研究关于数字中频接收机的信号处理
来源：UC论文网2016-01-03 15:46
摘要：
我国大规模集成电路与信息技术的快速发展，推动了数字中频信号接收机的发展，本文重点探讨了数字中频接收机的发展历程、基本构造、原理、信号处理流程、实践应用与设计。 前言
我国大规模集成电路与信息技术的快速发展，推动了数字中频信号接收机的发展，本文重点探讨了数字中频接收机的发展历程、基本构造、原理、信号处理流程、实践应用与设计。
前言
现阶段所使用的数字接收机普遍建立在软件无线电的基础上，通过接收机中的模拟转换器收集数字化的中频信号或射频信号，模拟数字转换器就类似于原无线电中天线的功能。软件无线电则是利用计算机软件来进行信号的处理和实现相关功能，主要涵盖了信号接收、中频处理及信号基带处理等[1]。
数字中频接收机基本构成及原理
1.数字中频接收机发展历程及现状概述
数字中频接受信号处理技术是我国遥感技术种其中一种。遥感技术最早诞生于与1850年前后，当时主要应用在军事领域，比如俄国的遥感水下鱼雷。在全世界二战期间，遥感技术得到了极大的发展和迅猛的普及。
我国遥感技术的发展，主要还是源于对于我国国防建设方面的迫切需求，我国在遥感技术的研究阶段主要经历了四个重大时期，包括技术初步引进时期、技术模拟时期、技术独立研发时期和技术更新升级时期。我国最早对于遥感技术的探究始于建国初期，前后经历了技术初步引进时期、技术模拟时期，在1985年以来，我国才开始了遥感技术的独立研发时期，尤其是在航空航天领域的技术突破是非常成功的，其中具有代表性的有“S 波段遥测基本型”遥测设备。在这一时期遥感技术，主要是依托于计算机来进行调试和使用，其具备较多的特点，包括对于大规模及超过规模集成电路的应用，在总电路板和计算机功能方面的模块化设计理念，对于实时信息具备快速的预处理功能，可以实现系统数据帧可编辑、格式的实时调整，通过计算机系统对于整体数据和信息进行整体监测和管理与强大的数据分析功能，在波段处理方面应用了国际标准化的S波段，具备十分强大和完整的跟踪功能。我国的遥感技术在这一时期得到较大的发展与突破，并且在遥感设备方面也开始了更新换代。至到1990年初，我国遥感技术发展到了一定瓶颈阶段，由于在早期遥感技术研发阶段，我国存在着闭门造车的研发环境，与国际领先水平国家的研发交流并不是太频繁，因此对于国际先进水平遥感技术的认知十分有限，技术方面也存在着非常大的差距，无论是技术创新性、技术实用性方面都有待提高。
在近年来遥感技术的发展过程中，随着技术的进步与国际交流的增多，我国研究人员在遥感、遥测方面无论是技术水平还是理论基础都取得了十分显著的进步，比如再入存储式遥测、脉冲数字化传输、再入遥测传输、特快信号遥测等。
从数字中频信号接收机发展现状来看，早期的数字接收机都是基于模拟信号的基带数字接收器，其功能就是讲射频信号进行转化，仅能完成基带信号的收集和转化，功能较为单一。现阶段通用的数字中频信号接收机有着非常明显有优势：优势一，现阶段通用的数字中频信号接收机可操作性和可靠性都较高。不会产生由于元器件特性不一致造成的信号强弱不平衡问题，并且具有较好抗噪功能；优势二，现阶段通用的数字中频信号接收机在系统集成方面优势明显、且更加灵活。大规模集成电路的发展促进了数字中频接收机对于数字处理技术的要求，在实际信号处理中可以利用规模和形状非常的小的高集成电路板来实现数字信号处理，比如FPGA，这样对于整体成本的控制、维修难度的控制、测试阶段的人工耗费都能有一个较好的优化，并且还可以根据不同的任务、传输速度要求、算法等进行灵活的调整和配置，在后续使用过程中还能进一步对其功能进行扩展，延长使用寿命；优势三，对于元器件提出更高要求，促进元器件产业的发展，现阶段通用的数字中频信号接收机对于元器件的转换率、带宽、范围都要求更高，推动了我国元器件产业的迅猛发展。
2. 数字中频接收机发展概述及基本构成
我国数字技术的发展主要经历了两个大的阶段，第一是模拟技术阶段，第二是数字技术阶段。两大阶段的发展主要是根据技术水平来界定的。模拟技术阶段是始于电路系统发展初期，主要通过模拟技术来实现信号的传输、使用等，但模拟技术也存在着较多问题，比如抗干扰性较差、模拟技术所需技术系统过于繁杂；在数字技术阶段，由于其在抗干扰性和系统已操作方面的优势，其逐渐正在取代模拟技术，成为各领域数字技术的主流。高速数字信号转换和处理技术的出现使得数字技术得以实现和繁荣。现阶段所使用的数字接收机普遍建立在软件无线电的基础上，通过接收机中的模拟转换器收集数字化的中频信号或射频信号，模拟数字转换器就类似于原无线电中天线的功能。数字中频接收机基本构成部分包括：中频采用模块、变频模块、滤波抽取模块、滤波正向模块、多相信号解调模块、信号复原模块等六大模块。尽管我国目前数字技术发展也有较长的一段时间，但仍受限于信号传播载体等问题，数字接收机目前也只能做到信号转化、转换后信号处理等功能，详见图1。
图1 数字中频接收机信号处理基本路径
在该中频接收机信号处理基本路径中，信号从接受到完成信号处理需要经历四个大的阶段，包括射频信号收集、射频信号转换、中频信号传输及转换后中频信号处理等。在天线端将主要负责射频信号的收集，通过相关的信号收集前段将收集到的信号转换为中频信号，然后通过相关元器件（如ADC）进行中频信号的进一步传输、数字信号处理等工作。
3. 数字中频接收机的优势
我国目前移动通信网络及基站建设的主要指导理念就是将传统基站中所应用的基带处理与信号发射等设备进行分离，然后利用数字中频接收机替代掉基带处理设备，实现通过光纤进行信号的连接、传输与处理，从而实现我国高速3G网络建设。数字中频接收机应用在移动通信网络和基站建设方面是具有明显优势的。
首先，数字中频接收机在外观大小、对于能量的消耗方面，相比于传统的基带处理设备都有优势，数字中频接受机外观精致、对于能量消耗要求较低，并且在多信号连接和处理方面的抗干扰能力强，对于来自多个来源的信号处理有着较强的实时处理能力，并且其在成本上相对于传统的基带处理设备也有不可多得的优势；其次，中频数字接收机的电路结构相比于传统的基带处理设备更为简单，传统的基带处理设备电路构造十分复杂，而中频数字接收机充分利用了数字技术及软件无线电的理念，因此不在需要传统模拟信号技术中模拟中频处理、模拟基带放大设备等功能，也可以实现数字信号转换，电路构造的简单化巩固了中频数字接收机成本优势、也使得其应用领域更加广泛；再次，数字中频接收机主要是利用数字元器件，而不是传统基带处理设备中的模拟元器件，无论是在成本、人工方面的优势都十分明显，并且数字元器件更加符合现代通信工程对于技术的要求，加强了系统整体的灵活程度、也使得系统相比较于传统的模拟元器件构造系统更加高效和稳定；此外，数字中频接收机的出现，进一步减小了电路控制和模拟的困难程度，实现了射频信号向中频信号转换，缩短了通信工程安装、调试周期，提高整体项目进度和企业的生产效率；最后数字中频接收机天然的抗干扰能力，进一步提升了系统的可用性，便于系统进行多任务处理工作，相比较于传统的基带处理设备数字中频信号接收机更加符合各类型企业的经济效益与生产实践。
数字中频接收机信号处理实践与设计
接下来我们会重点探讨基于AD9238进行数字中频接收机的设计实践，该设计实践主要利用AD9238来进行相关信号的模拟转换，转换后的信号是数字信号，并且该信号会通过FPGA模块进行传输和实现，经过FPGA处理后的信号会传送到DSP中进行相应算法的处理[2]。
1. 设计理论
我们设定一个带限的频率信号为f(xt),将其频率信号限制设定为(fL,fH),把采样速度设定为fs，当fs满足方程fs=2(fL-fH )/(2m+1)时，可以计算出fs对于相同间隔所获取的信号的采样值x(mTs)能准确满足原数字信号f(xt)。使用上述理论的情况或者说前提时，没有多频带信号存在、产生或传输，因为多频带信号容易产生信号混乱和信号叠加。
2. 信号接受系统设计
在上述设计理论的支撑下，我们下一步来进行信号接收系统的设计，在设计信号接收系统时，我们基于AD9238芯片为基础，将中频信号通过转换器然后被AD9238转换为数字信号传输到FPGA。FPGA是实现实时信号处理的核心元器件，FPGA包括采样器、芯片等。在采样器的选择上可以考虑选择5Gsps或4.8Gsps、EV10Aq190、XC6VLX240t，芯片采用上可以考虑选择DMUX。在满足数字信号处理要求的前提下，可以考虑使用更加丰富的乘加器或容量更大的存储器。AD9238是广泛应用的双通道高性能模数转换器之一，其芯片包括三种类型，主要是根据其采样率进行分类，包括20Ms/s, 40Ms/s, 65Ms/s[3]。我们在选择不同采样率的芯片时，应当充分考虑芯片对于整体数字中频接受信号处理机的影响。此外，还需要考虑到芯片对于未来系统使用过程中的可扩展性等。通常情况下，在我国数字中频接收机信号处理设计时，常规会选用65Ms/s的芯片，这个型号的芯片在信号采样时对于电压要求较低、降噪功能较好、信号放大功能较强，并且可以使用双电源来进行数字中频接收机的供电。
中频采样技术主要是依靠数字转化器和模拟技术来进行信号转化，其主要依赖于Nyquist和带通采样两种理论。在第一种理论基础上，我们需要设定一个带限频率信号，将其频带放置在(0,fH)之间，在进行采样时必须按照等间隔要求进行采样，采样速度应当不小于fL=2FH，在这样的前提下才可以得到离散的等距离采样信号。需要注意的是，第一种理论是依赖于基带信号的频谱分布，因此在具体实践中，如果采用的是建立在第一种理论基础上的数字中频采样技术，则需要将基带信号限制在(fL,fH)之内。
在第二种理论的指导下，设定一个带限的频率信号为f(xt),将其频率信号限制设定为(fL,fH),把采样速度设定为fs，当fs满足方程fs=2(fL-fH )/(2m+1)时，就可以进行数字中频信号采样工作[4]。
结论
不同的数字化信号频率的差异对于数字模拟转换器有着不一样的要求。我国目前对于数字接收机的应用十分广泛，尤其是中频的数字接收机，主要应用在我国雷达侦测、通信工程、无线测控、遥感监控等领域。
前言
现阶段所使用的数字接收机普遍建立在软件无线电的基础上，通过接收机中的模拟转换器收集数字化的中频信号或射频信号，模拟数字转换器就类似于原无线电中天线的功能。软件无线电则是利用计算机软件来进行信号的处理和实现相关功能，主要涵盖了信号接收、中频处理及信号基带处理等[1]。
数字中频接收机基本构成及原理
1.数字中频接收机发展历程及现状概述
数字中频接受信号处理技术是我国遥感技术种其中一种。遥感技术最早诞生于与1850年前后，当时主要应用在军事领域，比如俄国的遥感水下鱼雷。在全世界二战期间，遥感技术得到了极大的发展和迅猛的普及。
我国遥感技术的发展，主要还是源于对于我国国防建设方面的迫切需求，我国在遥感技术的研究阶段主要经历了四个重大时期，包括技术初步引进时期、技术模拟时期、技术独立研发时期和技术更新升级时期。我国最早对于遥感技术的探究始于建国初期，前后经历了技术初步引进时期、技术模拟时期，在1985年以来，我国才开始了遥感技术的独立研发时期，尤其是在航空航天领域的技术突破是非常成功的，其中具有代表性的有“S 波段遥测基本型”遥测设备。在这一时期遥感技术，主要是依托于计算机来进行调试和使用，其具备较多的特点，包括对于大规模及超过规模集成电路的应用，在总电路板和计算机功能方面的模块化设计理念，对于实时信息具备快速的预处理功能，可以实现系统数据帧可编辑、格式的实时调整，通过计算机系统对于整体数据和信息进行整体监测和管理与强大的数据分析功能，在波段处理方面应用了国际标准化的S波段，具备十分强大和完整的跟踪功能。我国的遥感技术在这一时期得到较大的发展与突破，并且在遥感设备方面也开始了更新换代。至到1990年初，我国遥感技术发展到了一定瓶颈阶段，由于在早期遥感技术研发阶段，我国存在着闭门造车的研发环境，与国际领先水平国家的研发交流并不是太频繁，因此对于国际先进水平遥感技术的认知十分有限，技术方面也存在着非常大的差距，无论是技术创新性、技术实用性方面都有待提高。
在近年来遥感技术的发展过程中，随着技术的进步与国际交流的增多，我国研究人员在遥感、遥测方面无论是技术水平还是理论基础都取得了十分显著的进步，比如再入存储式遥测、脉冲数字化传输、再入遥测传输、特快信号遥测等。
从数字中频信号接收机发展现状来看，早期的数字接收机都是基于模拟信号的基带数字接收器，其功能就是讲射频信号进行转化，仅能完成基带信号的收集和转化，功能较为单一。现阶段通用的数字中频信号接收机有着非常明显有优势：优势一，现阶段通用的数字中频信号接收机可操作性和可靠性都较高。不会产生由于元器件特性不一致造成的信号强弱不平衡问题，并且具有较好抗噪功能；优势二，现阶段通用的数字中频信号接收机在系统集成方面优势明显、且更加灵活。大规模集成电路的发展促进了数字中频接收机对于数字处理技术的要求，在实际信号处理中可以利用规模和形状非常的小的高集成电路板来实现数字信号处理，比如FPGA，这样对于整体成本的控制、维修难度的控制、测试阶段的人工耗费都能有一个较好的优化，并且还可以根据不同的任务、传输速度要求、算法等进行灵活的调整和配置，在后续使用过程中还能进一步对其功能进行扩展，延长使用寿命；优势三，对于元器件提出更高要求，促进元器件产业的发展，现阶段通用的数字中频信号接收机对于元器件的转换率、带宽、范围都要求更高，推动了我国元器件产业的迅猛发展。
2. 数字中频接收机发展概述及基本构成
我国数字技术的发展主要经历了两个大的阶段，第一是模拟技术阶段，第二是数字技术阶段。两大阶段的发展主要是根据技术水平来界定的。模拟技术阶段是始于电路系统发展初期，主要通过模拟技术来实现信号的传输、使用等，但模拟技术也存在着较多问题，比如抗干扰性较差、模拟技术所需技术系统过于繁杂；在数字技术阶段，由于其在抗干扰性和系统已操作方面的优势，其逐渐正在取代模拟技术，成为各领域数字技术的主流。高速数字信号转换和处理技术的出现使得数字技术得以实现和繁荣。现阶段所使用的数字接收机普遍建立在软件无线电的基础上，通过接收机中的模拟转换器收集数字化的中频信号或射频信号，模拟数字转换器就类似于原无线电中天线的功能。数字中频接收机基本构成部分包括：中频采用模块、变频模块、滤波抽取模块、滤波正向模块、多相信号解调模块、信号复原模块等六大模块。尽管我国目前数字技术发展也有较长的一段时间，但仍受限于信号传播载体等问题，数字接收机目前也只能做到信号转化、转换后信号处理等功能，详见图1。
图1 数字中频接收机信号处理基本路径
在该中频接收机信号处理基本路径中，信号从接受到完成信号处理需要经历四个大的阶段，包括射频信号收集、射频信号转换、中频信号传输及转换后中频信号处理等。在天线端将主要负责射频信号的收集，通过相关的信号收集前段将收集到的信号转换为中频信号，然后通过相关元器件（如ADC）进行中频信号的进一步传输、数字信号处理等工作。
3. 数字中频接收机的优势
我国目前移动通信网络及基站建设的主要指导理念就是将传统基站中所应用的基带处理与信号发射等设备进行分离，然后利用数字中频接收机替代掉基带处理设备，实现通过光纤进行信号的连接、传输与处理，从而实现我国高速3G网络建设。数字中频接收机应用在移动通信网络和基站建设方面是具有明显优势的。
首先，数字中频接收机在外观大小、对于能量的消耗方面，相比于传统的基带处理设备都有优势，数字中频接受机外观精致、对于能量消耗要求较低，并且在多信号连接和处理方面的抗干扰能力强，对于来自多个来源的信号处理有着较强的实时处理能力，并且其在成本上相对于传统的基带处理设备也有不可多得的优势；其次，中频数字接收机的电路结构相比于传统的基带处理设备更为简单，传统的基带处理设备电路构造十分复杂，而中频数字接收机充分利用了数字技术及软件无线电的理念，因此不在需要传统模拟信号技术中模拟中频处理、模拟基带放大设备等功能，也可以实现数字信号转换，电路构造的简单化巩固了中频数字接收机成本优势、也使得其应用领域更加广泛；再次，数字中频接收机主要是利用数字元器件，而不是传统基带处理设备中的模拟元器件，无论是在成本、人工方面的优势都十分明显，并且数字元器件更加符合现代通信工程对于技术的要求，加强了系统整体的灵活程度、也使得系统相比较于传统的模拟元器件构造系统更加高效和稳定；此外，数字中频接收机的出现，进一步减小了电路控制和模拟的困难程度，实现了射频信号向中频信号转换，缩短了通信工程安装、调试周期，提高整体项目进度和企业的生产效率；最后数字中频接收机天然的抗干扰能力，进一步提升了系统的可用性，便于系统进行多任务处理工作，相比较于传统的基带处理设备数字中频信号接收机更加符合各类型企业的经济效益与生产实践。
数字中频接收机信号处理实践与设计
接下来我们会重点探讨基于AD9238进行数字中频接收机的设计实践，该设计实践主要利用AD9238来进行相关信号的模拟转换，转换后的信号是数字信号，并且该信号会通过FPGA模块进行传输和实现，经过FPGA处理后的信号会传送到DSP中进行相应算法的处理[2]。
1. 设计理论
我们设定一个带限的频率信号为f(xt),将其频率信号限制设定为(fL,fH),把采样速度设定为fs，当fs满足方程fs=2(fL-fH )/(2m+1)时，可以计算出fs对于相同间隔所获取的信号的采样值x(mTs)能准确满足原数字信号f(xt)。使用上述理论的情况或者说前提时，没有多频带信号存在、产生或传输，因为多频带信号容易产生信号混乱和信号叠加。
2. 信号接受系统设计
在上述设计理论的支撑下，我们下一步来进行信号接收系统的设计，在设计信号接收系统时，我们基于AD9238芯片为基础，将中频信号通过转换器然后被AD9238转换为数字信号传输到FPGA。FPGA是实现实时信号处理的核心元器件，FPGA包括采样器、芯片等。在采样器的选择上可以考虑选择5Gsps或4.8Gsps、EV10Aq190、XC6VLX240t，芯片采用上可以考虑选择DMUX。在满足数字信号处理要求的前提下，可以考虑使用更加丰富的乘加器或容量更大的存储器。AD9238是广泛应用的双通道高性能模数转换器之一，其芯片包括三种类型，主要是根据其采样率进行分类，包括20Ms/s, 40Ms/s, 65Ms/s[3]。我们在选择不同采样率的芯片时，应当充分考虑芯片对于整体数字中频接受信号处理机的影响。此外，还需要考虑到芯片对于未来系统使用过程中的可扩展性等。通常情况下，在我国数字中频接收机信号处理设计时，常规会选用65Ms/s的芯片，这个型号的芯片在信号采样时对于电压要求较低、降噪功能较好、信号放大功能较强，并且可以使用双电源来进行数字中频接收机的供电。
中频采样技术主要是依靠数字转化器和模拟技术来进行信号转化，其主要依赖于Nyquist和带通采样两种理论。在第一种理论基础上，我们需要设定一个带限频率信号，将其频带放置在(0,fH)之间，在进行采样时必须按照等间隔要求进行采样，采样速度应当不小于fL=2FH，在这样的前提下才可以得到离散的等距离采样信号。需要注意的是，第一种理论是依赖于基带信号的频谱分布，因此在具体实践中，如果采用的是建立在第一种理论基础上的数字中频采样技术，则需要将基带信号限制在(fL,fH)之内。
在第二种理论的指导下，设定一个带限的频率信号为f(xt),将其频率信号限制设定为(fL,fH),把采样速度设定为fs，当fs满足方程fs=2(fL-fH )/(2m+1)时，就可以进行数字中频信号采样工作[4]。
结论
不同的数字化信号频率的差异对于数字模拟转换器有着不一样的要求。我国目前对于数字接收机的应用十分广泛，尤其是中频的数字接收机，主要应用在我国雷达侦测、通信工程、无线测控、遥感监控等领域。
