摘要：本文對數(shù)字中頻信號處理技術(shù)進(jìn)行了研究,，采用軟件無線電的設(shè)計(jì)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(shù),，在頻譜分析儀及信號分析儀等接收機(jī)中應(yīng)用廣泛,。

引言

　　隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，接收機(jī)的設(shè)計(jì)越來越多地采用軟件無線電(software radio)的思想,，以開放性,、可擴(kuò)展、結(jié)構(gòu)精簡的硬件為通用平臺,，把盡量多的功能用可重構(gòu),、可升級的構(gòu)件化軟件來實(shí)現(xiàn)。從實(shí)際設(shè)計(jì)來說,，射頻模塊盡量簡化,，將信號通過ADC轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號進(jìn)行處理，提高接收機(jī)的穩(wěn)定性,、通用性并降低實(shí)現(xiàn)成本,。在接收機(jī)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(FPGA)為設(shè)計(jì)基礎(chǔ),，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ADC進(jìn)行122.88MHz頻率采樣,，數(shù)字信號送入FPGA進(jìn)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(jìn)行頻譜分析;經(jīng)過DDC,、半帶濾波及CIC后存入DDR2后送CPU進(jìn)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(shí)現(xiàn)

2.1 模數(shù)轉(zhuǎn)換(AD)

　　ADC是整個中頻處理的關(guān)鍵部分，它直接關(guān)系到整個接收機(jī)的性能指標(biāo),，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(guān)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(shè)計(jì)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(jī)中的關(guān)鍵技術(shù),，廣泛應(yīng)用于雷達(dá)、聲納和無線電接收機(jī)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(jié)構(gòu)圖見圖2所示,。

　　在本設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)了免混頻,，用簡單的組合邏輯和取反電路就能實(shí)現(xiàn),，具體方法為：先將輸入信號每隔2 個取2 補(bǔ)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(jìn)行數(shù)字處理或存儲,，接收機(jī)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(gòu)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(shí)現(xiàn)采樣率整數(shù)倍的抽取和內(nèi)插，在接收機(jī)的設(shè)計(jì)中,，主要采用CIC進(jìn)行抽取,。抽取濾波器可以實(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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,，但頻譜分析儀需要實(shí)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(shí)現(xiàn) (即2的冪次方倍)的抽取或內(nèi)插,，而且計(jì)算效率高,，實(shí)時性強(qiáng)。

　　圖5采用半帶抽取方式實(shí)現(xiàn)降低信號采樣速率的要求,。假設(shè)有N級半帶濾波器實(shí)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F_SN= F_S0/2N,，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(jié)合降低信號的采樣率,，實(shí)現(xiàn)大跨度碼元速率信號的處理。