一種改進型中頻數(shù)字化正交解調結構

摘 要： 提出了一種改進型中頻數(shù)字化正交解調結構，通過在現(xiàn)場可編程門陣列內(nèi)部對采樣數(shù)據(jù)流拆分后，分路進行數(shù)字解調的方法，大幅降低了現(xiàn)場可編程門陣列的內(nèi)核工作頻率。解決了中頻數(shù)字接收機使用超高速A/D轉換器時，對可編程門陣列內(nèi)核頻率要求過高的問題。詳細介紹了新結構的組成和工作原理，并使用SIMULINK對新結構建模和仿真，驗證了其可行性。
關鍵詞： 數(shù)字正交解調；現(xiàn)場可編程門陣列；中頻數(shù)字接收機

A/D變換器速度的不斷提高，推動了軟件無線電不斷向前發(fā)展。傳統(tǒng)的中頻數(shù)字化正交解調系統(tǒng)中，前端數(shù)據(jù)處理部分的工作頻率與數(shù)據(jù)率也大幅提升，工程師們不得不選擇工作頻率更高的可編程邏輯器件，由此帶來的問題就是芯片選擇的限制及成本的大幅上升。為此提出了一種新的中頻數(shù)字化正交解調系統(tǒng)結構，在保留高速A/D的高數(shù)據(jù)率輸出的同時，大幅降低現(xiàn)場可編程門陣列工作頻率，并進行了仿真，驗證了系統(tǒng)結構的可行性。
1 數(shù)字正交解調原理[1，2]
數(shù)字正交解調結構如圖1所示，參考和回波中頻模擬信號經(jīng)由2個A/D轉換器同步采樣量化，然后把數(shù)據(jù)送入現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）中實現(xiàn)數(shù)字下變頻。在FPGA中，將參考中頻的采樣結果輸入數(shù)字鎖相環(huán)進行鎖相之后，產(chǎn)生2路正交的數(shù)字中頻載波信號。分別與回波中頻信號的采樣結果相乘，實現(xiàn)頻域的搬移。再分別進行數(shù)字濾波得到I、Q 2路正交數(shù)字基帶信號后，將數(shù)據(jù)輸出至后端數(shù)據(jù)處理單元。

2 數(shù)據(jù)正交解調系統(tǒng)設計[3]
圖2所示為本文提出的中頻正交解調結構框圖，針對高速A/D轉換器數(shù)據(jù)率大的特點，在FPGA內(nèi)部，通過DEMUX將回波中頻采樣數(shù)據(jù)x(n)拆分為奇序列xo(n)和偶序列xe(n)，分別進行處理，使數(shù)據(jù)速率降為原先的一半。同時，為了使載波序列與X(n)拆分后序列正確匹配相乘，數(shù)字鎖相環(huán)輸出調整為2組4路載波信號： cos_odd與sin_odd、cos_even與sin_even與相應的回波拆分序列相乘。得到4路混頻信號xl_odd(n)與xl_even(n)， xQ_odd(n)與xQ_even(n)輸入數(shù)字濾波器。

由式(3)、式(5)可得一種新的數(shù)字濾波器結構形式(見圖3)，其特點在于將數(shù)字信號序列拆分為2路，同時將濾波器系數(shù)拆分成2個子濾波器，通過2個子濾波器對2路拆分信號的濾波輸出組合得到對原數(shù)字信號序列濾波輸出的奇數(shù)項和偶數(shù)項。經(jīng)過上述處理，子濾波器的工作頻率可降為原濾波器頻率的一半，因此在具體實現(xiàn)時可獲得比原濾波器更高的工作頻率，這樣合成濾波器的工作頻率可達到原濾波器工作頻率的2倍以上。

最后將2組混頻輸出信號xl_odd(n)與xl_even(n)，xQ_odd(n)與xQ_even(n)分別通過2個數(shù)字濾波器后，就可以得到解調后的正交基帶信號I，Q。
3 仿真與分析[4][5]
Simulink是MATLAB中的一種可視化仿真工具， 是一種基于MATLAB的框圖設計環(huán)境，是實現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的一個軟件包，被廣泛應用于線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、數(shù)字控制及數(shù)字信號處理的建模和仿真中。本文使用了Simulink仿真系統(tǒng)來搭建系統(tǒng)模型，做原理級的仿真。
本文使用的數(shù)字鎖相環(huán)模型中，信號源產(chǎn)生頻率為參考中頻的模擬正弦波，經(jīng)由零階保持器理想均勻量化編碼之后送入鑒相器，與余弦表的輸出相乘后經(jīng)環(huán)路濾波器得到相位誤差，之后輸入DCO。DCO根據(jù)相位誤差計算之后產(chǎn)生對應頻率的輸出序列cos_odd與sin_odd，cos_even與sin_even輸出到下變頻單元的乘法器與回波中頻采樣序列進行混頻。
下變頻單元模型中先對回波中頻信號采樣，采樣序列先輸入Buffer緩存，再經(jīng)由DEMUX拆分為奇偶2個序列xo(n)與xe(n)，之后分別與輸入相應乘法器與載波序列(cos_odd，sin_odd，cos_even，sin_even)進行混頻，再輸入拆分處理數(shù)字濾波器模型中進行低通濾波，最后將得到的I_odd與I_even奇偶合并為I，Q_odd與Q_even奇偶合并為Q，就得到了解調后的正交基帶信號I，Q。
仿真參數(shù)選取中頻參考信號30 MHz，零階保持模塊的采樣頻率為150 MHz，仿真時間為1 ms，回波中頻信號頻率在29.995 MHz～30.005 MHz之間變化，將解調得到的基帶信號作FFT得到仿真結果與理想結果對比如表1。

由仿真結果可以看出，解調仿真結果與理論結果吻合很好，誤差滿足建模要求。模型完全可以達到要求的正交解調效果。
參考文獻
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[2] 楊小牛，樓才義，徐建良.軟件無線電原理與應用[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2004.
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