(DDS)以及數(shù)字信號(hào)處理(DSP)等四部分組成，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。短波數(shù)字通信接收機(jī)的模擬前端對(duì)輸入的3-30MHz 模擬信號(hào)進(jìn)行濾波、放大等處理，然后將處理后的回波信號(hào)利用ADC 進(jìn)行采樣，再將采樣后得到的數(shù)字信號(hào)送入DDS 進(jìn)行數(shù)字下變頻，以得到可以利用DSP 進(jìn)行處理的低速信號(hào)，最后將經(jīng)過數(shù)字下變頻的數(shù)字信號(hào)送入DSP 等數(shù)字信號(hào)處理芯片進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理，解調(diào)出通信語音等有用信息。

圖1 短波數(shù)字通信接收機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

常規(guī)短波數(shù)字通信接收機(jī)的數(shù)字信號(hào)處理部分通常由DSP芯片來實(shí)現(xiàn)，由于DSP的處理能力有限，因此一般需要先進(jìn)行數(shù)字下變頻，以降低數(shù)據(jù)率，從而滿足DSP的處理能力。然而這種結(jié)構(gòu)存在硬件設(shè)計(jì)復(fù)雜，且通信帶寬較低等缺點(diǎn)。

2 基于FPGA 的短波通信接收機(jī)

2.1 短波通信接收機(jī)信道化數(shù)學(xué)模型

信道化接收是指對(duì)整個(gè)帶寬信號(hào)進(jìn)行信道劃分，以實(shí)現(xiàn)對(duì)任意信道信號(hào)的接收，短波通信信道化接收機(jī)將整個(gè)3-30MHz帶寬劃分為N個(gè)均勻的信道，如圖2所示。然后可以同時(shí)對(duì)任意一個(gè)信道中的信號(hào)進(jìn)行接收，從而實(shí)現(xiàn)較大的通信帶寬。

圖2 信道分配圖

由圖2可知，為了可以對(duì)任意一個(gè)信道中的信號(hào)進(jìn)行接收，首先需要將任意一個(gè)信道中的信號(hào)或者同時(shí)將幾個(gè)信道中的信號(hào)解調(diào)到視頻，因此基于圖1中固定的一個(gè)DDS的硬件結(jié)構(gòu)在信道化接收機(jī)中不再適用，同時(shí)解調(diào)多個(gè)信道的信號(hào)對(duì)后續(xù)的信號(hào)處理又提出了新的難題，因此急需提出一種新的短波通信接收機(jī)，以解決目前短波通信中存在的問題。

2.2 基于FPGA 的短波通信接收機(jī)

根據(jù)上節(jié)的分析，本節(jié)提出基于FPGA的信道化接收機(jī)模型，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。由于FPGA具有高度的靈活性以及高速的信號(hào)處理能力，其完全可以實(shí)現(xiàn)多路DDS以及后續(xù)的信號(hào)處理，且可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求，可以通過提高芯片的規(guī)模來實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜、更大帶寬的短波通信。

圖3 基于FPGA 的短波通信接收機(jī)系統(tǒng)方案

其中FPGA實(shí)現(xiàn)多路DDS下變頻以及后續(xù)的信號(hào)處理解調(diào)算法，利用FPGA 的靈活性和實(shí)時(shí)性實(shí)現(xiàn)短波通信的信道化算法，從而在理論上實(shí)現(xiàn)了真正的軟件無線電短波通信接收機(jī)。

3 結(jié)論

短波數(shù)字通信接收機(jī)隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的進(jìn)步而得到了極大的發(fā)展。本文提出的基于FPGA的短波通信接收機(jī)，利用信道化技術(shù)以及FPGA 的高實(shí)時(shí)性，實(shí)現(xiàn)了對(duì)帶寬內(nèi)任意信道信號(hào)的解調(diào)。本文提出的基于FPGA的短波通信接收機(jī)從結(jié)構(gòu)到算法上第一次完整實(shí)現(xiàn)了基于軟件無線電的短波通信接收機(jī)。