寬帶短波信道模擬器中數(shù)字下變頻的實(shí)現(xiàn)

摘要： 寬帶短波信道模擬器是一種運(yùn)用仿真技術(shù)對(duì)真實(shí)的短波信道進(jìn)行模擬的儀器。首先指出數(shù)字下變頻在寬帶短波信道模擬器中的作用。然后，闡述了數(shù)字下變頻中的數(shù)控振蕩器、CIC 濾波器、半帶濾波器和低通濾波器的實(shí)現(xiàn)方法。最后，結(jié)合Matlab 算法仿真技術(shù)，不依賴FPGA 的IP 核，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于FPGA 的數(shù)字下變頻。功能與時(shí)序仿真結(jié)果表明: 基于FPGA 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的數(shù)字下變頻能夠滿足寬帶短波信道模擬器性能指標(biāo)要求，并且具有靈活性、通用性和修改參數(shù)方便等特點(diǎn)。

　　0 引言

　　短波通信信道具有時(shí)變和色散的特性，并且容易受到噪聲干擾，所以模擬其傳輸特性，具有很高的實(shí)用價(jià)值。短波信道模擬器借助先進(jìn)的仿真技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下進(jìn)行通信試驗(yàn)，因其具有有效性、經(jīng)濟(jì)性、安全性和直觀性等特點(diǎn)，在通信試驗(yàn)中可廣泛使用。傳統(tǒng)的短波信道模擬器大部分停留在話音帶寬上，其主要不足是功耗過(guò)高、體積龐大、可控性不高及實(shí)時(shí)性不好。模數(shù)轉(zhuǎn)換器( A/ D)器件和數(shù)字信號(hào)處理理論的飛速發(fā)展，為研制寬帶短波信道模擬器奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，但由于現(xiàn)有的數(shù)字信號(hào)處理器( DSP) 處理速度有限，往往難以對(duì)高速率A/ D 采樣得到的數(shù)字信號(hào)直接進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，為了解決這一矛盾，需要采用數(shù)字下變頻( DDC) 技術(shù)。所以數(shù)字下變頻技術(shù)在寬帶短波信道模擬器的數(shù)字化和軟件化過(guò)程中起到了重要的作用。FPGA 具有較高的處理速度和很強(qiáng)的穩(wěn)定性，而且設(shè)計(jì)靈活、易于修改和維護(hù)，同時(shí)可以根據(jù)不同的系統(tǒng)要求，采用不同的結(jié)構(gòu)來(lái)完成相應(yīng)的功能，大大提高系統(tǒng)的適用性及可擴(kuò)展性。因此，F(xiàn)PGA 逐漸成為實(shí)現(xiàn)DDC 的首選。

　　1 寬帶短波信道模擬器設(shè)計(jì)

　　寬帶短波信道模擬器的輸入為短波調(diào)制信號(hào)( 3~ 30 MHz) ，首先經(jīng)過(guò)高速A/ D 直接進(jìn)行采樣，將模擬的調(diào)制信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，然后再通過(guò)數(shù)字下變頻技術(shù)分離出I、Q 兩路數(shù)字基帶信號(hào)，以便于后續(xù)的數(shù)字信號(hào)處理。信號(hào)處理中通過(guò)顯示控制設(shè)備對(duì)信道參數(shù)進(jìn)行設(shè)置和輸出。最后處理好的信號(hào)再經(jīng)過(guò)D/ A 轉(zhuǎn)換后，通過(guò)低通濾波器、放大器和程控衰減等設(shè)備輸出最終所需的模擬信號(hào)。這樣就大大降低了ADC 和DSP 器件性能的要求，減輕了數(shù)字信號(hào)處理的負(fù)擔(dān)，便于實(shí)現(xiàn)并有效降低成本。寬帶短波信道模擬器的體系結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 寬帶短波信道模擬器的體系結(jié)構(gòu)圖

　　寬帶短波信道模擬器通過(guò)數(shù)字下變頻降低采樣數(shù)據(jù)率，減輕后續(xù)信號(hào)處理的壓力。數(shù)字下變頻在模擬器中起到前端ADC 和后端DSP 器件之間的橋梁作用。在數(shù)字下變頻部分中可以方便地對(duì)接收信號(hào)頻段和濾波器特性等進(jìn)行編程控制，極大地提高了寬帶短波信道模擬器的性能和靈活性，對(duì)于系統(tǒng)的升級(jí)或是兼容，都非常方便。

　　2 基于FPGA 的數(shù)字下變頻實(shí)現(xiàn)方案

　　寬帶短波調(diào)制信號(hào)的輸入頻率為3~ 30 MHz,根據(jù)帶通采樣理論，在工程實(shí)現(xiàn)上，信號(hào)采樣速率一般為模擬信號(hào)帶寬的2. 5 倍左右，考慮到在器件滿足要求的前提下可以盡量提高采樣頻率，選用了64 MHz 作為ADC 的采樣頻率。經(jīng)過(guò)數(shù)字下變頻的32 倍變頻，最終輸出到DSP 的信號(hào)帶寬為2 MHz。

　　該文中的DDC 實(shí)現(xiàn)不采用Altera 公司所提供的IP核，這樣可以降低成本，減少對(duì)國(guó)外技術(shù)依賴。

　　FPGA 器件采用cyclone III 器件，它是Altera 公司新一代采用SRAM 工藝低成本的FPGA，該系列器件的特點(diǎn)是低成本、低功耗和高性能。具有嵌入式乘法器，實(shí)現(xiàn)專門的乘法和乘加運(yùn)算，還可實(shí)現(xiàn)有限脈沖響應(yīng)( FIR) 濾波器; 最多有20 個(gè)全局時(shí)鐘，支持動(dòng)態(tài)時(shí)鐘管理以降低用戶模式時(shí)的功耗; 并且有4個(gè)鎖相環(huán)( PLL) 。根據(jù)該設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)處理要求，估算處理所需的資源，以及引腳封裝有利于制板的原則，選用EP3C40Q240C8N 型FPGA，并在開發(fā)工具Quartus II 上對(duì)信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)、綜合及仿真。