淺析FPGA數(shù)字調(diào)頻發(fā)射機(jī)的原理與設(shè)計(jì)

作者/高濤，桐鄉(xiāng)市廣播電視臺(tái)

淺析FPGA數(shù)字調(diào)頻發(fā)射機(jī)的原理與設(shè)計(jì)

作者/高濤，桐鄉(xiāng)市廣播電視臺(tái)

二十一世紀(jì)以來無線通信領(lǐng)域之中，模擬調(diào)制的相關(guān)技術(shù)已經(jīng)逐漸成熟，數(shù)字調(diào)制發(fā)射機(jī)就應(yīng)運(yùn)而生。其優(yōu)點(diǎn)眾多，各種功能集成運(yùn)行，在當(dāng)前科技飛躍發(fā)展的大背景之下，具備廣闊的應(yīng)用前景。

FPGA；數(shù)字調(diào)頻發(fā)射機(jī)；原理

引言

FPGA是現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列，基于互聯(lián)連接的可配置邏輯塊CLB矩陣的半導(dǎo)體器件。它可以按照用戶按照需求進(jìn)行自定義以及配置的一種高容量的現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列。現(xiàn)在FPGA的功能越來越強(qiáng)大，規(guī)模也是越來越大，已經(jīng)在很多平臺(tái)的支持下用來設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)多種多樣的中小規(guī)模的邏輯器系統(tǒng)。一般來講，F(xiàn)PGA包括由CLB、IOB和IR這三種可編程電路和SRAM共同組成。FPGA最重要的一個(gè)組成部分就是CLB，它能夠?qū)崿F(xiàn)邏輯功能。IOB負(fù)責(zé)提供引腳和內(nèi)部邏輯陣列間連接。FPGA具有眾多突出優(yōu)點(diǎn)，尤其是以集成度高、容易進(jìn)行編程仿真、速度快體積小等優(yōu)點(diǎn)，得以廣泛應(yīng)用在在通信、信號(hào)、電力等各行各業(yè)。

1.數(shù)字調(diào)頻發(fā)射機(jī)組成與原理

通常數(shù)字調(diào)頻發(fā)射機(jī)的五大主要組成部分，它們分別是模數(shù)轉(zhuǎn)換器A/D、FIR濾波器、直接數(shù)字頻率合成DDS、PLL鎖相環(huán)頻率合成器、和單邊帶調(diào)制SSB這五部分。首先通過A/D進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換，再進(jìn)行DDS輸入實(shí)現(xiàn)基帶信號(hào)調(diào)頻，最后交由SSB實(shí)現(xiàn)調(diào)幅目的，這樣就可以無失真將低頻信號(hào)搬移至高頻載波之中。發(fā)射階段則通過功率放大器進(jìn)行放大之后再輸出，再使用天線向四周空間輻射，就這樣就完成了整個(gè)信號(hào)的調(diào)制和發(fā)射。

2.FIR數(shù)字濾波器

濾波器的作用就是提取有用的信號(hào)，將無用的信號(hào)或者噪聲進(jìn)行過濾，對(duì)信號(hào)的頻帶進(jìn)行擴(kuò)展，對(duì)信號(hào)的特定頻譜分量進(jìn)行轉(zhuǎn)變。FIR數(shù)字濾波器需要通過一定的運(yùn)算變換和處理操作，對(duì)其進(jìn)行處理然后就可以得到目標(biāo)序列，使其符合需求，這樣就成功完成信號(hào)頻譜改變的任務(wù)了。例如在通信遙測(cè)中，通過其系數(shù)相關(guān)特點(diǎn)，對(duì)于偶數(shù)M階的濾波器，那么就只要有M/2個(gè)乘法器就可以了，而如果是奇數(shù)M，那么就需要(M+1)/2個(gè)乘法器來實(shí)現(xiàn)目標(biāo)。

3.直接數(shù)字頻率合成器DDS

直接數(shù)字合成技術(shù)簡稱DDS，其合成頻率技術(shù)優(yōu)勢(shì)之處十分明顯，比如轉(zhuǎn)換信號(hào)頻率的速度非?？旃?jié)約時(shí)間，還可以輸出連續(xù)得相位信號(hào)，還具有頻率分辨率高、控制靈活等顯著特征，使得DDS成功的成為行業(yè)中的領(lǐng)頭羊。結(jié)合FPGA，人們可以依據(jù)實(shí)際的需要，方便快捷的進(jìn)行調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相位方面的操作。直接數(shù)字合成技術(shù)利用有限的離散數(shù)據(jù)，根據(jù)具體幅值，交由D/A輸出連續(xù)波，通過將不同的波形數(shù)據(jù)存放如ROM中，就可輸出目標(biāo)波形。再存入了正弦和余弦函數(shù)表，那么就能夠得到正交輸出信號(hào)。直接數(shù)字頻率合成優(yōu)點(diǎn)有很多，其易于控制和集成，轉(zhuǎn)換速度和頻率也很快很高，也能夠輸出連續(xù)相位，但是因?yàn)槠骷募s束，使得其輸出信號(hào)頻率不夠高。無論如何，瑕不掩瑜，目前DDS以其獨(dú)特的性能使用起來十分方便快捷，而且其質(zhì)量小、穩(wěn)定系數(shù)高、造價(jià)低、易于集成等綜合性優(yōu)點(diǎn)收到廣泛關(guān)注和應(yīng)用。

4.PLL載波信號(hào)

DDS生成低頻的基帶信號(hào)，由于低頻的信號(hào)不能直接進(jìn)行遠(yuǎn)距離空間的傳輸，需要借助高頻載波，將低頻信號(hào)附加在其之上，那么才能夠?qū)崿F(xiàn)真正有效的無線傳輸。

因此就需要運(yùn)用到采用鎖相環(huán)路合成法，簡稱為PLL，來進(jìn)行操作。利用基本鎖相環(huán)負(fù)責(zé)跟蹤輸入信號(hào)的相位，經(jīng)過鑒相器產(chǎn)生一個(gè)與其和VCO信號(hào)相位差成比例的電壓。這個(gè)電壓通過環(huán)路濾波器，噪聲和高頻信號(hào)成分被其濾除之后，再經(jīng)過調(diào)制VCO的頻率，在PD鑒相器中與起初信號(hào)進(jìn)行比較，進(jìn)行重復(fù)操作直到VCO以固定的相位鎖住輸入信號(hào)，通過跟蹤相位以獲得頻率同步和頻率跟蹤。

5.單邊帶調(diào)制SSB

由于天線的尺寸和波長成正比，信號(hào)頻率與波長成反比，要將低頻信號(hào)附加在載波信號(hào)之上來進(jìn)行傳輸。對(duì)于SSB調(diào)制使用幅度調(diào)制來完成信號(hào)的附加搬移，將低頻信號(hào)加載到載波信號(hào)上。將一個(gè)信號(hào)常量輸入給DDS時(shí)，通過其合成功能得到單一頻率的波源信號(hào)，接著利用I/Q實(shí)現(xiàn)正弦信號(hào)的幅度調(diào)制，任一信號(hào)源輸入到DDS之中再經(jīng)由I/Q，就可以完成低頻信號(hào)頻譜的搬移。

6.控制電路

FPGA數(shù)字調(diào)頻發(fā)射機(jī)關(guān)于控制電路的設(shè)計(jì)主要是從下面三個(gè)方面進(jìn)行操作：為A/D、D/A、PLL、SSB提供時(shí)鐘；完成對(duì)PLL、A/D、D/A的控制；對(duì)DDS輸出.的信號(hào)，進(jìn)行后期處理，然后再輸出到D/A。其核心部分是FPGA，包括A/D和D/A轉(zhuǎn)換器， PLL以及I/Q兩路SSB調(diào)制器等一些組成部分。

本次論文淺析了FGPA數(shù)字調(diào)頻發(fā)射機(jī)的原理與設(shè)計(jì)，針對(duì)A/D、FIR、DDS、PLL、SSB等各組成部分進(jìn)行了介紹與設(shè)計(jì)，為以后的數(shù)字調(diào)頻發(fā)射機(jī)的研究工作提供了一定的參考依據(jù)。

＊ [1]周寧寧，程春玲.基于FPGA技術(shù)的計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2005（01）：2—4.

＊ [2]丁小峰，韓方景，王振偉. 基于FPGA和DDS數(shù)字調(diào)頻發(fā)射機(jī)實(shí)現(xiàn)[J].電聲技術(shù)，2006，(09):64—66.

＊ [3]王彥，田丹丹，曹學(xué)科. 基于FPGA的小功率立體聲發(fā)射機(jī)的設(shè)計(jì)[J].南華大學(xué)學(xué)報(bào)(理工版)，2004，(01):49—53+57.