FPGA數(shù)字調(diào)頻發(fā)射機(jī)的原理及設(shè)計(jì)

薛濤

[摘要]在二十一世紀(jì)，伴隨著軟件無線電技術(shù)的快速發(fā)展，通信領(lǐng)域進(jìn)入了數(shù)字時(shí)代，其已成為未來發(fā)射機(jī)的主流。

[關(guān)鍵詞]FPGA 數(shù)字調(diào)頻發(fā)射機(jī) 原理 設(shè)計(jì)

二十一世紀(jì)以來，隨著軟件無線電技術(shù)和微電子技術(shù)的不斷蓬勃發(fā)展，通信技術(shù)也進(jìn)入了一個(gè)快速發(fā)展的時(shí)期，其特別是在在軍事通信和民用通信中有著十分重要的作用。在1992年，人們提出了軟件無線電技術(shù)，至今已經(jīng)取得了長足的發(fā)展，其突破了傳統(tǒng)的無線電單一功能。現(xiàn)在的無線通信領(lǐng)域之中，模擬調(diào)制的相關(guān)技術(shù)已經(jīng)逐漸成熟，但是一些方面比如在調(diào)制碼率、帶寬利用率方面效率不高，由于二極管技術(shù)限制的制約，同樣制約了調(diào)制頻偏受，與此同時(shí)因?yàn)槟M調(diào)制發(fā)射機(jī)，它的功能相對來說比較的單一，這就使得系統(tǒng)的調(diào)制頻率無法進(jìn)行調(diào)節(jié)，調(diào)制不可再配置，從而無法滿足多頻變得要求。此時(shí)，數(shù)字調(diào)制發(fā)射機(jī)就應(yīng)運(yùn)而生。與模擬調(diào)制相比較，其具備了前者無法匹敵優(yōu)勢，其可以進(jìn)行重新組合調(diào)制，只需要利用可編程器件即可完成上述目的，并且還可以兼容其他的調(diào)制方式，對有限的頻率資源進(jìn)行合理利用。在現(xiàn)實(shí)使用時(shí)，可以將采編器與其歸一，增強(qiáng)了擴(kuò)展性。

當(dāng)下，通信技術(shù)領(lǐng)域的必然發(fā)展趨勢是電路數(shù)字化，這是因?yàn)閿?shù)字通信具有很強(qiáng)的抗干擾能力，可靠穩(wěn)定的傳輸性能，另外其易于對傳輸?shù)臄?shù)字信號進(jìn)行處理和存儲(chǔ)，以及還有易集成、小型化等各方面的優(yōu)點(diǎn)。綜上所述，數(shù)字發(fā)射機(jī)的優(yōu)點(diǎn)眾多，例如工作性能安全可靠，各種功能集成運(yùn)行，造價(jià)低體積小等等。在當(dāng)前科技飛躍發(fā)展的大背景之下，數(shù)字調(diào)制發(fā)射機(jī)的性能比起以前的產(chǎn)品來說，可謂是性能大大提高，且具有體積小，成本低的優(yōu)勢，因此更具備廣闊的應(yīng)用前景。在本次設(shè)計(jì)當(dāng)中，筆者針對數(shù)字調(diào)制發(fā)射機(jī)，首先對它的原理進(jìn)行了學(xué)習(xí)和闡述，然后對其各個(gè)重要主要組成部分進(jìn)行了一一分析和設(shè)計(jì)。從而可知要實(shí)現(xiàn)數(shù)字調(diào)制發(fā)射機(jī)的功能集成化設(shè)計(jì)，也就是將數(shù)字調(diào)制發(fā)射機(jī)的功能集中到FPGA芯片之上，并且筆者在此基礎(chǔ)上，對各部分進(jìn)行了設(shè)計(jì)。

一、FPGA簡述

FPGA是現(xiàn)場可編程門陣列，它是基于互聯(lián)連接的可配置邏輯塊CLB矩陣的半導(dǎo)體器件。其與ASIC相比，F(xiàn)PGA可以針對所需的功能或者是需要按照一定的要求進(jìn)行編程。它是ASIC中一種半定制的電路，它可以按照用戶按照需求進(jìn)行自定義以及配置的一種高容量的現(xiàn)場可編程門陣列。FPGA的內(nèi)部邏輯單元陣列是由許多小單元一起組成，各個(gè)邏輯單元的信號經(jīng)由周邊布線通道來實(shí)現(xiàn)相互連接，用戶自行對布線通道和邏輯單元進(jìn)行按需配置，按照不同的設(shè)計(jì)配置，集成塊的功用也就不盡相同。在集成技術(shù)高速發(fā)展的二十一世紀(jì)，F(xiàn)PGA的功能越來越強(qiáng)大，規(guī)模也是越來越大，其已經(jīng)在很多平臺(tái)的支持下用來設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)多種多樣的中小規(guī)模的邏輯器系統(tǒng)。

一般來講，F(xiàn)PGA包括由CLB、IOB和IR這三種可編程電路和SRAM共同組成，這里SRAM是由于存放編程數(shù)據(jù)的。FPGA最重要的一個(gè)組成部分就是CLB，它能夠?qū)崿F(xiàn)邏輯功能。IOB負(fù)責(zé)提供引腳和內(nèi)部邏輯陣列間連接，每一個(gè)引腳都由專門的一個(gè)IOB進(jìn)行控制，進(jìn)行輸入或輸出的雙向功能配置，其包括輸入和輸出緩沖器、觸發(fā)鎖存器等等幾個(gè)部分，排列在芯片周圍。IR，作為可編程互聯(lián)資源，通過包含其中的一些可編程開關(guān)以及金屬線實(shí)現(xiàn)CLB與IOB的聯(lián)接，這樣從而構(gòu)建成各種功用的不同系統(tǒng)。總而言之FPGA具有眾多突出優(yōu)點(diǎn)，尤其是以集成度高、容易進(jìn)行編程仿真、速度快體積小等優(yōu)點(diǎn)，得以廣泛應(yīng)用在在通信、信號、電力等各行各業(yè)。

二、數(shù)字調(diào)頻發(fā)射機(jī)組成與原理

從下圖1可以知道，通常數(shù)字調(diào)頻發(fā)射機(jī)的五大主要組成部分，它們分別是模數(shù)轉(zhuǎn)換器A/D、FIR濾波器、直接數(shù)字頻率合成DDS、PLL鎖相環(huán)頻率合成器、和單邊帶調(diào)制SSB這五部分。

眾所周知的是原始的輸入信號的頻率都比較低，而且它是相位與幅度都是隨著時(shí)間變化而變化的模擬輸入信號。因此要通過A/D進(jìn)行信號轉(zhuǎn)換，再進(jìn)行DDS輸入實(shí)現(xiàn)基帶信號調(diào)頻。最后交由SSB實(shí)現(xiàn)調(diào)幅目的，這樣就可以無失真將低頻信號搬移至高頻載波之中。發(fā)射階段則通過功率放大器進(jìn)行放大之后再輸出，再使用天線向四周空間輻射，就這樣就完成了整個(gè)信號的調(diào)制和發(fā)射。本文接下來將結(jié)合A/D、FIR、DDS、PLL、SSB這五個(gè)重要組成部分進(jìn)行闡述說明和分析設(shè)計(jì)。

三、FIR數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)

濾波器的作用就是提取有用的信號，將無用的信號或者噪聲進(jìn)行過濾，對信號的頻帶進(jìn)行擴(kuò)展，對信號的特定頻譜分量進(jìn)行轉(zhuǎn)變。

FIR數(shù)字濾波器需要通過一定的運(yùn)算變換和處理操作，然后就可以做到變換輸入序列為人們所需要的序列，簡單來講就是不管輸入序列如何，我們只需要進(jìn)行要求設(shè)定，對其進(jìn)行處理然后就可以得到目標(biāo)序列，使其符合需求，這樣就成功完成信號頻譜改變的任務(wù)了。在數(shù)字信號傳輸和處理方面數(shù)字濾波器的應(yīng)用十分廣泛，例如在通信遙測之中，人們要求能夠快速的實(shí)時(shí)的對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，則可通過其系數(shù)相關(guān)特點(diǎn)，即h（i）=h（N-i），即h0=h7、hl=h6、h2=h5、h3=h4，對于偶數(shù)M階的濾波器，那么就只要有M/2個(gè)乘法器就可以了，而如果是奇數(shù)M，那么就需要（M+1）/2個(gè)乘法器來實(shí)現(xiàn)目標(biāo)。下圖以8階為例，如下圖2所示其為串行方式8階的結(jié)構(gòu)。

四、直接數(shù)字頻率合成器DDS的設(shè)計(jì)

二十一世紀(jì)的科技在迅速發(fā)展，近些年來有新的合成頻率的方式也在不斷興起，其中的一種就是直接數(shù)字合成技術(shù)（簡稱DDS或DDFS）。DDS合成頻率技術(shù)優(yōu)勢之處十分明顯，比如在一些方面，包括轉(zhuǎn)換信號頻率的速度非常快節(jié)約時(shí)間，還可以輸出連續(xù)得相位信號，還具有頻率分辨率高、控制靈活等顯著特征，使得DDS成功的成為行業(yè)中的領(lǐng)頭羊。本次設(shè)計(jì)采用基于FPGA的自行設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)DDS系統(tǒng)，因?yàn)槠渲锌删庉嬤壿嬈骷δ茏銐驈?qiáng)大，以其杰出的的高速、大規(guī)模、可編程等顯著功能，可以完美實(shí)現(xiàn)DDS。結(jié)合FPGA，人們可以依據(jù)實(shí)際的需要，方便快捷的進(jìn)行調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相位方面的操作。

通過將不同的波形數(shù)據(jù)存放如ROM中，就可輸出目標(biāo)波形，比如說方波、矩形波、三角波、鋸齒波等等，可以說可實(shí)現(xiàn)任何一種波的輸出。再如果存入了正弦和余弦函數(shù)表，那么就能夠得到正交輸出信號。直接數(shù)字頻率合成優(yōu)點(diǎn)有很多，其易于控制和集成，轉(zhuǎn)換速度和頻率也很快很高，也能夠輸出連續(xù)相位，但是因?yàn)槠骷募s束，使得其輸出信號頻率不夠高。現(xiàn)如今，科學(xué)技術(shù)迅猛發(fā)展，相信隨著隨著數(shù)字集成技術(shù)的飛速發(fā)展，這一不足之處肯定會(huì)得到完善的解決。無論如何，瑕不掩瑜，目前DDS以其獨(dú)特的性能使用起來十分方便快捷，而且其質(zhì)量小、穩(wěn)定系數(shù)高、造價(jià)低、易于集成等綜合性優(yōu)點(diǎn)收到廣泛關(guān)注和應(yīng)用。

五、PLL載波信號合成設(shè)計(jì)

整個(gè)發(fā)射機(jī)之中由DDS生成低頻的基帶信號，學(xué)習(xí)過電磁學(xué)知識(shí)我們知道，低頻的信號不能也無法直接進(jìn)行遠(yuǎn)距離空間的傳輸，這樣造成了無法直接進(jìn)行無線信號的傳輸，因此需要借助高頻載波，將低頻信號附加在其之上，那么才能夠?qū)崿F(xiàn)真正有效的無線傳輸。這里就需要運(yùn)用到采用鎖相環(huán)路合成法，簡稱為PLL，來進(jìn)行操作。

基本鎖相環(huán)的主要組成包括鑒相器PD、環(huán)路濾波器、壓控振蕩器VCO這三大部分組成。它的基本功能是負(fù)責(zé)跟蹤輸入信號的相位，然后經(jīng)過鑒相器產(chǎn)生一個(gè)與其和VCO信號相位差成比例的電壓。這個(gè)電壓通過環(huán)路濾波器，噪聲和高頻信號成分被其濾除之后，再經(jīng)過調(diào)制VCO的頻率，在PD鑒相器中與起初信號進(jìn)行比較，進(jìn)行重復(fù)操作直到VCO以固定的相位鎖住輸入信號，通過跟蹤相位以獲得頻率同步和頻率跟蹤。利用鑒相器PD來比對參考與輸入信號間的相位，輸出相位差函數(shù)的電壓。環(huán)路濾波器是線性電路，可以慮除高頻信號成分與噪音，讓差頻分量順利通過。由此可知，整個(gè)鎖相環(huán)路工作原理十分簡單快捷，利用它可合成穩(wěn)定性和精度都很高的信號，在本次的設(shè)計(jì)中就采用這種鎖相頻率合成法來完成合成來進(jìn)行調(diào)節(jié)高頻載波信號。

六、單邊帶調(diào)制SSB設(shè)計(jì)

學(xué)習(xí)電磁場理論可知在無線傳輸中，天線的尺寸和波長是成正比的，而信號的頻率則與波長成反比，所以直接采用無線傳輸?shù)皖l基帶信號是不現(xiàn)實(shí)的，要將低頻信號附加在載波信號之上來進(jìn)行傳輸。通過控制低頻信號以達(dá)到利用高頻載波的某一個(gè)參數(shù)的目的，使得其伴隨著信號變化而變化，這就是調(diào)制。對于此次SSB調(diào)制使用幅度調(diào)制來完成信號的附加搬移，將低頻信號加載到載波信號上。整個(gè)系統(tǒng)的幅度調(diào)制用AD公司的I/Q調(diào)制器AD8346芯片，它的可調(diào)頻帶是0.5-2.5GHz，主要包括本振源、混頻器、V-I轉(zhuǎn)換器、差分信號一單邊帶信號轉(zhuǎn)換器等幾個(gè)組成。講一個(gè)信號常量輸入給DDS時(shí)，通過其合成功能得到單一頻率的波源信號，接著利用I/Q實(shí)現(xiàn)正弦信號的幅度調(diào)制，也就是說任一信號源輸入到DDS之中再經(jīng)由I/Q，就可以完成低頻信號頻譜的搬移。

七、關(guān)于控制電路的設(shè)計(jì)

在本次設(shè)計(jì)中關(guān)于控制電路的設(shè)計(jì)主要是從下面三個(gè)方面的任務(wù)著手的：①為A/D、D/A、PLL、SSB提供時(shí)鐘；②完成對PLL、A/D、D/A的控制；③對DDS輸出的信號，進(jìn)行后期處理，然后再輸出到D/A。

本次設(shè)計(jì)基于FGPA對數(shù)字調(diào)頻發(fā)射機(jī)進(jìn)行的研究和設(shè)計(jì)，針對A/D、FIR、DDS、PLL、SSB等各組成部分進(jìn)行了設(shè)計(jì)并給出了實(shí)現(xiàn)方案，使得數(shù)字調(diào)制發(fā)射機(jī)各個(gè)方面的性都能夠得以提升，并為以后的工作提供了一定的參考依據(jù)。