多功能通信中频信号数字产生技术

也讥技岔2006年第3期 研究与开发RESEARCH&DEVELo眦NT 文章编号：1001—893X(2006)03—0093—03 多功能通信中频信号数字产生技术· 杨 斌 (中国西南电子技术研究所，成都610036) 摘要：无线战术通信系统采用越来越多的信号波形以满足各种战术使用功能的要求，中频数字化 处理是目前软件无线电技术方案实现多功能通信的基本技术途径。通过简述多种调制方式中频信 号数字产生的基本处理方法，提出了一种具体实施方案，并分析了其技术特点。 关键词：数据通信；正交调制；采样率变换；数字滤波；软件无线电 中图分类号：TN911．7文献标识码：A DigitalGenerationTechniqueforMultifunctional CommunicationIFSignalsommunicauOn K伽Bi乃 (SouthwestChinaInstituteofElectronicTechnology，Chengdu610036，China) Abstract：Awirelesstacticalcommunicationsystemusesmoreandmoresignalwaveformstomeetthere‘ quirementsofdifferenttacticalfunctions．Intermediatefrequency(IF)digitalprocessingisabasic印一 proachforthesoftwareradioscheme．耽ispaperdiscussesthedigitalgenerationmethodforcommunication IFsignalsandproposesaconcreteimplementationresolutionandanalyzesitstechnicalcharacteristics． Keywords：datacommunication；quadraturemodulation；samplerateconversion；digitalfiltering；software radio l 引 言 始于无线战术通信应用的软件无线电(Software Radio)技术近年来获得了广泛的应用。软件无线技 术的设计思想就是要将传统的通信信号处理数字 化，把数字处理的应用范围不断推向射频前端，以通 过软件设计、重组实现通信系统的技术升级与功能 扩展，达到使不同体制的通信系统便捷互通的目标。 现阶段限于数字处理器件的技术水平，绝大多数软 件无线电处理框架都是基于中频数字化平台。许多 研究重点考虑的是中频数字接收处理，并往往取较 低的中频(IF)如6．5MHz、10．7MHz等。随着技术 发展IF频率会不断提高，当前70MHz是越来越普 遍的选择。事实上，IF频率的增加对系统发端直接 中频数字调制同样有较大压力。本文针对日益重要 的数据通信和航空通信环境严格的应用要求，提出 了一种70MHz中频的多功能数字调制解决方案， 并就有关的设计 要点 综治信访维稳工作要点综治信访维稳工作要点2018综治平安建设工作要点新学期教学工作要点医院纪检监察工作要点 进行分析论述。 2基本处理过程 在传统的通信中话音是主流，采用AM、FM为 主的调制方式，发展了DSB—SC、SSB、VSB一系列 处理方法及相应模拟处理电路。现代通信中数据通 信已成为发展的先锋，并形成了MPSK、MFSK、QAM 等众多的数字调制技术。原则上采用正交调制结构 可以实现所有的调制处理，我们着重考虑数据通信 应用，其数字调制信号产生的处理过程框图如图1 所示。 ·收稿日期：2006—02—12；修回日期：2006—05—09 ·98· 万方数据 也钆技求2006年第3期 研究与开发RESEARCH&DEVELoPMENTl' 车喇l肾叫样率变l-凸d—l换处理I Y —————_卅～”l、 m 一样事变卜_ICI<卜一 I换处理I 一 图1正交调制处理流程 图1的处理功能可划分为2个主要部分：基带 处理和数字调制。完整的实现方案还应包括信源预 处理(如话音的模数转换与编码、数据信息的组织 与信道编码)和中频数字调制输出信号的D／A转 换、滤波放大。图中虚框部分是基带处理 内容 财务内部控制制度的内容财务内部控制制度的内容人员招聘与配置的内容项目成本控制的内容消防安全演练内容 ，其主 要任务包括矢量映射和成形滤波，后者是高速数据 通信减少ISI符号间串扰和控制信号带宽的主要措 施；数字调制由NCO和数字乘法器完成。当使用 70MHz以上的高中频时，要求有足够精度的高速乘 法器件，而基带做复杂的滤波处理不宜采用高采样 率，因此通过内插滤波技术进行数字采样率变换来 衔接。图中的信号选择将宽带的扩谱信号包括在 X@’) 内，不同带宽信号的处理要求是有较大差别的。 3主要处理方法 由图1可见，产生数字中频调制信号的主要处 理内容有数据映射、成形滤波和采样率变换。使用 不同的映射方式完成不同的调制是多功能通信的要 求，目前广泛使用的无线数据通信调制方式有 BPSK、QPSK、8PSK、FSK、GFSK、MSK、GMSK。其中 GFSK、GMSK使用高斯脉冲成形降低旁瓣具有极好 的频谱效率，除此而外BPSK等也使用升余弦滤波 处理。一般化的成形滤波器遵照奈奎斯特准则设 计，数字处理中可以按数据率产生并存储波形参数 方便地实现。需要着重说明的是数据率变换的处理 方法，这是产生较高中频数字调制信号的主要手段。 图2是整数倍提高采样率处理的原理说明。将 数字输入石(n)内插肘一1个点而得到原信号肘倍 采样率的埘(璐)，再通过滤波器h(东)得到y(嚣)。 图示输入输出的谱特性Ix(e埘)I和Iy(e如)l完全一 样，区别是对应不同采样率，在归一化角频率∞与 ∞7下，通带比例不同而保持信号的带宽不变。 州 0 Ⅱ2丌0 Ⅱ／M 图2提升采样率变换的处理与频谱关系 从图2中比较I形(e脚)I和Il，(eⅢ)I不难发现， 本质上^(屉)就是谱特性IH(e抽)I通带为信号带宽 的低通滤波器。滤波器如(是)的设计是完成采样率 变换的关键，研究的出发点是如何减少具体实现的 硬件代价，同时要求具有线性相位特性以满足产生 相位调制信号的需要。在采样率变换处理中广泛应 用的是HBF滤波器和CIC滤波器。HBF(半带滤波 器)是一类特殊的适用于2倍率内插或抽取的FIR 滤波器，它保持相位线性而冲激响应偶序列值为零， 从而极大地减少了运算量。HBF的谱特性满足(1) 式： ·94· 日[e5(”。’]=l—H(e抽)，O．1．=盯一∞。(1) 其中杖是通带上限，∞，为阻带下限。 HBF的级联可以完成2的幂次的抽取或内插 滤波，但必须注意HBF的过渡带是有混迭的。因此 通常在多级HBF后接CIC级联积分梳状滤波器。 CIC的传输函数如(2)式： RM-1 日(：)=[(1一z。删)／(1-=。)]Ⅳ=(∑z一‘)Ⅳ (2) 由(2)中展开式可见CIC有线性相位特性，它 万方数据 国乩技求2006年第3期 研究与开发RESEARCH&DEVELoP]MENT 适用于任意整数倍率的内插和抽取。式中R为采 样率比率，Ⅳ是级联阶数，肼是每级的延时。滤波器 的设计与信号参数有关，具体可参考文献[1]。 4一种实现方案 图1的数字中频调制信号产生过程有多种实现 方式，比较有实用性的方案之一是用较大规模的 I---_-- ：FPGA ：基带处理 l FPGA器件完成全部有关的变换与滤波、NCO综合 和高速数字乘法等处理，但对70MHz中频信号，设 计不同数据率和不同调制方式信号的处理软件将是 非常艰巨的工作，同样的困难会是对器件高速度、大 容量带来的性价比问题。所以我们推荐采用FPGA 完成基带处理与专用的数字正交上变频器相结合的 方案。 图3正交数字上变频器AD9857原理框图 目前有多家半导体厂商生产QDUC器件，图3 是ADI公司产品AD9857的原理框图。该芯片使用 两级HBF和倍率为2～63可选的CIC作采样率变 换滤波，通过内含的DDS和数字调制器完成调制处 理，同时集成的14位200MSPS高速DAC直接得到 IF模拟信号，80MHz窄带输出SFDR在85dB以 上，宽带信号也有60dB，是一款性能优良的数字调 制芯片。 在信号产生中设计要点在于各处理短采样率的 选择和满足信号的带宽。我们建议FPGA与 AD9857交换的数据率取在10MSPS左右，后端 HBF和CIC可以简洁地提升数据采样率到200 MSPS，以最大限度利用器件能力产生70MHz中频， 而前端为产生带宽达5MHz的信号创造条件。需 要注意的是产生信号技术要求的影响，器件的HBF 和CIC设计是一定的，当通带波动要求很低时，会对 信号带宽提出更严格的限制，具体要求参见文献 [2]。 5小结 本文较详细地介绍了中频调制信号的数字产生 过程和主要处理方法，针对70MHz中频信号产生， 介绍了一种实用的实现方案，该方案中FPGA基带 处理与QDUC相结合的形式可以比较灵活地得到 不同调制方式的数字中频调制信号，满足多功能数 据通信软件化处理的需求。相对70MHz而言 AD9857的200MSPS速率略显不足，但技术发展新 型器件不断推出，以ADI的TxDAC系列产品 AD9777为例速率已达400MSPS，所以进一步优选 芯片不难得到性能更优的解决结果。 参考文献： [1]JGProaki$．DigitalCommunication[M]．McGraw— Hill，1995． [2]EBHogenauer．AneconomicalclassofdiOtmfiltersfor decimationandinterpolation[J]．IEEETmm，April 1981．ASSP一29． [3]RECrochiere，LRRabiner．Multiratedigitalsignalpro- cessing[M]．PrenticeHall，1983． [4]AnnalogDeviceInc．AD9857：QuadratureDigitalUpcon- verterDatasheet[Z]．2002． 作者简介： 杨斌(1963一)．男，四川资阳人，博士， 高级工程师，主要研究方向航空电子系统与 无线通信技术，(电话)028—87555515(电子 信箱)mryane,bin@tom．tom。 ·95· 万方数据 多功能通信中频信号数字产生技术 作者： 杨斌， YANG Bin 作者单位： 中国西南电子技术研究所,成都,610036 刊名： 电讯技术 英文刊名： TELECOMMUNICATION ENGINEERING 年，卷(期)： 2006,46(3) 参考文献(4条) 1.J G Proakis Digital Communication 1995 2.E B Hogenauer An economical class of digital filters for decimation and interpolation 1981 3.R E Crochiere;L R Rabiner Multirate digital signal processing 1983 4.Aanalog Device Inc AD9857:Quadrature Digital Upconverter Datasheet 2002 本文读者也读过(7条) 1. 魏欣.吴涛.侯孝民 基于软件无线电的中频直扩信号发生器设计与实现[会议论文]-2007 2. 梁永明.罗汉文.汪玉.LIANG Yong-ming.LUO Han-wen.WANG Yu 无线通信电台的通信 协议 离婚协议模板下载合伙人协议 下载渠道分销协议免费下载敬业协议下载授课协议下载 研究[期刊论文]-电讯 技术2005,45(2) 3. 张永祯.段道聚 基于DDS的雷达中频信号源的实现[会议论文]-2007 4. 姒强.向敬成 中频脉中压缩信号数字化直接产生技术研究[期刊论文]-电子与信息学报2002,24(1) 5. 李慧敏.姒强.汪学刚.向敬成 中频脉压信号产生技术研究[期刊论文]-现代电子技术2004,27(13) 6. 谭爱国.琚长江.TAN Ai-guo.JU Chang-jiang 基于XE1203无线射频芯片的透明数传模块研制[期刊论文]-电讯技 术2006,46(6) 7. 张朋.徐建南.李力.Zhang Peng.Xu Jiannan.Li Li 基于FPGA的塔康中频信号模拟器设计[期刊论文]-电子测量 技术2008,31(8) 本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_dianxjs200603020.aspx