徐江海

(中國電子科技集團(tuán)公司第20研究所，西安 710068)

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大動(dòng)態(tài)射頻直接采樣接收機(jī)的研究與實(shí)現(xiàn)

徐江海

(中國電子科技集團(tuán)公司第20研究所，西安 710068)

摘要：射頻直接采樣處理技術(shù)可大大簡化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，提高設(shè)備集成度，具有一致性好、頻率切換速度快等優(yōu)點(diǎn)，適合寬帶快速跳頻、實(shí)時(shí)多通道處理等應(yīng)用?；谕ǖ涝鲆娣峙渌枷耄岢隽艘环N大動(dòng)態(tài)信號(hào)射頻直接采樣接收方法。測試結(jié)果表明，該接收機(jī)能達(dá)到80 dB以上的動(dòng)態(tài)范圍。

關(guān)鍵詞：射頻直接采樣；大動(dòng)態(tài)；接收機(jī)

0引言

目前的接收機(jī)一般采用1次或2次模擬下變頻的結(jié)構(gòu)，即將天線接收到的射頻信號(hào)經(jīng)過1次或2次模擬下變頻至中頻后，利用模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)進(jìn)行采樣，再經(jīng)過數(shù)字下變頻至基帶，得到正交的I、Q信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，稱為中頻數(shù)字化接收機(jī)。該接收機(jī)的射頻前端需要較為復(fù)雜的混頻設(shè)計(jì)方案，模擬器件多，一致性較差。射頻直接采樣是直接對射頻信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化處理，它利用軟件無線電的原理，將模/數(shù)(A/D)、數(shù)/模(D/A)變換盡量靠近天線，射頻直接數(shù)字化[1]。用軟件完成盡可能多的信號(hào)處理功能，具有所需器件少、成本低、功耗低、容易取得更高性能的優(yōu)點(diǎn)，對設(shè)備的小型化、集成化以及低功耗化具有重大的意義。然而射頻直接采樣系統(tǒng)的接收動(dòng)態(tài)范圍受限于ADC器件的水平，無法滿足遠(yuǎn)距離通信的大動(dòng)態(tài)接收處理要求。

本文基于軟件無線電的思想，設(shè)計(jì)了一種V/U波段的射頻直接采樣接收機(jī)，并給出了其實(shí)現(xiàn)方法。同時(shí)針對遠(yuǎn)距離通信對大動(dòng)態(tài)信號(hào)接收處理要求，在射頻直接采樣接收基礎(chǔ)上，通過信號(hào)增益分配，實(shí)現(xiàn)了80 dB以上的接收動(dòng)態(tài)范圍。

1系統(tǒng)工作原理

軟件無線電是以通用性、可擴(kuò)展性的最簡硬件為平臺(tái)，通過加載各種應(yīng)用軟件來適應(yīng)不同用戶、不同應(yīng)用環(huán)境的不同需求，實(shí)現(xiàn)各種無線電功能[2]。本系統(tǒng)正是基于這種思想進(jìn)行設(shè)計(jì)的。

整個(gè)射頻直接采樣接收機(jī)的原理框圖如圖1所示。通過此接收機(jī)的信號(hào)變換流程為：將載波為V/U波段、跳頻帶寬為100 MHz的空間信號(hào)由天線饋入；首先經(jīng)限幅器以避免大信號(hào)反射或饋入造成接收機(jī)損壞；經(jīng)限幅器后的信號(hào)通過低噪聲放大器(LNA)后，進(jìn)行窄帶濾波濾除帶內(nèi)以及帶內(nèi)干擾信號(hào)；信號(hào)功分為2路后，分別進(jìn)入2個(gè)接收通道，通過對2個(gè)通道的可變增益放大器(VGA)的增益設(shè)置，使得2個(gè)或某一個(gè)通道進(jìn)入ADC的信號(hào)大小落入ADC的動(dòng)態(tài)處理范圍內(nèi)；信號(hào)經(jīng)VGA放大/衰減后，經(jīng)過帶通濾波器(BPF)進(jìn)行抗混疊濾波；濾波后的信號(hào)經(jīng)Balun轉(zhuǎn)換為I、Q正交2路后送入ADC進(jìn)行帶通采樣處理；數(shù)字化后的信號(hào)進(jìn)入現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)進(jìn)行數(shù)字下變頻及濾波轉(zhuǎn)換為基帶信號(hào)后進(jìn)行后續(xù)處理。

圖1　射頻直接采樣接收機(jī)原理圖

圖2　射頻信號(hào)數(shù)字化接收處理原理圖

送入FPGA的2路射頻數(shù)字化信號(hào)分別與DDS產(chǎn)生的本地載波信號(hào)進(jìn)行混頻，完成數(shù)字下變頻(DDC)至基帶。其中DDS根據(jù)跳頻序列庫產(chǎn)生相應(yīng)頻率的載波信號(hào)，下變頻的同時(shí)完成了解跳。下變頻后的基帶信號(hào)經(jīng)級聯(lián)積分梳狀濾波器抽取濾波以減輕后續(xù)處理壓力。基帶信號(hào)解調(diào)解擴(kuò)后進(jìn)行解交織和信道譯碼，譯碼后的2路信號(hào)送入判決器進(jìn)行判決輸出。

2關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)分析與設(shè)計(jì)

2.1采樣速率的選擇

當(dāng)待采樣信號(hào)的頻率分布在某一有限的頻帶(fL，fH)上時(shí)，如果按照Nyquist采樣定理[3]，則采樣頻率有可能會(huì)很大，以至難以實(shí)現(xiàn)。當(dāng)相對帶寬較小時(shí)，一般采用帶通采樣定理。帶通采樣定理表述如下：

設(shè)一個(gè)頻率帶限信號(hào)x(t)，其頻帶限制在(fL，fH)內(nèi)，如果其采樣速率fs滿足：

(1)

式中:n取能滿足fs≥2(fH-fL)的最大正整數(shù)(0,1,2,…)，則用fs進(jìn)行等間隔采樣所得到的信號(hào)采樣值x(nTs)能準(zhǔn)確地確定原信號(hào)x(t)[4]。

對于本系統(tǒng),fL=400 MHz，fH=500 MHz，取n=2，則根據(jù)式(1)可以得到fs=360 MHz。

2.2ADC器件選擇

模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)的選擇必須兼顧轉(zhuǎn)換靈敏度、無雜散動(dòng)態(tài)范圍和有效轉(zhuǎn)換位數(shù)(ENOB)等指標(biāo)[5]。ADC轉(zhuǎn)換器的采樣位數(shù)越多，器件的電壓輸入范圍越小，即可轉(zhuǎn)換信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍越小。ADC器件的選擇既要滿足輸入信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍的要求，又要滿足后續(xù)處理的精度要求。

本系統(tǒng)ADC選擇ADI公司高速低功耗的器件AD9434。AD9434是一款12位的高性能、低功耗的高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其采樣速率高達(dá)500 MSPS，前端帶寬高達(dá)1 GHz，可直接對V/U頻段進(jìn)行采樣。其無雜散動(dòng)態(tài)范圍(SFDR)高達(dá)78 dBc?？紤]到采樣時(shí)系統(tǒng)時(shí)鐘的抖動(dòng)以及外界環(huán)境對器件的影響，實(shí)際使用時(shí)其動(dòng)態(tài)范圍為-50～4 dBm。

2.3接收通道增益分配

由于ADC器件輸入信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍為60 dB左右，但系統(tǒng)要處理的動(dòng)態(tài)范圍為-95～-15 dBm，單個(gè)ADC無法滿足要求。因此設(shè)計(jì)了雙通道同時(shí)接收，將信號(hào)功分為2路，進(jìn)行不同的增益放大，使進(jìn)入ADC的信號(hào)滿足ADC輸入信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍要求。

通過調(diào)整可變增益放大器(VGA)使接收通道A的增益為10 dB，接收通道B的增益為45 dB。此時(shí)A通道的輸出為-85～-5 dBm，則對A通道信號(hào)進(jìn)行采樣的ADC可處理-50～-5 dBm的信號(hào)，對應(yīng)于整個(gè)系統(tǒng)的可處理輸入信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍為-60～-15 dBm。同理，B通道可處理的信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍為-95～-50 dBm,滿足整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，并保留了設(shè)計(jì)余量。

2.4綜合判決的設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用不同增益雙通道同時(shí)接收的設(shè)計(jì)滿足80 dB大動(dòng)態(tài)范圍的設(shè)計(jì)指標(biāo)。雙通道對信號(hào)同時(shí)進(jìn)行采樣、下變頻、解調(diào)及譯碼等后續(xù)處理，通過譯碼狀態(tài)對雙通道的解調(diào)數(shù)據(jù)輸出進(jìn)行選擇，實(shí)現(xiàn)接收機(jī)的正確輸出。若2路中有任意一路譯碼正確，則輸出該路數(shù)據(jù)；若兩路均譯碼錯(cuò)誤，則進(jìn)行脈沖排序后剔除錯(cuò)誤的圖樣，重新進(jìn)行解調(diào)、譯碼，再次進(jìn)行判決。其綜合判決流程如圖3所示。

圖3　綜合判決處理流程圖

3結(jié)束語

圖4是在Vivado開發(fā)環(huán)境下采集的FPGA信號(hào)處理時(shí)序圖。

圖4　系統(tǒng)測試結(jié)果圖

在圖4中，可以觀察到，當(dāng)輸入-15 dBm信號(hào)時(shí)，通道B由于飽和，無法完成幀同步捕獲，相應(yīng)的其同步完成標(biāo)示未出現(xiàn)，譯碼狀態(tài)為初始態(tài)，即無有效數(shù)據(jù)輸入譯碼器。對于A通道，輸入ADC的信號(hào)為-5 dBm，信號(hào)大小處于ADC輸入信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)，其同步完成標(biāo)示、譯碼狀態(tài)和相關(guān)峰均正確，判決輸出A通道數(shù)據(jù)。

試驗(yàn)結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)在實(shí)現(xiàn)射頻直接采樣接收的同時(shí)，采用雙通道不同增益分配、同時(shí)接收的方法達(dá)到了-80 dB的大動(dòng)態(tài)信號(hào)的接收處理。該技術(shù)在設(shè)備小型化、低功耗化方面具有重要的意義。

參考文獻(xiàn)

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[5]吳麗娟.射頻直接帶通采樣軟件無線電接收機(jī)的研究[D].成都:四川大學(xué)，2005.

Study and Implementation of RF Direct-sampling Receiver with Large Dynamic Range

XU Jiang-hai

(The 20th Research Institute of CETC，Xi'an 710068，China)

Abstract:The technology of radio frequency (RF) direct-sampling can greatly simplify the system design,improve the equipment integration,and has the advantages of good consistency,fast frequency switching speed ，etc.，is suitable for the applications of wideband fast frequency hopping,real-time multi-channel processing,etc..A kind of RF direct-sampling receiving method with large dynamic range is put forward based on channel gain distribution thought.The test results show that the receiver can reach the dynamic range larger than 80 dB.

Key words:radio frequency direct-sampling;large dynamic range;receiver

收稿日期:2016-02-04

中圖分類號(hào)：TN92

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：CN32-1413(2016)02-0046-03

DOI:10.16426/j.cnki.jcdzdk.2016.02.012