一个雷达中频信号数字复解调系统的实现

　第23卷　第4期核电子学与探测技术

V ol .23　N o .4 2003年　7月

N uclear Electronics &Detection T echnolo gy

July 2003

一个雷达中频信号数字复解调系统的实现

刘树彬,吴义宝,安　琪,王砚方

(中国科学技术大学近代物理系快电子学实验室,安徽合肥　230027)

摘要:在阐述数字复解调原理的基础上实现了一个基于专用芯片的数字复解调测试系统。对比模

拟复解调,说明数字复解调的优越性以及它们的应用和发展前景。

关键词:数字复解调;数控振荡器;数字滤波;抽取

中图分类号:T P 957.52;T P 274.2　文献标识码:A 文章编号:0258-0934(2003)04-0364-03

收稿日期:2002-04-03

作者简介:刘树彬(1975-),男,山东昌乐人,中国科学技术大学近代物理系博士生,从事快电子学研究。

随着通信、雷达、医学成像等技术的不断发展,人们对信号处理的稳定性和灵活性要求越来越高。这些技术中信号处理的一个共同点就是采用复解调,传统以模拟复解调处理的方式已不能满足对输出信号的幅度一致性、相位一致性越来越高的要求。而高速、宽动态范围A /D 变换器和大规模集成电路器件的发展,使高速数字复解调方法的实现成为现实。

1　数字复解调的原理

随着A/D 变换器和数字逻辑器件速度的不断提高,传统的信号模拟解调机制正在被数

字复解调逐步替代,在通信比如第三代无线通信等领域,中频信号的数字化和复解调已经成为降低成本、提高系统稳定性、灵活性和一致性的重要手段[1]

。如果A/D 变换器和数字逻辑器件的速度足够快,甚至可以实现射频直接解调,这就是目前数字信号处理研究的热点“软件无

线电”[2]。

传统的信号处理中,中频解调采用模拟复

解调的方法,其基本原理是用压控振荡器和锁相环产生两路正交的中频载波信号。输入的中

频信号通过模拟乘法器分别和两路正交的中频载波信号相乘实现输入信号在频域的搬移,然后通过模拟低通滤波器得到I(in-phase,同相)和Q(quadrature,正交)两路基带信号,从而实现信号的下变频搬移和得到两路正交信号。由于模拟复解调采用模拟器件实现,因而稳定性和灵活性都不理想。具体表现在:模拟器件产生的中频载波信号的稳定性差;模拟乘法器的线性不好;模拟滤波器多采用LC 电路,其滤波特性难以调节且不易随具体应用的需求而改变;模拟分立元件的不一致性,I 、Q 两路的幅度和相位一致性难以得到保证。

数字复解调可以很好地解决这些问题:数字器件的精度只取决于数据的位数,不受温度、元器件个体差异等因素的影响。可以最大程度地确保信号的一致性。数字复解调一般是先用高速、宽动态范围的A/D 变换器直接将中频信号变成数字信号,然后和数字控制振荡器产生的两路正交的数字中载波信号相乘,实现输入信号在频域的搬移,再经数字滤波后得到数字基带信号,输出结果可以用DSP 或计算机作进一步处理。与传统的模拟复解调方法相比,数字复解调由于采用数字器件,其稳定性得到保证,同时载波的频率和相位、滤波器的特性等很容易根据应用的需求而调整,解调输出信号的幅度、相位一致性有很大提高。这些是模拟方法无

法比拟的。

进行数字复解调首先要获得高精度的数字化数据,随着高速采样和量化技术发展,当前的高速的A /D 变换器可直接采样中频信号。在无线系统的实际应用中,由于被采样的信号频率高,而且频率范围宽,所以要求A /D 变换器和数字复解调都要有很宽的输入信号模拟带宽和信噪比。而且往往应用欠采样理论[3]

进行A/D 变换,因为欠采样可实现频谱搬移而使无线系统变得简单。

图1是数字复解调电路的原理性框图。输入数字信号,解调电路通过数字控制振荡器(NCO )、数字乘法器和数字滤波器三部分输出I 、Q

信号。

图1　数字复解调的原理框图

NCO 产生两路正交的单频载波信号。数字乘法器实现将载波与输入信号的相乘。两个乘

法器输出两路正交信号,这两路信号包含基带信号和以两倍载波频率为中心频率的高频成分。数字滤波器的作用就是滤除这些高频成分,同时滤波器还可以根据需要调节输出的幅度增益和对信号进行抽取。抽取(Decimation)是在信号流中按一定的比例(抽取率)等间隔地选取信号样本来表示原来的信号,它是实现数字滤波器的一种有效手段。只要IQ 输出信号的带宽小于其采样频率的一半,根据Nyquist 采样定律,抽取可以保证不丢失有用的信息。抽取降低了采样率,从而降低IQ 信号速率,因此可以降低信号的速率,便于后面的处理。根据具体应用的场合不同,数字滤波器的带宽要求也不同。在窄带应用中,每个通道的基带频宽相对于采样频率很小(<1/20),数字滤波器在实现滤波的同时进行信号的抽取,在宽带应用中,要求滤波器的带宽是采样频率的1/4～1/2,因此,在这种情况下数字滤波器就不能进行抽取或进行很小的抽取。

2　系统的要求

数字复解调的实现和具体应用的情况相关。当输入信号的速率比较低(采样频率小于5MHz ),而且是窄带信号时,数字复解调可以

用DSP 或者高速PC 来完成。但如果输入信号是高速(采样频率大于20M Hz)宽带信号且要求实时处理时,就必须采用并行DSP 或硬件来实现[4]。目前随着大规模集成电路的发展,很多公司开发出了专用的数字复解调芯片,例如A nalog Device 公司的A D6620;Harr is 公司的H SP50214;NS 公司的CLC5902;GrayChip 公司的GC 1011A 、GC 1012A 等。因此在高速和宽带的信号处理系统中,用硬件来实现数字复解调就成为首选。

在我们为一个雷达系统设计的中频信号数字化和数字复解调插件中,要求对输入中心频率为60MH z ,带宽为40MHz 的信号以80或100M SPS 的采样率进行采样,采样的信噪比不小于42dB 。雷达系统提供了一个外步同步脉冲信号,在这个信号控制下间歇存储采样信号,只记录宽度为80 s 的低脉冲时的采样数据,而在

其余时间以20M Hz 的速度读出数据进行处理,如图2a 所始。经复解调后以10M Hz 的速度输出I 、Q 两路信号,并要求滤波器3dB 通带为0～9/32Fs(Fs 为采样频率)阻带为13/32～1/2Fs ,衰减大于50dB ,如图2b

所示。

图2　系统要求

3　数字复解调的实现

在复解调电路方面,AD6620、HSP50214以及CLC5902等适用于窄带信号的场合,如A D 6620的滤波特性受到抽取率的影响,当抽取率比较高时(大于64),AD 6620几乎可以满足任何复解调的要求。然而,对于高速宽带信号