一种接收机中频数字化的设计
井维
（中国电子科技集团公司第二十研究所，陕西 西安 710068）
【摘要】基于软件无线电的思想提出了一种接收机中频数字化的设计方案，采用带通采样、数字正交解调、滤波等技术，实现了中频信号数字化处理功能，并给出了软件仿真结果。该设计已在某导航接收机中得到应用。
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关键词 中频数字化；带通采样；数字正交解调
0引言
长期以来，传统接收机大多采用模拟电路进行中频信号处理，但由于模拟中频电路存在混频非线性、本振频率稳定度、温度漂移、转换速率以及模拟参数调试困难等问题，导致接收机性能不稳定，尽管设计师们想尽办法进行设计改进，但结果不能令人满意，因此，提出了一种中频数字化接收机的方案。
与传统的模拟方式相比，中频数字化可以使得整个接收机具有高度的灵活性、通用性和可靠性。
1中频数字化接收机
数字化接收机的设计理念是尽可能靠近射频采样，其后的处理全部由数字信号处理平台完成。由于受到相关器件制造工艺水平和运算能力的限制,目前可行的方案是在模拟通道混频后对产生的中频信号进行模数变换,再送给后续的各个数字信号处理环节进行数字处理,最终完成接收机的功能。基于中频采样的数字接收机结构框图如图1所示，本文的重点是中频数字化处理。
2中频数字化处理
中频数字化处理以载波频率70MHz的AM调制信号为处理对象，中频数字化是将70MHz模拟中频信号变换成数字中频信号，再经过带通滤波、抽取、数字正交解调等处理，最终转换成数字基带信号的过程。中频数字化处理主要包括A/D采样、带通滤波（BPF）、抽取、数字正交解调等。中频数字化处理流程如图2所示。
2.1带通采样
A/D采样是接收机中频数字化的第一步，同时也是关键一步。由Nyquist采样定理可知，当采样频率大于信号最高频率2倍时，所得到的采样值即可准确的还原原信号。对于70MHz的中频信号，若按照Nyquist采样定理进行采样，则其采样频率会很高，以至ADC器件很难实现，并且其后续处理速度要求较高。而带通采样技术的采样速率在满足大于信号带宽两倍的情况下，选取远远低于信号最高频率的两倍速率就能正确地反映带通信号的特性。与Nyquist采样相比，带通采样降低了采样速率，极大地减小了后续数字信号处理负担。因此，本方案采用带通采样技术。
带通采样定理:设一个频率带限信号s(t),其频带限制在（fI）（fh）(内，如果其采样速率满足：
等间隔采样所得到的信号采样值s（nTs）能准确地还原原信号s（t）。Ig[·]表示取不大于括号内数值的整数，B为频带宽度，fs是采样频率，fh是最高频率，fI是最低频率。
公式（1）中将采样频率划分为若干区间，由n确定。n越大，采样频率越低，对后级处理负荷也降低。但从另一方面讲，在设计时采样频率也不宜选择太低，采样频率过低对采样振荡器频率精度要求就越高。
本方案中频信号频率为70MHz，中频带宽为34kHz，根据带通采样率应满足的条件，当N=5，fh=70.017MHz，fI=69.983MHz时，采样率应满足：
23.339MHz≤fs≤27.9932MHz
本方案选取采样频率fs=25MHz。
2.2带通滤波器及抽取处理
由于中频信号频率为70MHz，A/D采样速率为25MHz，A/D进行的是欠采样，采样后的信号频谱有多个，需要的是5MHz频点上的信号，所以采样后的数据送入带通滤波器,滤除带外的干扰信号。
由于带通滤波器的输入信号速率较高，若采用FIR滤波器会占用大量的乘法器资源，成本增加。因此结合成本和实际需要考虑，我们采用IIR滤波器。该滤波器可以用较少的阶数获得很高的选择特性,所用的存储单元少，运算次数少,具有经济、高效的特点。滤波器的相关参数由FDATOOL工具生成，具体设计如图3所示。
带通滤波后的输出信号速率仍为采样频率25MHz，若正交解调的两个乘法器位于高数据率部分将会限制整个系统的数据处理能力，影响整个系统的高效性。低通滤波器(LPF)在降速之前实现这无疑也提高了对运算速度的要求，对实时处理是极其不利的。因此，需要通过某种方式把两个乘法器和低通滤波器移到低数据率部分。所以本方案在数字正交解调之前必须进行抽取处理。利用抽取来降低采样率，即在已采样的数据中每隔M点取一个数据，设输入采样数据率为fs，则抽取后输出数据率为。本文的输入信号的采样速率为25MHz，抽取因子M=100，则抽取后的信号采样率降为250kHz。这样的优点是：滤波器的滤波过程和混频乘法运算都是在低数据率下进行的，不仅实现起来容易，速度快，资源占用量小，而且性能完全可以满足实际应用需要。
2.3数字正交解调
数字正交解调由数字混频器、数字控制振荡器（NCO）、低通滤波器（LPF）以及解调算法组成。量化的中频数字信号进入正交解调后,先与数字控制振荡器(NCO)产生的本地数字载波混频,再经低通滤波和解调输出所需基带信号。数字正交解调原理如图4所示。
由以上分析可知,AM信号用正交解调算法解调时,不需要载频严格的同频同相，方便硬件实现。理论上失配可以任意大,但失配严重时,信号会超出数字信道发生失真。仿真中频差在8KHz之内时,依然可以得到很好的仿真结果。
在数字正交解调中，数字低通滤波器起着至关重要的作用,其性能的好坏往往直接影响信号的质量。数字低通滤波器的目的就是为了滤除混频之后产生的倍频分量以及带外噪声,使信号能够较少的发生失真,增加信号的信噪比。由于经过抽取后的信号采样率较低，因此采用具有良好相位和稳定性的高阶FIR滤波器完成低通滤波，滤波器的相关参数由FDATOOL工具生成，具体设计如图5所示。
3仿真结果
以AM信号为仿真对象，仿真中的调制信号表达式为:
s（t）=0.2cos 180?仔t+0.3cos 300?仔t
利用本设计方案所采用的算法来进行仿真，解调前后信号的波形如图6和图7所示，纵轴表示信号幅度值，横轴表示时间，单位为采样点的个数，相邻采样点间隔为40ns。可以看出最终输出的信号波形与原调制信号波形一致，从而验证了本设计方案的正确性、合理性和可行性。
图6基带信号
图7解调出的基带信号
4结束语
该中频数字化设计已在某导航接收机中实际应用，提高了现有接收机的性能。本方案从中频后完全采用了数字化设计,通过加载不同的软件,可以灵活地实现多种调制方式的接收机功能，具有较高的应用价值。中频数字化处理使得接收机设计更加灵活，可靠性得以提升，在数字化中频接收机中具有广泛的应用前景。中频数字化对于接收机全数字化提供了可以借鉴的经验。
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参考文献
［1］杨小牛,楼才义,徐建良.软件无线电原理与应用[M].北京:电子工业出版社，2001.
［2］黄智刚.无线电导航原理与系统[M].北京:北京航空航天大学出版社,2007.
［3］张公礼.全数字接收机理论与技术[M].北京:科学出版社,2005.1.
［责任编辑：邓丽丽］