淺析FPGA數字調頻發射機的原理與設計

作者/高濤，桐鄉市廣播電視臺

淺析FPGA數字調頻發射機的原理與設計

作者/高濤，桐鄉市廣播電視臺

二十一世紀以來無線通信領域之中，模擬調制的相關技術已經逐漸成熟，數字調制發射機就應運而生。其優點眾多，各種功能集成運行，在當前科技飛躍發展的大背景之下，具備廣闊的應用前景。

FPGA；數字調頻發射機；原理

引言

FPGA是現場可編程門陣列，基于互聯連接的可配置邏輯塊CLB矩陣的半導體器件。它可以按照用戶按照需求進行自定義以及配置的一種高容量的現場可編程門陣列。現在FPGA的功能越來越強大，規模也是越來越大，已經在很多平臺的支持下用來設計和實現多種多樣的中小規模的邏輯器系統。一般來講，FPGA包括由CLB、IOB和IR這三種可編程電路和SRAM共同組成。FPGA最重要的一個組成部分就是CLB，它能夠實現邏輯功能。IOB負責提供引腳和內部邏輯陣列間連接。FPGA具有眾多突出優點，尤其是以集成度高、容易進行編程仿真、速度快體積小等優點，得以廣泛應用在在通信、信號、電力等各行各業。

1.數字調頻發射機組成與原理

通常數字調頻發射機的五大主要組成部分，它們分別是模數轉換器A/D、FIR濾波器、直接數字頻率合成DDS、PLL鎖相環頻率合成器、和單邊帶調制SSB這五部分。首先通過A/D進行信號轉換，再進行DDS輸入實現基帶信號調頻，最后交由SSB實現調幅目的，這樣就可以無失真將低頻信號搬移至高頻載波之中。發射階段則通過功率放大器進行放大之后再輸出，再使用天線向四周空間輻射，就這樣就完成了整個信號的調制和發射。

2.FIR數字濾波器

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行過濾，對信號的頻帶進行擴展，對信號的特定頻譜分量進行轉變。FIR數字濾波器需要通過一定的運算變換和處理操作，對其進行處理然后就可以得到目標序列，使其符合需求，這樣就成功完成信號頻譜改變的任務了。例如在通信遙測中，通過其系數相關特點，對于偶數M階的濾波器，那么就只要有M/2個乘法器就可以了，而如果是奇數M，那么就需要(M+1)/2個乘法器來實現目標。

3.直接數字頻率合成器DDS

直接數字合成技術簡稱DDS，其合成頻率技術優勢之處十分明顯，比如轉換信號頻率的速度非?？旃澕s時間，還可以輸出連續得相位信號，還具有頻率分辨率高、控制靈活等顯著特征，使得DDS成功的成為行業中的領頭羊。結合FPGA，人們可以依據實際的需要，方便快捷的進行調幅、調頻、調相位方面的操作。直接數字合成技術利用有限的離散數據，根據具體幅值，交由D/A輸出連續波，通過將不同的波形數據存放如ROM中，就可輸出目標波形。再存入了正弦和余弦函數表，那么就能夠得到正交輸出信號。直接數字頻率合成優點有很多，其易于控制和集成，轉換速度和頻率也很快很高，也能夠輸出連續相位，但是因為器件的約束，使得其輸出信號頻率不夠高。無論如何，瑕不掩瑜，目前DDS以其獨特的性能使用起來十分方便快捷，而且其質量小、穩定系數高、造價低、易于集成等綜合性優點收到廣泛關注和應用。

4.PLL載波信號

DDS生成低頻的基帶信號，由于低頻的信號不能直接進行遠距離空間的傳輸，需要借助高頻載波，將低頻信號附加在其之上，那么才能夠實現真正有效的無線傳輸。

因此就需要運用到采用鎖相環路合成法，簡稱為PLL，來進行操作。利用基本鎖相環負責跟蹤輸入信號的相位，經過鑒相器產生一個與其和VCO信號相位差成比例的電壓。這個電壓通過環路濾波器，噪聲和高頻信號成分被其濾除之后，再經過調制VCO的頻率，在PD鑒相器中與起初信號進行比較，進行重復操作直到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。

5.單邊帶調制SSB

由于天線的尺寸和波長成正比，信號頻率與波長成反比，要將低頻信號附加在載波信號之上來進行傳輸。對于SSB調制使用幅度調制來完成信號的附加搬移，將低頻信號加載到載波信號上。將一個信號常量輸入給DDS時，通過其合成功能得到單一頻率的波源信號，接著利用I/Q實現正弦信號的幅度調制，任一信號源輸入到DDS之中再經由I/Q，就可以完成低頻信號頻譜的搬移。

6.控制電路

FPGA數字調頻發射機關于控制電路的設計主要是從下面三個方面進行操作：為A/D、D/A、PLL、SSB提供時鐘；完成對PLL、A/D、D/A的控制；對DDS輸出.的信號，進行后期處理，然后再輸出到D/A。其核心部分是FPGA，包括A/D和D/A轉換器， PLL以及I/Q兩路SSB調制器等一些組成部分。

本次論文淺析了FGPA數字調頻發射機的原理與設計，針對A/D、FIR、DDS、PLL、SSB等各組成部分進行了介紹與設計，為以后的數字調頻發射機的研究工作提供了一定的參考依據。

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