摘 要： 提出了一種改進型中頻數字化正交解調結構，通過在現場可編程門陣列內部對采樣數據流拆分后，分路進行數字解調的方法，大幅降低了現場可編程門陣列的內核工作頻率。解決了中頻數字接收機使用超高速A/D轉換器時，對可編程門陣列內核頻率要求過高的問題。詳細介紹了新結構的組成和工作原理，并使用SIMULINK對新結構建模和仿真，驗證了其可行性。
關鍵詞： 數字正交解調；現場可編程門陣列；中頻數字接收機

A/D變換器速度的不斷提高，推動了軟件無線電不斷向前發(fā)展。傳統(tǒng)的中頻數字化正交解調系統(tǒng)中，前端數據處理部分的工作頻率與數據率也大幅提升，工程師們不得不選擇工作頻率更高的可編程邏輯器件，由此帶來的問題就是芯片選擇的限制及成本的大幅上升。為此提出了一種新的中頻數字化正交解調系統(tǒng)結構，在保留高速A/D的高數據率輸出的同時，大幅降低現場可編程門陣列工作頻率，并進行了仿真，驗證了系統(tǒng)結構的可行性。
1 數字正交解調原理[1，2]
數字正交解調結構如圖1所示，參考和回波中頻模擬信號經由2個A/D轉換器同步采樣量化，然后把數據送入現場可編程門陣列（FPGA）中實現數字下變頻。在FPGA中，將參考中頻的采樣結果輸入數字鎖相環(huán)進行鎖相之后，產生2路正交的數字中頻載波信號。分別與回波中頻信號的采樣結果相乘，實現頻域的搬移。再分別進行數字濾波得到I、Q 2路正交數字基帶信號后，將數據輸出至后端數據處理單元。

2 數據正交解調系統(tǒng)設計[3]
圖2所示為本文提出的中頻正交解調結構框圖，針對高速A/D轉換器數據率大的特點，在FPGA內部，通過DEMUX將回波中頻采樣數據x(n)拆分為奇序列xo(n)和偶序列xe(n)，分別進行處理，使數據速率降為原先的一半。同時，為了使載波序列與X(n)拆分后序列正確匹配相乘，數字鎖相環(huán)輸出調整為2組4路載波信號： cos_odd與sin_odd、cos_even與sin_even與相應的回波拆分序列相乘。得到4路混頻信號xl_odd(n)與xl_even(n)， xQ_odd(n)與xQ_even(n)輸入數字濾波器。

由式(3)、式(5)可得一種新的數字濾波器結構形式(見圖3)，其特點在于將數字信號序列拆分為2路，同時將濾波器系數拆分成2個子濾波器，通過2個子濾波器對2路拆分信號的濾波輸出組合得到對原數字信號序列濾波輸出的奇數項和偶數項。經過上述處理，子濾波器的工作頻率可降為原濾波器頻率的一半，因此在具體實現時可獲得比原濾波器更高的工作頻率，這樣合成濾波器的工作頻率可達到原濾波器工作頻率的2倍以上。

最后將2組混頻輸出信號xl_odd(n)與xl_even(n)，xQ_odd(n)與xQ_even(n)分別通過2個數字濾波器后，就可以得到解調后的正交基帶信號I，Q。
3 仿真與分析[4][5]
Simulink是MATLAB中的一種可視化仿真工具， 是一種基于MATLAB的框圖設計環(huán)境，是實現動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的一個軟件包，被廣泛應用于線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、數字控制及數字信號處理的建模和仿真中。本文使用了Simulink仿真系統(tǒng)來搭建系統(tǒng)模型，做原理級的仿真。
本文使用的數字鎖相環(huán)模型中，信號源產生頻率為參考中頻的模擬正弦波，經由零階保持器理想均勻量化編碼之后送入鑒相器，與余弦表的輸出相乘后經環(huán)路濾波器得到相位誤差，之后輸入DCO。DCO根據相位誤差計算之后產生對應頻率的輸出序列cos_odd與sin_odd，cos_even與sin_even輸出到下變頻單元的乘法器與回波中頻采樣序列進行混頻。
下變頻單元模型中先對回波中頻信號采樣，采樣序列先輸入Buffer緩存，再經由DEMUX拆分為奇偶2個序列xo(n)與xe(n)，之后分別與輸入相應乘法器與載波序列(cos_odd，sin_odd，cos_even，sin_even)進行混頻，再輸入拆分處理數字濾波器模型中進行低通濾波，最后將得到的I_odd與I_even奇偶合并為I，Q_odd與Q_even奇偶合并為Q，就得到了解調后的正交基帶信號I，Q。
仿真參數選取中頻參考信號30 MHz，零階保持模塊的采樣頻率為150 MHz，仿真時間為1 ms，回波中頻信號頻率在29.995 MHz～30.005 MHz之間變化，將解調得到的基帶信號作FFT得到仿真結果與理想結果對比如表1。

由仿真結果可以看出，解調仿真結果與理論結果吻合很好，誤差滿足建模要求。模型完全可以達到要求的正交解調效果。
參考文獻
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