摘要：隨著軟件無線電在中頻領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，采用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)設(shè)計(jì)了基于FPGA全數(shù)字中頻跟蹤接收機(jī)并應(yīng)用于遙感衛(wèi)星天線接收系統(tǒng)中。給出了詳細(xì)的理論說明和體統(tǒng)組成。該接收機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，成本低，調(diào)試方便。在測(cè)試和實(shí)際應(yīng)用中，該跟蹤接收機(jī)輸入信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍大，AGC和誤差電壓精度等指標(biāo)較模擬接收機(jī)都有顯著的提高。
關(guān)鍵詞：自動(dòng)跟蹤；現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列；數(shù)字下變頻；數(shù)字濾波器；幅度解調(diào)；數(shù)字AGC

    隨著軟件無線電技術(shù)和全數(shù)字接收機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，以及現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列FPGA規(guī)模的不斷壯大，用FPGA實(shí)現(xiàn)中頻數(shù)字跟蹤接收機(jī)已經(jīng)成為必然的趨勢(shì)。本文設(shè)計(jì)的中頻跟蹤接收機(jī)中包括了A／D變換，數(shù)字正交混頻以及數(shù)字濾波等模塊。主要的功能模塊分為中頻接收模塊和誤差信號(hào)提取模塊。
    經(jīng)過測(cè)試，系統(tǒng)能夠完成單脈沖跟蹤體質(zhì)天線的自動(dòng)跟蹤任務(wù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)中頻調(diào)幅信號(hào)的采樣，下變頻，解調(diào)等功能。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，體積小，成本低，有良好的通用性。

1 總體設(shè)計(jì)
    自動(dòng)跟蹤接收系統(tǒng)是遙感衛(wèi)星地球站的一個(gè)組成部分，它接收來自天線的衛(wèi)星數(shù)據(jù)信號(hào)(和信號(hào))和角度誤差信號(hào)(差信號(hào))經(jīng)變頻，濾波，放大，檢波，解調(diào)后向伺服系統(tǒng)提供所需要的角度誤差信號(hào)，控制天線的方位軸，俯仰軸和方位軸向角度誤差小的方向轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的跟蹤。
    其中中頻接收本分完成差信號(hào)的幅度檢波輸出視頻信號(hào)和信號(hào)強(qiáng)度的提取，誤差信號(hào)提取模塊完成角度誤差信號(hào)的解調(diào)，斜率補(bǔ)償、相位補(bǔ)償和時(shí)分信號(hào)的輸出。

2 數(shù)字中頻接收機(jī)設(shè)計(jì)
    數(shù)字中頻接收機(jī)包括中頻采樣、A／D變換、數(shù)字AGC、數(shù)字下變頻、AM檢波等。原理框圖如圖1所示。

    中頻信號(hào)經(jīng)過一個(gè)大動(dòng)態(tài)壓控放大器、中頻低噪聲限幅放大器和一個(gè)抗混疊帶通濾波器進(jìn)入A／D采樣，采樣后的數(shù)據(jù)進(jìn)入FPGA計(jì)算，輸出AGC信號(hào)和基帶信號(hào)進(jìn)入下一級(jí)。數(shù)據(jù)在FPGA中完成數(shù)字下變，CIC抽取濾波，F(xiàn)IR低通濾波，AM檢波，數(shù)字AGC等計(jì)算。
2．1 中頻采樣和A／D變換
    本文提到的中頻數(shù)字跟蹤接收機(jī)是70 MHz中頻信號(hào)輸入，信號(hào)帶寬為12 MHz。輸入信號(hào)經(jīng)抗混疊濾波器后，進(jìn)行A／D采樣。采用欠采樣的方法來求的適合的采樣率。根據(jù)通帶采樣定理，采樣率必須滿足一下條件：
   
    其中，fs是采樣頻率，fh、fl分別是信號(hào)的上、下限頻率，BW=fh-fl是信號(hào)帶寬，m為正整數(shù)，可去的值分別為：2～6。
    可見，最低采樣率可以取到25．3～25．6之間，但是采樣率太低會(huì)給濾波器的設(shè)計(jì)帶來難度。最后根據(jù)Heisenberg不定性原理來估計(jì)采樣率與分辨率的關(guān)系，以及采樣率與分辨率對(duì)信噪比，ADC動(dòng)態(tài)范圍的影響，計(jì)算最佳采樣率(正交采樣)選擇采樣頻率fsopt=56 MHz，分辨率為16位。
2．2 數(shù)字下變頻的實(shí)現(xiàn)
    用56 MHz的采樣頻率對(duì)70 MHz的信號(hào)進(jìn)行采樣，帶通采樣相當(dāng)于將信號(hào)以56 MHz的間隔進(jìn)行頻譜搬移，所以采樣后的信號(hào)，只需要下變頻14 MHz就可以得到基帶信號(hào)。采樣后的調(diào)幅信號(hào)與數(shù)字本振頻率為14 MHz的正余弦信號(hào)進(jìn)行數(shù)字混頻，產(chǎn)生同相和正交兩路基帶信號(hào)。同相分量中含有基帶分量和二次諧波分量，只要通過低通濾波器就可以得到基帶分量。正交分量中只包含二次諧波分量，通過低通濾波器可已完全濾除。為了節(jié)約系統(tǒng)資源，所以設(shè)計(jì)NCO只需要產(chǎn)生同相分量。選擇固定系數(shù)法來產(chǎn)生正弦信號(hào)和余弦信號(hào)，避免由于相位截短帶來的誤差。正交本振詳細(xì)取值如下：
    cos(0)=1；cos(0．5π)=0；cos(π)=-1；cos(1．5π)=0；
    sin(0)=0；sin(0．5π)=1；sin(π)=0；sin(1．5π)=-1。
    本振信號(hào)的幅度值只有{0，1，-1}，用Verilog編程實(shí)現(xiàn)直接與ADC輸出相乘實(shí)現(xiàn)混頻，這種方法實(shí)現(xiàn)數(shù)字本振信號(hào)精度非常高。

    數(shù)字下變頻部分設(shè)計(jì)的運(yùn)算都集中在數(shù)字濾波部分，為減少運(yùn)算首先對(duì)I、Q信號(hào)進(jìn)行CIC抽取。CIC濾波器是一種基于零極點(diǎn)相抵消的FIR濾波器。本文設(shè)計(jì)是一個(gè)5級(jí)級(jí)聯(lián)32倍抽取CIC濾波器，包括5級(jí)積分器，10倍抽取器和5級(jí)梳狀濾波器。它們分別用累加器、序列變換和減法器用Verilog編程實(shí)現(xiàn)。
    最后通過一個(gè)32階的FIR低通濾波器：通帶截止頻率為0．6 MHz，阻帶起始頻率為1．2 MHz。用MATLAB的Smuilink的數(shù)字信號(hào)處理工具計(jì)算濾波器系數(shù)。比較抽取前后的濾波器以及資源占用情況。很明顯抽取后的FIR低通濾波器要優(yōu)于抽取前的，如果要在高采樣率下達(dá)到抽取后的效果，就需要濾波器有個(gè)高的階數(shù)，從而占用更多的資源。
2．3 包絡(luò)檢波
    包絡(luò)檢波由開平方根和環(huán)路濾波器組成。經(jīng)過抽取的信號(hào)經(jīng)過開平方根后得到信號(hào)能量，再送到環(huán)路濾波器除去高頻分量，得到信號(hào)包絡(luò)信息。環(huán)路濾波是由一個(gè)2階IIR低通濾波器和一個(gè)1階IIR低通濾波器級(jí)聯(lián)組成，構(gòu)成一個(gè)三階窄帶濾波器，可以得到信號(hào)長期電平估計(jì)。這樣可以保證增益因子不會(huì)因?yàn)榻邮招盘?hào)的快速波動(dòng)而發(fā)生較大變化。
2．4 數(shù)字AGC設(shè)計(jì)
    為保證中頻接收機(jī)中ADC的動(dòng)態(tài)范圍和精度，要求AGC的動(dòng)態(tài)范圍大，即從可變?cè)鲆娣糯笃鞯妮敵鲋刑崛》炔⒎答伩刂破湓鲆?，使輸出信?hào)電平基本保持恒定且不溢出?？煽卦鲆娣秶蜁r(shí)間常數(shù)是AGC的兩個(gè)重要指標(biāo)。由于低軌衛(wèi)星的發(fā)展和天線的單脈沖跟蹤體質(zhì)要求跟蹤接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍要在70 dB以上，模擬AGC很難達(dá)到如此高的要求。本文中要求跟蹤接收機(jī)采用兩級(jí)AGC，動(dòng)態(tài)范圍在100 dB以上，時(shí)間常數(shù)在100 ms一下可調(diào)。設(shè)計(jì)如圖3所示。

    圖3是一種數(shù)字AGC的方框圖，它采用了模擬和數(shù)字增益兩級(jí)AGC控制。接收到的中頻信號(hào)經(jīng)電壓控制的可控放大器放大進(jìn)入A／D采樣，采樣后輸入數(shù)字信號(hào)處理器，經(jīng)過AGC1系統(tǒng)產(chǎn)生中頻放大器控制電壓，AGC1的作用是使輸入信號(hào)的峰一峰值限制在ADC的最大允許電壓之內(nèi)，防止輸入采樣的ADC溢出。數(shù)字放大器的增益由軟件AGC2控制，使輸出的信號(hào)電平恒定。
    設(shè)AGC1的閾值電壓設(shè)為E，信號(hào)輸入值設(shè)為x(n)·k(n)|>E時(shí)，放大倍數(shù)Gg偏大，需減小放大倍數(shù)，當(dāng)|x(n)|<E時(shí)，放大倍數(shù)Gn偏小，需增大放大倍數(shù)。如果|x(n)|>E時(shí)，則Gn增益在上升時(shí)間內(nèi)應(yīng)該下降，即降低增益應(yīng)：△G=20(log|x(n)|-logE)dB因此每一個(gè)樣點(diǎn)增益應(yīng)下降20(log|x(n)|-logE)／N，其中N與AGC的時(shí)間常數(shù)有關(guān)，N=上升時(shí)間(或釋放時(shí)間)×抽樣頻率。假設(shè)AGC1的總增益控制量為a，單位為dB，電壓變化范圍為b則有單位為V，則AGC1電壓在每一個(gè)樣點(diǎn)應(yīng)增加，將(2)式整理，令變量，這是與AGC的時(shí)間常數(shù)。AGC2的算法與AGC1相似。下圖給出了AGC2的算法實(shí)現(xiàn)框圖如圖4所示。

    門限判決模塊的作用是限制加減計(jì)數(shù)器控制信號(hào)的波動(dòng)，防止環(huán)路振蕩。其內(nèi)部設(shè)有2個(gè)門限，2個(gè)門限之間的范圍即為AGC輸出信號(hào)的波動(dòng)范圍。為了防止AGC發(fā)生振蕩，該范圍應(yīng)該在滿足解調(diào)要求的動(dòng)態(tài)范圍條件下足夠?qū)?，而不?個(gè)恒定不變的電平值。該模塊首先對(duì)來自包絡(luò)檢波模塊的信號(hào)進(jìn)行截位處理，以便與16位門限進(jìn)行比較，判決過程與外部AGC相似。根據(jù)指標(biāo)要求，數(shù)字AGC控制范圍為30 dB，系統(tǒng)調(diào)整步進(jìn)量為0．1 dB，所以查找表地址設(shè)計(jì)為64位即可滿足要求。環(huán)路增益步進(jìn)量控制信號(hào)是濾波器輸出信號(hào)電平的非線性函數(shù)。假設(shè)估計(jì)的輸入信號(hào)電平過低或過高，計(jì)數(shù)器的步進(jìn)量按標(biāo)度給出，以降低AGC的增益調(diào)整時(shí)間，在這個(gè)時(shí)間內(nèi)使信號(hào)調(diào)整到門限判決模塊的兩門限之間。步進(jìn)量設(shè)置為非線性，是為了防止當(dāng)信號(hào)接近最佳工作點(diǎn)時(shí)發(fā)生環(huán)路振蕩。當(dāng)信號(hào)電平接近最佳電平范圍時(shí)，增益調(diào)整的步進(jìn)量減小，以確保整個(gè)環(huán)路的穩(wěn)定性。
    加減計(jì)數(shù)器模塊的作用是根據(jù)輸入信號(hào)與最佳的接收信號(hào)之間的差值，對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行反向補(bǔ)償。

3 誤差信號(hào)提取模塊設(shè)計(jì)
    誤差信號(hào)提模塊接收跟蹤接收機(jī)的AGC信號(hào)，和視頻信號(hào)。首先將視頻信號(hào)解調(diào)成方位、俯仰誤差信號(hào)，將誤差電壓補(bǔ)償后，再將AGC和角度誤差信號(hào)進(jìn)行編碼送給伺服系統(tǒng)。此外誤差信號(hào)提模塊還向饋源輸送一個(gè)時(shí)分開關(guān)信號(hào)。具體框圖如圖5所示。

    時(shí)分解調(diào)部分是利用時(shí)分信號(hào)將視頻信號(hào)解調(diào)出方位誤差電壓和俯仰誤差電壓。兩路誤差信號(hào)再進(jìn)行相位補(bǔ)償，也就是抵消和差信號(hào)相位差或和差饋源中心波束不重合導(dǎo)致的相位誤差。最后在進(jìn)行進(jìn)行斜率調(diào)整，也就是靈敏度調(diào)整。系統(tǒng)將兩個(gè)補(bǔ)償值存在寄存器中，以便跟蹤不同頻率目標(biāo)時(shí)調(diào)用。

4 硬件設(shè)計(jì)
    本設(shè)計(jì)包括數(shù)字中頻模塊、自動(dòng)跟蹤模塊、電源保護(hù)、接口電路等。其中VGA采用AD8362，中頻低噪聲放大器采用AD6630、抗混疊濾波器采用．mini—circuits公司的LC型無源帶通濾波器，帶寬為12 MHz。ADC采用MAX15988、FPGA采用Xilinx公司的Spartan II并采用Verilog語言在ISE 13．0環(huán)境下編程。整個(gè)系統(tǒng)采用地址總線和數(shù)據(jù)總線相連，配有高低位的EEPROM、NVRAM和SRAM。電源保護(hù)電路采用MAX695。
系統(tǒng)的自動(dòng)跟蹤部分增加了模擬中頻接收機(jī)接口，分別用ADC12062和MAX186將模擬視頻信號(hào)和模擬AGC信號(hào)直接接入自動(dòng)跟蹤模塊。輸出接口采用DB9接口RS-232和RS-422輸出。本文中的設(shè)計(jì)已經(jīng)成功的運(yùn)用在地面站的跟蹤系統(tǒng)中，并且性能穩(wěn)定。下圖為輸出到伺服系統(tǒng)的編碼信號(hào)。

5 結(jié)論
    基于軟件無線電的全數(shù)字跟蹤接收機(jī)設(shè)計(jì)采用FPGA為主要器件，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)要求的功能，滿足了系統(tǒng)指標(biāo)。數(shù)字信號(hào)不存在溫漂、增益變化和直流電壓偏置，很少需要校準(zhǔn)。較模擬跟蹤接收機(jī)動(dòng)態(tài)范圍大，精度高，誤差小，而且結(jié)構(gòu)簡單、體積小。采用FPGA設(shè)計(jì)較集成IC靈活性高，成本低。該跟蹤接收機(jī)適應(yīng)性強(qiáng)，控制方便，用途非常廣泛。