用于遥测系统中数字调频发射机的设计

用于遥测系统中数字调频发射机的设计
摘要：随着微电子技术的飞速发展，通信领域已经进入了数字化时代。

数字调制式发射机突破了传统的模拟发射机的不足，它的中心频率可调，调制方式可以重组，频偏可调整，调制码速率高，并且可以实现较高的频率响应，而且具有可以与编码器合并，扩展功能强等优点，成为今后发射机的发展主流。

鉴于以上优点，结合遥测系统的需要，本文讨论了基于fpga技术的数字式调频发射机的设计。

关键词：遥测；数字调频发射机； fpga
中图分类号：s611 文献标识码：a 文章编号：
遥测即远距离数据侦测，它是将对象参量的近距离测量值传输至远距离的测量站来实现远距离测量的技术，在国民经济、科学研究和军事技术等方面得到广泛应用。

遥测系统中，发射机是无线传输信道的重要组成部分，它的性能好坏将直接影响遥测数据的传输精度和传输距离。

从根本上说，遥测发射机与普通发射机的设计原理是一样的。

但是由于遥测发射机在应用方面的特殊性，使得遥测发射机在性能上必须满足以下要求：（1）要有较高的灵敏度；（2）输入信号频率范围较大，能够适应多种信息调制；（3）载波的中心频率可调；（4）需要具有较大的频偏，且频偏可调；（5）调制方式可重组；（6）具有与微机接口，使发射机具有软件可编程性。

一数字调频发射机组成
数字调频发射机组成如图1所示：
图1 数字调频发射机原理框图
原信号是一个频率较低，相位和幅度都随时间变化的模拟信号，将它经过a/d转换后经过fir输入dds中，进行基带信号调频。

然后送入单边带调制器ssb中进行调幅，将低频的基带信号搬移到高频载波信号上，实现信号频率的无失真搬移，再经过功率放大器放大输出，由天线向空间辐射，从而是完成信号的调制和发射。

下面分别研究各主要组成部分的设计。

二fir数字滤波器的设计
滤波器是接收输入波形，改变其频谱，产生输出波形的设备。

对信号滤波的目的是提取有用信号，滤除噪声，扩展频带，改变信号的特定频谱分量。

数字滤波器的作用是利用离散时间系统的特性对输入信号的波形或频谱进行加工处理，或者说利用数字的方法按预定要求对信号进行变换，把输入信号变成一定的输出信号，从而达到改变信号频谱的目的。

遥测通信系统中要求实时、快速的数据处理，因此利用fir滤波器线性相位系数的中心对称性，即（h0=h7,h1=h6,h2=h5,h3=h4）,m 阶的滤波器只需要m/2（m为偶数）或（m+1）/2（m为奇数）个乘法器就可以实现。

基于并行流水线结构的fir数字滤波器可以大大提高处理速度，
如图2所示。

图2 基于并行流水线结构的fir滤波器
图中处理数据的采样时钟对每一个抽头来说都是并行的，且加法器和移位寄存器采用级联方式，快速完成累加的功能，每个时钟到来都会产生一个输出。

这种结构的各级连接方式相同，方便实现更多级的扩展，实现任意阶数的滤波器。

这里我们将fir滤波器在fpga上实现。

fpga的显著优点是它的并行处理特性，可以显著提高滤波器的数据吞吐率。

此外，fpga具有可编程的优良特性，可以在需求改变的时候重新进行设计，而无需更换芯片。

我们可以通过quartusii中的ip核来设计fir滤波器。

三直接数字频率合成器dds设计
频率合成是将一个(或多个)基准频率根据特定需要变换为另一个(或多个)合乎频率和质量要求的频率信号的技术。

最先进的方法是直接数字频率合成技术dds，它是从相位概念出发，用数字计算机和数模变换器直接合成所需要波形的一种新的频率合成技术。

此次设计采用基于fpga的自行设计的dds系统，dds技术的实现依赖于高速度、高性能的数字器件。

可编程逻辑器件以其速度高、规模大、可编程,以及有强大eda软件工具支持等特性,十分适合实现dds技术。

使用fpga可以根据需要方便地实现各种调幅、调相和调频功能的dds，具有良好的实用性和灵活性。

所以我们设计使
用fpga芯片来实现，即在quartusii软件中，通过调用lpm模块以及ip核，可实现dds部分的设计。

四 pll载波信号合成
此次设计中，遥测发射机要求输出频率为2200mhz～2300mhz，由dds合成这样高频载波信号有一定困难，所以此次设计采用锁相频率合成方法。

锁相频率合成是应用锁相环路(pll)的频率合成方法，常称为间接频率合成，如图3所示。

图3 锁相式频率合成原理框图
图中鉴相器（pd）的作用是比较输入信号和反馈信号的相位，产生的输出电压时相位差的函数，这里可以用乘法器来实现。

低通环路滤波器（lf）用来抑制噪声和高频信号成分，让有用的差频分量通过。

压控振荡器（vco）的作用是用输入电压控制振荡频率。

这种频率合成器的最大优点是简单，指标也可以做得较高。

在此次设计中采用锁相频率合成法来合成高精度、高稳定度、且中心频率可调的高频载波信号。

锁相环路可以由双模分频器mc12034、锁相环频率合成芯片mc145152、压控振荡器he725、放大器op27a四部分组成。

五单边带调制ssb设计
待发射的基带信号需要经过调制，将频谱搬移到高频载波上，以便通过进行有效辐射。

调制是利用待发射信号来控制高频振荡载波的某一参数，使这个参数随信号而变化。

已知待发射信号为d/a转
换器输出的连续波，幅度调制（调幅）与调相和调频方式相比实现起来较为方便，且满足此次设计的各项性能，本次设计采用线性特性的幅度调制来实现将低频的基带信号向高频载波振荡搬移。

幅度调制可采用ad公司的i/o调制器ad8346芯片实现，它是一款高性能的正交调制器、调制载波的频率范围为0.8ghz~2.5ghz，可调制的基带信号带宽为直流到70mhz。

当给dds输入一个常量时，dds合成频率单一的波形，合成的信号送入i/o调制器，实现了正弦信号的幅度调制，其中包括载波和携带信息的上边带和下边带。

当任意波形的调制信号输入dds实现基带调频后，再经过i/o调制器实现信号频谱搬移后输出。

六控制电路系统方案
控制系统设计和部分电路模块设计采用eda技术，基于quartus 软件完成。

控制电路的结构图如图4所示。

图4 控制电路结构图
本系统中控制电路需完成以下工作：
1) 为a/d，d/a，pll，ssb提供既定频率的时钟信号。

这些时钟可以以一个80mhz的晶振作为基准信号，通过vhdl语言设计完成。

2) 完成对pll，a/d，d/a的控制。

3) 将dds输出信号进行后期处理，并输出到d/a。

整个系统硬件电路以fpga为核心，外围分别接有ad转换器、da
转换器、锁相环频率合成电路pll、i/q两路ssb调制器和时钟信号源组成。

此外还有相应的fpga和这些外围芯片的接口电路等。

七总结
本次设计研究了如何利用fpga实现数字式调频发射机的设计，并给出实现方案。

随着微电子技术和eda技术的飞速发展，使得数字调制发射机的性能可以得到很大程度的提高，其设计能够设法满足上述要求，本设计的研究具有较重要的意义和广阔的应用前景。

作者简介：赵航（1977-），女，吉林长春人，吉林工程技术师范学院教师，讲师，硕士，主要从事电子技术、eda的教学研究。