FM全數(shù)字接收機(jī)成信雷達(dá)隊(duì)_論壇版

1、全國研究生電子設(shè)計(jì)大賽全數(shù)字FM接收機(jī)學(xué) 校： 成都信息工程學(xué)院 2目 錄1.緒論12.系統(tǒng)總體與指標(biāo)設(shè)計(jì)12.1系統(tǒng)總體簡(jiǎn)介12.2A/D轉(zhuǎn)換器的選擇22.3數(shù)控振蕩器（NCO）指標(biāo)22.4高速抽取濾波器指標(biāo)32.5鄰頻抑制FIR低通濾波器指標(biāo)32.6數(shù)字FM解調(diào)方法42.7低速抽取濾波器指標(biāo)52.8音頻輸出63.系統(tǒng)硬件的實(shí)現(xiàn)63.1射頻前端83.2電源93.3A/D轉(zhuǎn)換器電路93.4FPGA最小系統(tǒng)電路103.5音頻輸出電路123.6功率放大電路124.設(shè)計(jì)總結(jié)16附件1851. 緒論軟件無線電是上世紀(jì)末新興的一門學(xué)科，它突破了傳統(tǒng)的無線電臺(tái)以硬件為核心的功能單一、可擴(kuò)展性差的設(shè)計(jì)局限性

2、，強(qiáng)調(diào)以可編程的硬件作為通用平臺(tái)，盡量地用可升級(jí)、可重配置的軟件來實(shí)現(xiàn)各種無線電功能的設(shè)計(jì)新思路。軟件無線電是多頻段無線電，它具有寬帶的天線、射頻前端、模-數(shù)/數(shù)-模變換，能夠支持多個(gè)空中接口和協(xié)議，在理想的狀態(tài)下，所有方面(包括物理空中接口)都可以通過軟件來定義。軟件無線電不僅能應(yīng)用在通信領(lǐng)域，也可以應(yīng)用在無線電工程的其他相關(guān)領(lǐng)域，如：雷達(dá)、電子戰(zhàn)、導(dǎo)航、廣播電視、測(cè)控等領(lǐng)域。針對(duì)頻帶為88108MHz，最大頻率偏差為75KHz的FM信號(hào)，本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種寬帶中頻帶通直接采樣的FM全數(shù)字接收系統(tǒng)。在具體設(shè)計(jì)方面，首先，通過MATLAB進(jìn)行系統(tǒng)的仿真；然后，利用FPGA平臺(tái)實(shí)現(xiàn)FM信號(hào)的解調(diào)以

3、及音頻輸出；最后，通過丁類音頻功率放大器輸出聲音。主要技術(shù)包括：數(shù)字混頻、CIC抽取濾波及補(bǔ)償、FIR低通濾波、FM數(shù)字解調(diào)和音頻功率放大等。2. 系統(tǒng)總體與指標(biāo)設(shè)計(jì)122.1 系統(tǒng)總體簡(jiǎn)介圖2-1 系統(tǒng)框圖2.2 A/D轉(zhuǎn)換器的選擇首先，確定A/D轉(zhuǎn)換器的采樣速率。根據(jù)過渡帶允許混疊時(shí)的帶通采樣定理。， （3-1）其中為正整數(shù)；為抗混疊濾波器的矩形系數(shù)。取為80MHz，為2，那么中心頻率為100MHz?？紤]到覆蓋FM信號(hào)88108MHz的頻道范圍，帶寬B最小為24MHz，那么由（3-2）可得，對(duì)于前端的LC帶通濾波器，這是完全可實(shí)現(xiàn)的。其次，確定A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率。因?yàn)槠骷姆直媛试礁?，?/p>

4、需的輸入信號(hào)幅度越小，對(duì)模擬前端的放大量要求也越小。 A/D的分辨率主要取決于器件的轉(zhuǎn)換位數(shù)和器件的信號(hào)輸入范圍?？紤]到FM信號(hào)較通信信號(hào)要清晰的多，因此可以選擇轉(zhuǎn)換位數(shù)在10bit以內(nèi)，Vpp范圍在2V以上的A/D轉(zhuǎn)換器件。再次，確定A/D的模擬輸入帶寬。A/D轉(zhuǎn)換器的模擬輸入帶寬指標(biāo)是衡量其內(nèi)部采樣保持性能的重要指標(biāo)，A/D器件的采樣孔徑誤差越小，其模擬輸入帶寬就越寬，所能適應(yīng)的輸入信號(hào)頻率也就越高。對(duì)于中頻以上的帶通采樣，模擬輸入帶寬必需高于輸入采樣信號(hào)的最高頻率。因此，A/D轉(zhuǎn)換器的模擬輸入帶寬必需在108M以上。最后，確定A/D的動(dòng)態(tài)范圍以及其他接口參數(shù)?？紤]到電源的結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)處理要

5、求，選擇3.3V供電，TTL電平， 2進(jìn)制補(bǔ)碼并行輸出的A/D轉(zhuǎn)換器件。綜合以上考慮，本設(shè)計(jì)選擇美國ADI公司的AD9215BRU-105器件作為中頻帶通直接采樣的A/D轉(zhuǎn)換器。2.3 數(shù)控振蕩器（NCO）指標(biāo)NCO是決定數(shù)字下變頻性能的最主要因素之一。NCO的性能與數(shù)據(jù)位數(shù)有關(guān)，NCO的數(shù)據(jù)位數(shù)包括相位數(shù)據(jù)位數(shù)和相位的正弦值數(shù)據(jù)的位數(shù)。根據(jù)Xilinx公司給出的DDS輸出頻率分辨率公式（3-3）假設(shè)系統(tǒng)時(shí)鐘為80MHz，相位數(shù)據(jù)位數(shù)取為32，則輸出頻率分辨率將達(dá)到0.0186Hz，滿足要求。考慮到A/D的數(shù)據(jù)位10位，以及數(shù)字混頻后的輸出位寬不易過寬，固N(yùn)CO的輸出位寬選擇16位是比較合適的

6、。2.4 高速抽取濾波器指標(biāo)當(dāng)信號(hào)通過數(shù)字下變頻處理后，位寬已經(jīng)展寬到25位，數(shù)據(jù)率為80MHz。要實(shí)現(xiàn)高速抽取濾波，又能節(jié)省硬件資源。級(jí)聯(lián)積分器梳妝濾波器（CIC濾波器）因有不許乘法運(yùn)算的優(yōu)勢(shì)尤其適合做高速抽取，其次是適合做2M倍抽取或內(nèi)插的半帶濾波器。通常的方案是CIC加半帶濾波器的方法實(shí)現(xiàn)高速，多倍抽取。但在本設(shè)計(jì)中，考慮到硬件資源以及算法的精簡(jiǎn)性，采用CIC直接高倍抽取加CIC補(bǔ)償?shù)姆椒āＪ紫?，設(shè)計(jì)一個(gè)抽取倍數(shù)為128，延時(shí)參數(shù)為1，6級(jí)級(jí)聯(lián)的CIC濾波器。考慮到高倍抽取帶來的通帶畸變，必須在后級(jí)加以補(bǔ)償，提高通帶特性。所以，在速率將為625KHz后，馬上要進(jìn)行CIC補(bǔ)償濾波。經(jīng)過補(bǔ)償

7、的CIC濾波器的幅頻響應(yīng)，通帶局部放大圖如圖3-2所示。補(bǔ)償后的濾波器3dB通帶截至頻率在200KHz附近，在250KHz和450KHz附近阻帶衰減最大，達(dá)到了-50dB。在保全有用信號(hào)的同時(shí)，完全能夠抑制抽取帶來的混疊效應(yīng)。圖3-2 經(jīng)過補(bǔ)償?shù)腃IC濾波器的幅頻響應(yīng)，通帶局部放大圖2.5 鄰頻抑制FIR低通濾波器指標(biāo)完成高速抽取濾波后，數(shù)據(jù)速率已經(jīng)降低到625KHz，可以做高階的FIR濾波。由于一般FM信號(hào)的頻偏在75KHz以內(nèi)，所以設(shè)計(jì)的FIR低通濾波器通帶頻率指標(biāo)必須稍稍大于75KHz。FM信號(hào)不同頻道之間的間隔為200KHz，所以阻帶頻率不超過200KHz最好。本設(shè)計(jì)主要考慮，上一級(jí)濾

8、波得阻帶衰減并不是特別理想，需要進(jìn)一步抑制阻帶內(nèi)的無用信號(hào)。因此，采用高階阻帶特性好的FIR低通濾波器。采用Equiripple方法設(shè)計(jì)，其幅頻響應(yīng)局部放大圖如圖3-3所示?？梢?，阻帶衰減在圖3-3 FIR低通濾波器幅頻響應(yīng)局部放大圖115KHz附近時(shí)達(dá)到了-80dB，滿足設(shè)計(jì)要求。該濾波器為68階FIR濾波器。2.6 數(shù)字FM解調(diào)方法解調(diào)是軟件無線電中最為關(guān)鍵的信號(hào)處理能力。本文使用I/Q信號(hào)對(duì)接收數(shù)據(jù)進(jìn)行解調(diào)，F(xiàn)M的表達(dá)式為： （3-4）對(duì)信號(hào)進(jìn)行正交分解后得：同相分量：正交分量：對(duì)正交與同相分量之比值反正切運(yùn)算： （3-5）可以得到： （3-6）利用上式就可以得到瞬時(shí)頻率.2.7 低速抽

9、取濾波器指標(biāo)在數(shù)據(jù)率為625KHz時(shí)，進(jìn)行完FM數(shù)字解調(diào)后，直接面對(duì)的就是音頻信號(hào)。而要解出FM單聲道信號(hào)只需進(jìn)一步做通帶頻率為15KHz的低通濾波即可。但是，本設(shè)計(jì)有一個(gè)限制條件，語音輸出采用的飛利浦的UDA1341語音芯片，其最高采樣率在50KHz以內(nèi)，不同設(shè)置模式稍有差別。因此，要完全耦合上該語音芯片，現(xiàn)今的數(shù)據(jù)速率太快。還需要進(jìn)一步抽取濾波，使得輸出速率能耦合上語音芯片。根據(jù)UDA1341的數(shù)據(jù)手冊(cè)，可以計(jì)算出在時(shí)，取10MHz剛好滿足該模式的最大最小范圍，其最大最小范圍是78131納秒。同時(shí)，剛好等于39062.5Hz，是625KHz的1/16。因此，只需在現(xiàn)有速率下繼續(xù)做16倍抽取

10、即可。本設(shè)計(jì)依然可以采用高速抽取濾波的結(jié)構(gòu)，但是要注意的是，這時(shí)的阻帶截止頻率不能超過19531.25Hz，而通帶截止頻率又達(dá)到了15000Hz。對(duì)于需要補(bǔ)償?shù)腃IC結(jié)構(gòu)來說，這種條件是極為苛刻的。因此，直接利用該結(jié)構(gòu)抽取到想要的數(shù)據(jù)速率上是不容易實(shí)現(xiàn)的。這里采用兩級(jí)抽取的方式，先用CIC加補(bǔ)償?shù)慕Y(jié)構(gòu)做8倍抽取，再利用高階的FIR低通濾波器做2倍抽取。設(shè)計(jì)的CIC濾波器的抽取因子為8，延時(shí)為1，階數(shù)為6。通帶畸變帶來的信號(hào)畸變也是顯而易見的，要保證語音信號(hào)的質(zhì)量，必須進(jìn)一步做CIC補(bǔ)償濾波。幅頻響應(yīng)如圖3-4所示。圖3-4 CIC補(bǔ)償濾波幅頻響應(yīng)然后，設(shè)計(jì)高階的FIR低通濾波器進(jìn)行2倍抽取濾波

11、。該級(jí)抽取濾波時(shí)的數(shù)據(jù)速率已經(jīng)降為了極低的78125Hz，那么在此基礎(chǔ)上做的2倍抽取FIR濾波器特性可以做到近乎理想狀態(tài)，這也是有必要的，因?yàn)榍凹?jí)濾波器的阻帶衰減最大不過45dB，要有較好的抗混疊特性，下級(jí)濾波器的阻帶衰減肯定要求較高。與此同時(shí)，該級(jí)濾波器的輸出直接輸出語音信號(hào)，要保證聲音質(zhì)量，通帶特性和過渡帶寬都需要比較高的技術(shù)指標(biāo)。最終的設(shè)計(jì)參數(shù)如下：其幅頻響應(yīng)圖如圖3-5所示。圖3-5 FIR濾波器幅頻響應(yīng)2.8 音頻輸出經(jīng)過數(shù)據(jù)速率匹配以后的數(shù)據(jù)直接通過IIS接口傳輸?shù)経DA1341語音芯片，就可以原聲播放了。然后，外接D類音頻功率放大芯片TPA3004D2制作的功放電路，該電路采用了

12、250KHZ脈寬調(diào)制技術(shù)。250KHZ的開關(guān)頻率、T1具有良好的傳真度、很低的開關(guān)損耗等優(yōu)勢(shì)使得TPA3000D效率達(dá)到了85%以上，系統(tǒng)中的熱量損耗大大減小，因此節(jié)省了體積大的散熱器和穿孔的空間，降低了元件的采購成本。在不采用散熱器的情況下也可實(shí)現(xiàn)連續(xù)功率輸出。3. 系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)主要器件采用Xilinx的XC6SLX9-2TQG144實(shí)現(xiàn)多速率抽取濾波，F(xiàn)M解調(diào)以及音頻輸出功能。前端A/D轉(zhuǎn)換器采用ADI公司的AD9215BRU器件。硬件系統(tǒng)框圖如圖4-1所示。圖4-1 硬件系統(tǒng)框圖圖4-2 音頻功率放大器結(jié)構(gòu)圖33.1 射頻前端射頻前端框圖如圖4-3，天線使用自制銅絲天線。濾波器采

13、用LC三階橢圓濾波器設(shè)計(jì)而成。濾波器原理圖如圖4-4所示。放大電路采用ERA-2SM芯片進(jìn)行五級(jí)級(jí)聯(lián)組成，該芯片在100MHz范圍內(nèi)具有穩(wěn)定的16.5db的放大倍數(shù)。采用12V供電，外接上拉電感作為輸出。原理圖如圖4-5所示。圖4-3 射頻前端框圖LC濾波器采用三階橢圓濾波器，LC諧振頻率由式4-1計(jì)算得到：（4-1）電路中所使用的電容和電感的參數(shù)為修正后的參數(shù)。圖4-4 三階LC帶通濾波器原理圖圖4-5 放大電路原理圖3.2 電源電源模塊要為各芯片供電，主要完成由+24V到+5V，然后+5V到+1.8V、+2.5V、+3.3V，再由+2.5V到+1.2V的轉(zhuǎn)換。電源結(jié)構(gòu)如圖4-6所示。電源地

14、分別與數(shù)字地和模擬地用0歐電阻連接。電源芯片采用LM2596S-5V、APE1085-3.3、APE1086-2.5、AMS1117-1.8、AMS1117-1.2。圖4-6 電源結(jié)構(gòu)圖3.3 A/D轉(zhuǎn)換器電路 該電路配置AD9215BRU工作在差分輸入模式，預(yù)留了外部時(shí)鐘與內(nèi)部時(shí)鐘接口，電路兼容12bit同系列芯片。圖4-7 A/D模塊原理圖3.4 FPGA配置電路兼容Master Serial Mode與Single-Device Master SelectMAP配置模式圖4-8 FPGA配置電路圖3.5 音頻輸出電路音頻電路使用UDA1341TS芯片在FPGA與音頻輸入輸出之間連接，完成

15、音頻的解碼。圖4-9 音頻輸入輸出電路原理圖3.6 功率放大電路由于FPGA輸出的音頻信號(hào)幅度大約為5mV,而功放芯片要求音頻輸入范圍為0.3V7V，因此在輸入功放芯片之前應(yīng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆糯?。圖4-10 前級(jí)幅度放大電路圖如圖4-10所示，R2、C3組成交流反饋回路，R5為反饋電阻，C2、C4為輸入輸出耦合電容，R1、R4構(gòu)成分壓并由R3為運(yùn)放提供直流工作點(diǎn)電壓。由Multisim9仿真得到一組參數(shù)如圖4-10標(biāo)注。均衡器設(shè)計(jì)：音頻范圍為20Hz20KHz，將此音頻電號(hào)分為高、中、低三個(gè)頻段。所選中心頻率分別為：高頻10Kz、中頻6KHz、低頻300Hz。均衡器設(shè)計(jì)方案如圖4-11所示。圖4-1

16、1 均衡器設(shè)計(jì)方案圖LC型均衡器電路中存在電感元件，易造成飽和失真，并且容易拾取外界的電磁干擾，使噪聲增大。鑒于以上原因，在此選用有源濾波器代替，其也有一定增益，且具有重量輕、體積小、方便調(diào)試等優(yōu)點(diǎn)使得均衡器效果更佳，現(xiàn)采用二階網(wǎng)絡(luò)。設(shè)計(jì)增益一般在2.5倍，切忌不能過大，否則容易產(chǎn)生自激振蕩。如圖4-11所示，音頻由輸入端進(jìn)入均衡器，通過各個(gè)頻段的濾波、提升和抑制，最終輸出。圖4-12 均衡器原理圖由計(jì)算、并由Multisim9仿真得到均衡器的一組數(shù)據(jù)如表格4-1均衡器參數(shù)表格所示。由于濾波器原本的移相功能會(huì)導(dǎo)致輸出音頻高、中、低音混亂，所以在輸出端接R14、R15、R16、R17以整合輸出語

17、音信號(hào)。表格4-1 均衡器參數(shù)表格截止頻率電容C1電容C2電阻R1電阻R2電容C3電阻R3300HZ0.01Uf0.01uF51K51K300HZ/10KHZ100pF100pF49K49K1000pF16K10KHZ220pF220pF72K72K功率輸出部分：由于Pin13Pin24與Pin37Pin38是完全對(duì)稱的。在這里只討論左聲道（Pin13Pin24）即可。圖4-13 芯片功率輸出引腳圖如圖4-13所示，圖中穩(wěn)壓二極管又叫齊納二極管。是一種直到臨界反向擊穿電壓前具有很高電阻的半導(dǎo)體器件。在這臨界擊穿點(diǎn)上，反向電阻值迅速降低，在這個(gè)低阻區(qū)間電流增加而電壓保持不變，所以穩(wěn)壓管主要被作為

18、穩(wěn)壓器或電壓基準(zhǔn)元件使用。穩(wěn)壓二極管的選取應(yīng)注意：芯片的輸出為PWM脈寬調(diào)制信號(hào)，其波形為突變的電壓信號(hào)。在電感上會(huì)產(chǎn)生峰值很大的反生電動(dòng)勢(shì)，根據(jù)輸出功率為12W，負(fù)載阻值為8可知輸出電壓為10V左右。為了保護(hù)H橋，應(yīng)選擇11V的穩(wěn)壓管，型號(hào)為：IN5241。由于芯片沒有將濾波器集成在內(nèi)，所以輸出的PWM信號(hào)要通過一個(gè)低通濾波器才能還原出音頻信號(hào)以驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器。當(dāng)電路中有低頻敏感回路或麥克風(fēng)到放大器的導(dǎo)線較長時(shí)，會(huì)有干擾噪聲。所以在回路中要加一個(gè)濾波器。傳統(tǒng)的丁類調(diào)制方案就其差分輸出而言，每路輸出都有180°的相位差，并從接地到電源電壓VCC之間變化。使用LC濾波器，使得較高的切換電流

19、在LC中循環(huán)，而不被揚(yáng)聲器消耗掉，從而提高芯片的效率。綜上，如圖4-14 LC電路能還原語音信號(hào)、過濾噪聲干擾、并且可以提高芯片的效率。圖4-14 LC低通原理圖耳機(jī)輸出部分：如圖4-15耳機(jī)輸出電路所示，此部分為Pin25Pin36，重點(diǎn)是模式控制，耳機(jī)輸出只作介紹。圖4-15 耳機(jī)輸出原理圖MODE_OUT（0V5V）。邏輯高時(shí)放大器工作在可變輸出模式，此時(shí)丁類功放停止工作；邏輯低時(shí)放大器工作在丁類功放模式。在丁類功放模式下，VAROUTL與VAROUTR可變輸出被用作外接放大器的線性輸入。此腳經(jīng)AVDD提升后接到耳機(jī)插座彈簧片上。使用耳機(jī)時(shí)彈簧片懸空，MODE置為高電平，丁類功放不工作，聲音信號(hào)直接通過TPA6110A2從耳機(jī)輸出；當(dāng)不接耳機(jī)時(shí)MODE為低電平，丁類功放工作驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器，此時(shí)VAROUL