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          接收機的中頻處理技術

          作者:周建燁 徐蘭天 時間:2015-05-14 來源:電子產(chǎn)品世界 收藏
          編者按:本文對數(shù)字中頻信號處理技術進行了研究,采用軟件無線電的設計思想和解決方案,提出了一種基于“AD+FPGA”的中頻信號處理技術,在頻譜分析儀及信號分析儀等接收機中應用廣泛。

          摘要:本文對信號處理技術進行了研究,采用的設計思想和解決方案,提出了一種基于“+”的中頻信號處理技術,在頻譜及信號等接收機中應用廣泛。

          本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/273265.htm

          引言

            隨著數(shù)字技術的發(fā)展,接收機的設計越來越多地采用(software radio)的思想,以開放性、可擴展、結構精簡的硬件為通用平臺,把盡量多的功能用可重構、可升級的構件化軟件來實現(xiàn)。從實際設計來說,射頻模塊盡量簡化,將信號通過C轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號進行處理,提高接收機的穩(wěn)定性、通用性并降低實現(xiàn)成本。在接收機中,最常用的是頻譜分析和信號分析功能,本文以現(xiàn)場可編程邏輯器件()為設計基礎,簡述頻譜分析和信號分析的中頻處理。

          1 方案

            輸入的射頻信號經(jīng)過變頻模塊生成153.6MHz的中頻信號,通過C進行122.88MHz頻率采樣,數(shù)字信號送入進行數(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進行頻譜分析;經(jīng)過DDC、半帶濾波及CIC后存入DDR2后送CPU進行信號分析,包括矢量信號解調(diào),GSM、TD-SCDMA、WCDMA、TD-LTE及FDD-LTE分析等通信制式的非信令解調(diào)。具體中頻處理框圖如圖1所示。

          2 具體實現(xiàn)

          2.1 模數(shù)轉(zhuǎn)換(AD)

            ADC是整個中頻處理的關鍵部分,它直接關系到整個接收機的性能指標,其選用主要參考二個指示,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,由于中頻的寬帶化需求,需要高采樣時鐘的ADC,如要滿足40MHz的分析帶寬,理論上要求采樣時鐘大于80MHz,本設計的采樣時鐘為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)字接收機中的關鍵技術,廣泛應用于雷達、聲納和無線電接收機中,主要將中頻信號混頻到基帶,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,基本結構圖見圖2所示。

            在本設計中,由于fo=153.6MHz,fs=122.88MHz,滿足fo/ fs =(2n+1)/4,NCO輸出為cos(0)、cos(π/2)、cos(π)、cos(3π/4),即1,0,-1,0等幾個特殊值,實現(xiàn)了免混頻,用簡單的組合邏輯和取反電路就能實現(xiàn),具體方法為:先將輸入信號每隔2 個取2 補碼,形成一個新的數(shù)據(jù)流;再將新數(shù)據(jù)流每隔一個置0,所得輸出就是混頻后的信號。

          2.3 CIC抽取濾波

            在數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中,經(jīng)常需要將信號的采樣率降低以便其后進行數(shù)字處理或存儲,接收機最常用的是CIC抽取濾波或半帶抽取濾波。CIC濾波器是級聯(lián)積分梳狀濾波器(Cascaded Integrator-Comb Filter)的簡稱,其基本構成單元是積分器和梳狀濾波器。經(jīng)過若干級級聯(lián)后可實現(xiàn)采樣率整數(shù)倍的抽取和內(nèi)插,在接收機的設計中,主要采用CIC進行抽取。抽取濾波器可以實現(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。

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

          2.4 RBW

            信號經(jīng)CIC濾波器抽取后降低了率采樣速率,但頻譜需要實現(xiàn)從1Hz~3MHz的分辨率帶寬,此時,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1kHz時選擇了25級、22 bit濾波器系數(shù),RBW小于1kHz時選擇了1024級,22 bit濾波器系數(shù),滿足帶外衰減優(yōu)于100 dB。

          2.5 半帶濾波抽取

            半帶濾波器(Half-Band Filter)在多速率信號處理中有著特別重要的位置,半帶FIR濾波器系數(shù)對稱、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現(xiàn) (即2的冪次方倍)的抽取或內(nèi)插,而且計算效率高,實時性強。

            圖5采用半帶抽取方式實現(xiàn)降低信號采樣速率的要求。假設有N級半帶濾波器實現(xiàn)抽取,F(xiàn)S0是輸入采樣速率,F(xiàn)SN是第N級半帶濾波器的輸入采樣速率,則FSN= FS0/2N,且信號經(jīng)過每一級半帶濾波器抽取后,帶寬變?yōu)樵瓉淼囊话?。半帶濾波和CIC抽取濾波結合降低信號的采樣率,實現(xiàn)大跨度碼元速率信號的處理。


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