摘要：為了解決傳統(tǒng)模擬中頻接收機相位分辨率低等缺點，提出一種基于軟件無線電的中頻數(shù)字接收機技術(shù)。針對雷達信號的特點提出了脈寬匹配濾波器的設(shè)計方法。采用基于多相濾波的正交變換理論，以及基于脈寬匹配的數(shù)字濾波器方法完成了一種五通道中頻數(shù)字接收機的設(shè)計。接收機利用五路高速A／D變換器對輸入的模擬信號進行采樣，然后將采樣數(shù)據(jù)送入FPGA進行處理，最終完成了每兩路信號相位差的提取。實驗結(jié)果表明系統(tǒng)具有成本低、精度高、結(jié)構(gòu)簡單等特點，而且具有一定的工程應(yīng)用價值。
關(guān)鍵詞：中頻數(shù)字接收機；正交變換；脈寬匹配濾波器；FPGA

    隨著軟件無線電的發(fā)展，中頻數(shù)字接收機作為電子偵查系統(tǒng)中的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)已經(jīng)越來越受到人們的關(guān)注。
    本設(shè)計主要是研制基于固定中頻數(shù)字下變頻的中頻數(shù)字接收機。本設(shè)計通過對五通道中頻數(shù)字接收機軟硬件的簡單介紹論證了其可行性，并對實驗結(jié)果進行了簡單地分析。
    本設(shè)計的軟件部分全部在一片F(xiàn)PGA內(nèi)完成，提高了系統(tǒng)的運行速度。

1 硬件設(shè)計
    五通道數(shù)字接收機的系統(tǒng)框圖如圖1所示，它由五路調(diào)理電路、五路A／D變換器、時鐘、FPGA以及外圍電路組成。中頻信號經(jīng)過信號調(diào)理電路后，差分信號經(jīng)A／D變換器采樣送到FPGA進行處理，并將提取的I、Q信號送到測向處理器進行處理。信號的中心頻率為150 MHz，采樣頻率為200 MHz。

1．1 變壓器的選擇
    由于A／D變換器要求差分輸入，本設(shè)計采用2個變壓器級聯(lián)的方式實現(xiàn)模擬信號的差分轉(zhuǎn)換，其連接方法見圖2所示。采用這種級聯(lián)方式可以提高耦合系數(shù)從而使相位穩(wěn)定。本設(shè)計變壓器選擇Mini-Circuits公司的ADT1-1WT變壓器。

1．2 A／D變換器的選擇
    本設(shè)計信號的中心頻率f0=150 MHz，帶寬B=10 MHz，根據(jù)帶通采樣定理：設(shè)一個頻率帶限信號x(t)，其頻率限制在(fL，fR)內(nèi)，如果其采樣頻率滿足
   
    上式中，n取能滿足fs≥2(fR-fL)=2B的最大整數(shù)，則用fs進行等間隔采樣所得到的信號采樣值x(nTs)能準確的確定原信號x(t)。式中帶通信號中心頻率f0和頻帶寬度B也可以表示為：
   
    上式中，n取能滿足fs≥2B的正整數(shù)。本設(shè)計中選用的采樣頻率為200 MHz。
    本設(shè)計中A／D變換器選用ADI公司的AD9230BCPZ-250。工作頻率最高可達250 MHz。AD9230采樣輸出數(shù)據(jù)為12 bit，精度高，而且片內(nèi)集成了高性能采樣保持放大器和電壓參考，最大700 MHz模擬差分輸入帶寬。此芯片為雙端輸入，更適合對差模信號進行采樣量化。
1．3 時鐘芯片的選擇
    由于本設(shè)計的采樣頻率比較高(200 MHz)，為了保證A／D變換器的最佳性能，要求提供高精度、低抖動的時鐘信號。本設(shè)計選用AD95163作為系統(tǒng)時鐘。AD9516是一款時鐘綜合芯片，片內(nèi)集成的VCO產(chǎn)生頻率范圍為1.75～2.25 GHz，其輸出可以提供CMOS、LVPecl、LVDS三種時鐘電平，而且有14通道時鐘輸出?？梢酝ㄟ^配置內(nèi)部寄存器改變其輸出的時鐘頻率，以滿足不同設(shè)計的要求。
    AD9516的外圍電路設(shè)計在確定了參考時鐘頻率、輸出頻率以及壓控振蕩器的頻率后，利用ADI公司提供的ADIsimCLK軟件設(shè)計，其主要外部連接圖如圖3所示。

1.4 FPGA
    運用FPGA設(shè)計時序邏輯電路，具有速度快、精度高、設(shè)計靈活、集成度高以及性能穩(wěn)定可靠等優(yōu)點。本設(shè)計選用了ALTERA公司的Strat-ixⅡ系列器件EP2S60F1020，配置芯片選用的是EPCI6。ALTERA公司的EP2S60系列的FPGA具有多個專門的電源，功耗是多個邏輯消耗功耗的綜合。擁有邏輯單元48 352個，PLL鎖相環(huán)12個，DSP塊14個，嵌入式乘法器112個。

2 軟件設(shè)計
    本設(shè)計的軟件實現(xiàn)部分全部在FPGA內(nèi)進行。軟件設(shè)計的流程圖如圖4所示。

2．1 基于多相濾波的數(shù)字下變頻

    也就是說x'BI茸和x'BQ兩個序列分別是同相分量xBI(n)和正交分量xBQ(n)的2倍抽取序列，xBI(n)和XBQ(n)在時間上相差半個采樣點，是由于采用了奇偶抽取所引起的，可以采用兩個延時濾波器來校正，兩個濾波器的頻率響應(yīng)滿足：
   
    在本設(shè)計中根據(jù)基于多相濾波的數(shù)字下變頻的理論，在混頻階段，同相分量載波為[10-10]，正交分量載波為[010-1]，省去了NCO設(shè)計和乘法運算，實現(xiàn)起來比較方便。
2．2 脈寬匹配濾波器
2．2．1 理論基礎(chǔ)

    可以看作是由余弦信號Acos(2πft)加窗w(t)而得到的，則其傅里葉變換為兩者信號頻譜的卷積，其帶寬則應(yīng)是后窗函數(shù)的主瓣寬度所決定，及X(f)的主瓣寬度同矩形脈沖的主瓣寬度相同，為2／T。
    對脈寬0．1μs，中心頻率150 MHz，采樣頻率200 MHz的信號做仿真。仿真結(jié)果如圖5所示。

    通過圖5可以發(fā)現(xiàn)單脈沖信號的頻譜包含無窮多量的頻率，要想讓單脈沖不失真地通過濾波回路，則要求濾波器的帶寬為無窮大。這在實際中是不可行的，由于能量主要集中在主瓣，所以可以根據(jù)需要進行選擇性地濾波。在實際應(yīng)用中如果不需要脈沖的上升沿信息，可以選取脈沖寬度的倒數(shù)作為濾波器的帶寬。
    在實際情況中，由于是針對單脈沖信號進行處理，因此需要針對不同的脈寬情況進行分析。對于窄脈沖情況，可設(shè)計帶寬相對大一些，而對于寬脈沖情況，則可選取相對較小的帶寬。
    在信號脈沖寬度變化范圍較大的情況下，若采用統(tǒng)一的濾波器帶寬對信號進行處理，會導(dǎo)致在信號帶寬較窄時，有較多的帶外噪聲進入到接收機，影響系統(tǒng)的信噪比，導(dǎo)致系統(tǒng)的靈敏度降低，降低了系統(tǒng)的動態(tài)范圍。因此。對于窄脈沖情況，可以設(shè)計帶寬相對大一些，而對于寬脈沖情況，則可以選取相對較小的帶寬。
2．2．2 Matlab仿真結(jié)果
    采用Matlab對信噪比情況進行仿真，輸入一150 MHz的中頻信號，信噪比為10 dB，采用不同通帶寬度和不同阻帶衰減的低通濾波器對信號進行濾波，分析輸出信號信嗓比和信噪比增益情況，得到如表1所示的結(jié)果。

    通過仿真可以看出，帶寬越窄，阻帶衰減越大，信噪比增益越高。但是當阻帶衰減大于30 dB后，信噪比提升不明顯。由于濾波器帶寬越窄對信號能量的減少越多，所以濾波器的帶寬不可以無限的小。
2．2．3 實現(xiàn)方法
    本系統(tǒng)實際處理中信號脈寬的范圍為0．2～150 μs。根據(jù)信號脈寬的不同將信號分為3類，分別為0.2～1μs，1～10μs，10～150μs。根據(jù)不同的脈寬，設(shè)計采用了3種不同帶寬的濾波器對信號進行濾波，分別是5 MHz、1 MHz、0．1 MHz。濾波器設(shè)計原理如圖6所示。

    為了減小FPGA資源占用率，采用濾波器復(fù)用的方式進行濾波器的設(shè)計，通過利用脈寬選擇信號SEL(2．O)對各級濾波器進行選擇，最終實現(xiàn)對不同脈寬類型的信號進行濾波；級間加入抽取模塊降低數(shù)據(jù)速率，有利于數(shù)字濾波器的設(shè)計；每級輸出Data1、Data2、Data3送入數(shù)據(jù)選擇輸出模塊MUX，通過SEL(2.0)選擇最終數(shù)據(jù)輸出Data_out。各級濾波器的時鐘采用PLL統(tǒng)一管理。
    通過采用使能信號EN1、EN2、EN3對濾波器進行控制，可以減小系統(tǒng)功耗。同時，采用濾波器復(fù)用的方式，可以極大地減少所需硬件資源。
    濾波器的實現(xiàn)是用Matlab提供的FDATool工具設(shè)計濾波器，將濾波器的系數(shù)導(dǎo)出，然后將其導(dǎo)入QuarutsII提供的IP核中。濾波器組級間抽取倍數(shù)要保證抽取后的信號頻譜無混疊，抽取模塊使用D觸發(fā)器來實現(xiàn)即可，每個觸發(fā)器的時鐘、使能信號與下一級濾波器時鐘以及使能信號保持一致。

3 實驗結(jié)果
    脈寬匹配濾波器輸出的I、Q信號經(jīng)過CORDIC算法得到各路信號的相位，然后計算各路之間的相位差，得到以下實驗結(jié)果。
    用信號源產(chǎn)生兩路不同脈寬、150 MHz、相位差為0度的中頻信號。對相位差進行提取，用Matlab對結(jié)果進行處理，計算每兩路的相位差均值和標準差。實驗結(jié)果見表2、表3和表4。表2為0．5μs的脈沖信號經(jīng)過一級濾波器的實驗結(jié)果。表3為2μs的脈沖信號經(jīng)過第一級和第二級濾波器的實驗結(jié)果，表4為20μs的脈沖信號經(jīng)過全部三級濾波器的實驗結(jié)果。

    從表2、3、4中可以看出本設(shè)計可以正確地給出各路信號之間的角度，并且信號經(jīng)過的濾波器級數(shù)越多，相位差的標準差就越小，說明脈寬匹配濾波器的使用提高了接收機輸出信號的信噪比。

4 結(jié)論
    本文主要介紹了五通道數(shù)字接收機的軟硬件實現(xiàn)方法，整個設(shè)計采用一片F(xiàn)PGA作為系統(tǒng)的處理核心，五路模擬信號通過A／D芯片同步采樣送到FPGA。本系統(tǒng)主要采用基于多相濾波的正交變換理論，使用CORDIC以及FPGA中的IP核搭建軟件設(shè)計模塊，正交變換后面加入了脈寬匹配濾波器的設(shè)計，提高了輸出信號的信噪比。實驗結(jié)果表明，系統(tǒng)具有精度高、結(jié)構(gòu)簡單等性能。