基于FPGA的數(shù)字中頻接收機(jī)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1、2010年第04期,第43卷 通 信 技 術(shù) Vol.43,No.04,2010 總第220期Communications Technology No.220,Totally基于FPGA的數(shù)字中頻接收機(jī)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)馮振偉, 武小冬, 梅順良(清華大學(xué) 電子工程系,北京 100084; 北京雷音電子技術(shù)開發(fā)有限公司,北京 100070【摘 要】近年來雷達(dá)行業(yè)提出了軟件雷達(dá)的概念,數(shù)字技術(shù)在雷達(dá)中的廣泛應(yīng)用已成為一種必然趨勢?，F(xiàn)代雷達(dá)系統(tǒng)對接收機(jī)提出了更高的要求,數(shù)字接收機(jī)技術(shù)已成為實(shí)現(xiàn)高精度寬帶雷達(dá)接收系統(tǒng)的一種有效途徑。研究了數(shù)字接收機(jī)的相關(guān)理論和技術(shù),介紹了數(shù)字下變頻,數(shù)控振蕩器、級聯(lián)積分梳狀

2、濾波器和抽取。給出了一種基于FPGA的數(shù)字中頻接收機(jī)實(shí)現(xiàn)方案,進(jìn)行了分析和仿真,給出了測試結(jié)果?！娟P(guān)鍵詞】數(shù)字中頻接收機(jī);數(shù)字下變頻;數(shù)控振蕩器;級聯(lián)積分梳狀濾波器【中圖分類號】TN957.5【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A【文章編號】1002-0802(201004-0017-03 Design and Implementation of Digital IF Receiver Based on FPGAFENG Zhen-wei, WU Xiao-dong, MEI Shun-liang(Dept. of Electronic Engineering, Tsinghua University, Beiji

3、ng 100084, ChinaBeijing Leiyin Electronic Technology Development CO.,LTD, Beijing 100070, China【Abstract】The concept of software radar is proposed in recent years. The wide application of digital technology in radar has become a main trend. Higher performance is required in a receiver for modern rad

4、ar system. Digital receiver technology has become an effective implementation method for high-accuracy and wide-band radar receiving systems. The theory and technology of digital receiver is discussed in this paper. The digital down conversion, NCO, CIC and decimation are described. An example for i

5、mplementing a digital IF receiver based on FPGA is presented. The analysis and simulation is made and the test results are given.【Key words】digital IF receiver; digital down conversion; NCO; CIC0 引言隨著軟件無線電技術(shù)和可編程器件的發(fā)展,雷達(dá)行業(yè)提出了“數(shù)字雷達(dá)”、“軟件雷達(dá)”的概念,數(shù)字技術(shù)在雷達(dá)中的廣泛應(yīng)用已成為一種必然趨勢,在數(shù)字化接收機(jī)中,輸入信號在射頻或中頻采樣,并在數(shù)字域中完成下變頻、正交

6、解調(diào)、抽取和濾波等處理,最后輸出數(shù)字化的I/Q信號。數(shù)字接收機(jī)的優(yōu)點(diǎn)有:減少了模擬電路的溫漂、增益變化、直流漂移和非線性失真等影響;射頻或中頻采樣,可保留更多的信息;采用數(shù)字混頻實(shí)現(xiàn)正交解調(diào),I/Q幅相誤差極小,避免了模擬混頻產(chǎn)生的寄生信號和交調(diào)失真;配置靈活,體積小,一致性好。因此寬帶高靈敏度大動態(tài)數(shù)字接收機(jī)1-2技術(shù)是現(xiàn)代高性能雷達(dá)的發(fā)展方向。1 數(shù)字下變頻回波信號經(jīng)過A/D采樣之后的數(shù)據(jù)做數(shù)字下變頻(DDC處理,得到基帶數(shù)字化正交信號I(n,Q(n。數(shù)字下變頻3-4由數(shù)控振蕩器(NCO、數(shù)字乘法器、數(shù)字濾波器(CIC濾波、窗函數(shù)濾波三部分組成,其組成框圖如圖1。圖1 數(shù)字下變頻原理1.1

7、 數(shù)字混頻原理從頻譜上看,數(shù)字下變頻將A/D采樣后信號從中頻變換收稿日期:2009-03-24。作者簡介:馮振偉(1978-,男,工程師,碩士研究生,主要研究方向?yàn)槔走_(dá)接收系統(tǒng)數(shù)字接收機(jī);武小冬(1979-,男,工程師,碩士,主要研究方向?yàn)槔走_(dá)信號與信息處理;梅順良(1946-,男,教授,博士生導(dǎo)師,主要研究方向?yàn)閿?shù)字通信,無線通信系統(tǒng)。 1718到基帶。這樣的處理由兩步完成:首先是將輸入信號與正交載波相乘,然后進(jìn)行數(shù)字濾波濾除不需要的頻率分量,圖2顯示了數(shù)字下變頻處理各階段的頻譜變化。 SASA(d 數(shù)字濾波后頻譜圖2 數(shù)字下變頻各階段的頻譜1.2 數(shù)字控制振蕩器數(shù)字控制振蕩器NCO 的目標(biāo)

8、是產(chǎn)生一個理想的、頻率可變的正弦或余弦樣本,如下式:cos(n =cos (2×f LO /f S ×n , n =0,1,2, (1 式中f LO 為本振頻率,f S 為DDC 輸入信號的采樣頻率。NCO 產(chǎn)生樣本最有效的方法是查表法,即事先根據(jù)各個NCO 相位計(jì)算好正弦值,并按相位角度作為地址存儲該相位的正弦值。DDC 工作時,每輸入待下變頻的信號采樣樣本,NCO 自動增加一個2f LO /f S 相位增量,然后根據(jù)相位累加角度作為地址,輸出該地址上的數(shù)值。1.3 抽取采樣后的數(shù)據(jù)速率非常高,難以進(jìn)行實(shí)時處理,所以常對采樣后的數(shù)據(jù)進(jìn)行抽取5,所謂R 倍抽取是指把原始序列

9、x (n 中每隔R -1個數(shù)據(jù)取出一個,組成一個新的序列x R (n ,由采樣定理可得其頻譜表達(dá)式:1j 01j(2(e e R R n n X X R R =。 (2 由式(2可以看出,抽取后序列的數(shù)字譜為抽取前序列數(shù)字譜經(jīng)頻移和R 倍擴(kuò)展后疊加而成,如圖3所示,當(dāng)R =3抽取時頻譜發(fā)生了混疊,此時須進(jìn)行抗混疊濾波。222(a 抽取前 2232222 (cR =32223252圖3 抽取前后的頻譜1.4 數(shù)字濾波器CIC 濾波器常用來在數(shù)字系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)大采樣率的改變,其基本結(jié)構(gòu)如圖4。圖4 CIC 濾波器基本結(jié)構(gòu)由圖4可知,積分器部分工作在采樣頻率f s ,梳狀部分工作在較低的頻率f s /R

10、 且每級微分延遲M 個樣本。R 是轉(zhuǎn)換器速率變換因子,轉(zhuǎn)換器將最后一級積分器的輸出數(shù)據(jù)速率從f s 降到f s /R (將多余的樣本丟棄。CIC 濾波器具有低通特性,如果降頻因子R 比較大,頻率響應(yīng)在一個有限的頻率范圍內(nèi)可以近似為下式6:sin(1(,0sin(NMf H f RM f f M R =。 (2 當(dāng)f s =60 MHz,R =60,M =1,N =5時,CIC 濾波器的頻率響應(yīng)如圖5 所示。 -40-30幅度(d B 幅頻響應(yīng)歸一化頻率/× rad/sample圖5 CIC 濾波器頻率響應(yīng)由圖5可知,CIC 濾波器帶內(nèi)衰落太快,需要進(jìn)行補(bǔ)償濾波使通帶的頻率響應(yīng)更加平坦

11、。2 數(shù)字中頻接收機(jī)實(shí)現(xiàn)2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中頻采樣方式有穩(wěn)定性高、選擇性好、成本低的優(yōu)點(diǎn),本系統(tǒng)中頻實(shí)現(xiàn)框圖如圖6。增益復(fù)位模式圖6 系統(tǒng)中頻實(shí)現(xiàn)框幅度/d B19模擬部分前放濾波單元含有多個信道,由頻點(diǎn)碼選通,完成對射頻信號的低噪聲放大和窄帶濾波;變頻放大單元完成對射頻信號的一次下變頻和中頻信號的濾波放大及增益控制。數(shù)字部分完成對中頻信號的采樣、數(shù)字下變頻、抽取、濾波和控制,最后輸出I/Q 數(shù)據(jù)。 2.2 前端設(shè)計(jì)雷達(dá)接收機(jī)為了檢測微弱射頻回波信號,須有很高的靈敏度和良好的濾除雜波和干擾的能力。通常接收機(jī)的靈敏度可由下式2表示:0min00000mini n n S S kT B F kT B

12、 F M N =。 (3若不考慮M 的影響,為提高靈敏度應(yīng)盡量減小系統(tǒng)噪聲系數(shù)F 0和合理選取帶寬B n 。又系統(tǒng)噪聲系數(shù)在合理分配增益時主要由前端低噪放決定,所以前級選用低噪聲大動態(tài)放大器,既可滿足系統(tǒng)噪聲系數(shù)要求又可降低交調(diào)影響。本系統(tǒng)射頻為VHF 頻段信號,此頻段電磁環(huán)境復(fù)雜,需進(jìn)行良好濾波,考慮帶外抑制要求和匹配濾波,射頻和中頻部分均選用窄帶聲表面波濾波器,聲表面波濾波器具有過渡帶陡峭和阻帶衰減大的特點(diǎn)。 2.3 A/D 設(shè)計(jì)數(shù)字中頻的動態(tài)范圍主要取決于ADC 的分辨率、采樣率和系統(tǒng)噪聲,為了獲得大的動態(tài)范圍,經(jīng)分析比較,選用14 bit AD9445芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,在170 MHz

13、 輸入時其SNR 為13.6 dB ,ENOB 為12.1 bit 。通常ADC 理論信噪比2可由式(4表示:6.02 1.76dB 10lg 2s f SNR N B =+, (4式中N 是ADC 位數(shù),f s 是采樣頻率,B 是信號帶寬,第三項(xiàng)表示提高采樣率對信噪比的貢獻(xiàn)。對本系統(tǒng)B =0.5 MHz ,采樣頻率f s =60 MHz ,則信噪比改善可達(dá)17.7 dB 。ADC 采樣時鐘的孔徑抖動是造成SNR 降低的一大主要原因,考慮到熱噪聲及非線性誤差的影響,當(dāng)輸入信號頻率為46 MHz ,孔徑抖動為0.5 ps 時,仿真得到SNR 為72.8 dB 。在孔徑抖動一定的情況下,隨著輸入信

14、號頻率的升高SNR 還會有所降低,所以合理選取中頻對SNR 有一定改善,綜合考慮后,中頻選取為46 MHz 。時鐘抖動取決于時鐘源頻譜純度,本系統(tǒng)時鐘由高穩(wěn)定恒溫晶振產(chǎn)生,其10 kHz 處相位噪聲為-160 dBc/Hz ,可保證抖動在0.5 ps 內(nèi)。同時ADC 自身的抖動僅為60 fs ,影響可不考慮。根據(jù)廠家資料,AD9445在抖動為0.5 ps ,50 MHz 輸入時,其SNR 可達(dá)到70 dB ,若提高采樣率信噪比改善至少可取15 dB 時,則ADC 總動態(tài)為85 dB ,滿足80 dB 的設(shè)計(jì)要求。2.4 FPGA 設(shè)計(jì)采樣之后的數(shù)據(jù)處理工作都在FPGA 中完成,為了保證充足的硬

15、件資源和處理速度,FPGA 選用Xilinx 的XC2V3000芯片。FPGA 芯片程序采用VHDL 語言編寫,主要是DDC 和時序控制的設(shè)計(jì),其流程如圖7。 圖7 FPGA 流程框NCO 產(chǎn)生正余弦樣本和輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行混頻,輸出I、Q 兩路信號送至CIC 濾波器分別進(jìn)行抽取濾波,R 取為60,采樣率降為1 MS/s,CIC 的后級用FIR 濾波器進(jìn)行補(bǔ)償濾波。FIR 濾波器輸出的I/Q 信號經(jīng)緩存后輸出。FPGA 部分經(jīng)仿真后,處理速度可達(dá)69.985 MHz ,資源和時序均滿足要求。3 結(jié)語系統(tǒng)經(jīng)調(diào)試成功后,性能測試如下:噪聲系數(shù):2.4 dB(實(shí)測最大值;I/Q 幅度一致性誤差:0.05

16、dB(rms;I/Q 相位正交性誤差:0.5°(rms;線性動態(tài)范圍: 84 dB ;帶外抑制(模擬:工作頻率±1.5 MHz 外60 dB ;A/D 有效位:11.1 bit ?；贔PGA 的數(shù)字接收機(jī)性能比模擬接收機(jī)有很大提高,并具有很強(qiáng)的適應(yīng)性,可靈活配置,容易實(shí)現(xiàn)寬帶和多信道化,為現(xiàn)代雷達(dá)提供了一種高性能的接收機(jī)解決方案,具有廣泛的應(yīng)用前景。參考文獻(xiàn)1 James T.Digital Techniques for Wideband Receivers SecondEditionM.America: Artech House, 2001:7-280.2 戈穩(wěn).雷達(dá)接收機(jī)技術(shù)M.北京:電子工業(yè)出版社,2005:29-110. 3 嚴(yán)天峰,喬鐘緯,沈佩