一种通用中频数字化接收机的实现

摘要：为满足雷达中频数字化接收机通用性设计要求，给出基于可编程的四通道数字下变频器ISL5416结合高速A／D器件AD6645实现通用中频数字接收机的设计方案。利用AD6645实现直接中频采样，在ISL5416中完成频谱搬移，数字滤波和抽取，实现数字下变频到基带；用FPGA实时控制，给ISL5416配置参数和系统时序控制。详细讨论了数字滤波器的设计和仿真。测试结果显示，系统动态范围大，镜像抑制比高，这是模拟中频接收机不具有的。整个系统集成度高，可靠性好，使用灵活，已在多个雷达产品中运用。
关键词：中频数字接收机；直接中频采样；数字下变频；数字滤波器

0 引 言
数字化接收机是软件无线电的重要内容，软件无线电的主要思想是将数字化推向前端，即将模数／数模转换器(ADC／DAC)尽量设在射频端，它是理想的软件无线电实现方法，也是数字化接收机的发展方向。早期的数字化接收机受模数转换器件(ADC)水平的制约，采用正交双通道零中频方案，即通过变频将射频变换到零中频(基带)，正交解调得到模拟的正交信号，再进行数字化。由于该方案的主体变换都在模拟部分实现，数字化工作较少，不是真正意义上的数字化接收机。实现起来设备量较大，而且该方案中的正交混频器是模拟器件，得到的正交I，Q信号很难保证幅相正交精度。目前理论和实现上较成熟的数字化接收机方案是中频数字化接收机，即将射频信号经低噪声放大，经一次或二次下变频后，在中频(或高中频)直接采样，在数字下变频到基带得到正交的I，Q信号。目前，中频数字化接收机已在通讯、雷达上普遍使用。为适应灵活多样的模式，建立一个通用的中频数字化处理平台是十分必要的，现在有较高性价比的专用DSP芯片也为中频数字化接收机的实现提供了有力的硬件支持。ISL5416以其强大的可编程能力，使得中频数字化接收机的设计变得更为灵活和方便。本文即是采用专用DDC芯片ISL5416实现雷达中频数字化接收机的一例。该设计非常方便地在信号中频实现了数字化，而且可通过配置不同参数，实现不同模式、不同频率的接收和解调。

1 设计原理
中频数字化接收机主要由模数转换器(ADC)、数字下变频器(DDC)组成，如图1所示。其中，A／D主要完成对模拟中频信号进行采样，得到数字化的中频信号，DDC将感兴趣的信号转换至基带，同时做抽样率变换及滤波处理，得到正交的I，Q信号送后续的数字信号处理器(DSP)进行基带信号处理。DDC是整个中频数字化接收机的核心，DDC由数控振荡器(NCO)、混频器、低通滤波器和抽取器组成。

设输入模拟中频信号为：

本地数字振荡器(NCO)产生的正交信号为：cos(ωcn)和sin(ωcn)，与中频信号在混频器相乘后得：

通过低通滤波器滤除倍频分量后，可以得到有用的正交I，Q信号：

由于信号的采样频率较高，也就是上式的I(n)，Q(n)速率很高，一般远大于窄带信号的带宽，这时可对其进行速率转换(抽取)，以降低此时的输出数据率。不过，抽取后的数据率应不小于信号带宽。在此之前，需经抗混叠滤波器滤波，以保证信号可靠完整地恢复。
图1中的中频信号是中频带限信号，如果此时中频信号的中心频率较低，可取高采样时钟过采样，依Nyquist采样定理，取采样率fs>2fH采样(fH为信号的高端)，能够不混叠地恢复原信号。如果此时中频信号的中心频率较高，采样率与信号中心频率的关系不满足Nyquist采样定理条件，这时考虑是否满足带通信号的采样定理。这个定理是中频信号采样的理论依据，而Nyquist采样定理是带通信号采样定理的特例。带通采样定理：如果一个中心频率为fo频率带限信号，其频率限制在(fL，fH)内。
fo=(fL+fH)／2，当采样时钟fs与fo满足关系：

式中：n取能满足fs≥2B的最大正整数，B=fH-fL，则用fs进行等间隔采样，所得到的信号采样值能准确地确定原信号。
满足式(1)的中心频率为fo的信号经采样时钟fs采样后，f(t) 展开项中 cos(2 πfon／fs) 与sin(2πfon／fs)交替取值为零，当它们不为零时，取±1。可交替得到I，Q样值，不过这时的I，Q值已是经二分之一抽取，时域相差半个采样点，这时的I，Q值要在时间上对齐，符号修正，这样就很方便地实现了下变频。之后，只要将处理后的数据经数字滤波器滤波，按合适的抽取因子抽取就可得到所需的I，Q值。这种方法特别适合用FPGA设计的数字下变频器，不需要NCO，节省了设计数字混频器的逻辑资源，而且早期的商用数字下变频器件也是这种数字混频器，要求fo，fs满足式(1)的关系，如HARIS公司(现为Intersil公司)的HSP43216。
当信号中心频率fo较高，即是高中频信号时，用fs对信号采样属欠采样。当然fo，fs不一定严格满足式(1)的关系。fo，fs选用的总原则是从频谱上分析，采样后的信号经混频、滤波和适当抽取后，基带频谱没有混叠。本设计只是构建一个通用平台，以下的设计用采样率80 MSPS时钟采样，中频信号为中心频率10 MHz，带宽2 MHz，最后输出数据率2．5 MSPS。采样率和信号的最高频率满足过采样关系。