文獻標識碼： A
文章編號： 0258-7998(2014)04-0052-04
現代雷達追求充分數字化，A/D逐漸從中頻靠近射頻。隨著被采樣信號的帶寬越來越大，采樣率越來越高，系統對信號實時處理速率的要求也不斷提高。
隨著現代信息的技術的快速發展，數據的采集和實時處理已經廣泛應用于雷達、遙感、地質勘探等各個領域。參考文獻[1]中介紹了一種數字式雷達接收機的設計及其FPGA實現。該接收機利用ADC數/模轉換器進行帶通采樣，之后完成I/Q兩路正交信號解調。參考文獻[2]中論述了帶通采樣技術在寬帶數字多速率、多模式、多通道軟件無線電中頻接收機中應用的可行性，詳細分析了中頻頻率和采樣頻率的選取問題。參考文獻[3]中提出了一種基于帶通采樣定理的高速數據采集系統，完成了數據的采樣、傳輸、存儲和處理等功能，并且驗證了方案的可行性。參考文獻[4]中提出了數字振蕩器的多種方法實現，并對每個方法的性能進行了對比。參考文獻[5]中介紹了一種將多相濾波結構應用于寬帶的級聯濾波器組，實現了任意插值和多相信道化。參考文獻[6]中介紹一種基于多相濾波的寬帶數字化接收機的設計及其FPGA實現。參考文獻[7]提出了濾波器在電子設備中的重要性，并介紹了多相濾波器的設計流程及仿真分析。
本文首先利用帶通采樣定理對中頻信號進行采集，使ADC更加靠近射頻；然后利用采樣頻率、中頻頻率和本振頻率的特殊關系改進正交混頻結構，使之資源使用量更少并且具有更大吞吐量；最后，利用上述的混頻結構，濾波器采用多相抽取混頻濾波器結構，節省了大量資源，并能達到很好的效果。
1 數字下變頻
本文以一種寬帶雷達數字化接收機為例，對如何設計基于帶通采樣的數字下變頻及其FPGA實現進行闡述，基本原理框圖如圖1所示。
基于圖1的原理框圖，本文以輸入信號fIF模擬中頻f0=125 MHz、帶寬B=40 MHz為例進行分析。該信號經過AD采樣后，進行數字下變頻處理。數/模轉換器件選擇TI公司的ADS5474，其最高的轉換速率可達到400 MS/s。
2 數字下變頻結構分析與設計
2.1 帶通采樣定理
對于一個高頻信號，采樣率的提高對信號采樣量化的信噪比的提高是很有利的。但是，在接收機設計中還需要綜合考慮ADC芯片的采樣速率、后續濾波器的設計以及后端對數據率的要求。
基于以上問題，在本設計中考慮到DDS混頻時，對于數控振蕩器的設計，如果選定特殊采樣頻率，則會對截位誤差和幅度量化所帶來的雜散有良好的改善。先利用帶通采樣的方法(如圖1所示)將模擬輸入信號轉化為數字信號。在設計中輸入信號選取在中頻fIF與采樣頻率fs之間。對于一個給定的采樣頻率，由式(1)可以選取一個合適的中頻，在實際工程中，中頻的最大取值受ADC芯片的模擬帶寬的限制。
值得注意的是，ADC芯片在轉換后輸出的數據是用二進制數補碼進行編碼。為了后續濾波處理，需要將其轉化為偏移二進制[8]表示。
2.2 數控振蕩器
數字下變頻是在ADC采樣完成后，包括正交混頻、抽取和濾波。其功能主要是將采集的中頻數字信號變換為基帶信號，降低數據的處理速率，這是整個系統中數據處理量最大的部分。
根據以上公式得到數字濾波器結構，如圖3所示。
利用Noble恒等式可以將多抽樣率網絡中的抽樣變換結構移到更有利的位置，結構如圖4所示。
本文中多相抽取濾波器結構如圖5所示。
2.3.2 多相濾波器的設計
根據以上多相濾波器的設計原理、系統要求及數控振蕩器得到的數據，濾波器參數如表1所示。
多相抽取濾波器的FPGA實現中，有一個值得注意的問題是對數據溢出的處理。兩個定點數相加后得到的總和可能超出了存儲計算結果的寄存器的動態范圍，從而導致溢出。溢出的結果將導致嚴重的輸出失真，并且可能在濾波器輸出端造成較大的振幅震蕩。
本文中對溢出的處理方案是：運用模2k+M補碼編碼方案[9]，即先將符號位進行擴展，再進行運算。令M=2，即模2k+2補碼方式，就是將符號位進行擴展，將原來使用“0”和“1”表示正負轉換為用“00”和“11”分別表示正和負。接著再進行FIR濾波處理后，就會避免了溢出情況。
3 仿真結果分析
3.1 Matlab仿真結果
根據以上對系統各個組成部分的分析，用Matlab進行仿真分析。其中輸入信號中頻率為125 MHz，中頻帶寬為40 MHz，時寬為10 ?滋s，采樣率為100 MHz，抽取因子為2，信號方式為LFM，則可得到圖6所示仿真結果。
圖6(a)為輸入信號的時域波形及其頻域圖；圖6(b)為輸入信號進行DDC下變頻、抽取濾波后，I路輸出的時域波形圖；圖6(c)為輸入信號進行DDC下變頻、抽取濾波后，Q路輸出的時域波形圖。
圖7為基于傳統濾波器設計的DDC與基于多相濾波器設計的DDC輸出信號頻譜的對比，可明顯看出兩種處理效果很相近。
3.2 FPGA實現測試結果
本文采用Xilinx公司的Virtex-5系列XC5VSX95T芯片對傳統的混頻濾波設計和本文中設計的多相結構下變頻分別進行FPGA仿真，結果如表2所示。
從表2可以看出，多相結構大大減少了硬件資源的使用，提高了資源利用率。
本文介紹了一種基于帶通采樣的數字下變頻的設計和實現，并做了以下改進：(1)對帶通采樣中采樣頻率和中頻選取進行分析，頻率選取更為合理，便于后續處理；(2)由采樣頻率和中頻的關系，對混頻結構進行改進，混頻結果得到明顯改善；(3)由并行混頻結構，文中采用多相抽取濾波器結構，在確保效果的同時，使得資源利用率更高。該設計靈活、高效，有可行性，相關技術已應用于某中頻寬帶雷達接收機中。
參考文獻
[1] MEIER J，KELLEY R，ISOM B M，et al.Leveraging software defined radio techniques in multichannel digital weather radar receiver design[J].IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement，2012，61(6)：1571-1582.
[2] 譚飛，姚遠程，楊春，等．帶通采樣在數字多通道中頻接收機中的應用[J].通信技術，2010，43(4)：1-3.
[3] 和小冬，丁麗.基于帶通采樣的高速數據采集系統設計[J]. 信息與電子工程，2010，8(3)：313-317.
[4] 王芳，劉奕.NCO在數字下變頻中的應用與實現[J].中南林業科技大學學報，2009，29(3)：171-175.
[5] HARRIS F，DICK C，CHEN X，et al.Wideband 160-channel polyphase filter bank cable TV channeliser[J].IET Signal Processing，2011，5(3)：325-332.
[6] 呂幼新，鄭立崗，王麗華.基于多相濾波的寬帶數字化接收機技術[J].電子科技大學學報，2003，32(2)：133-136.
[7] 何頌華，劉真．基于FPGA的多相濾波器設計[J].微計算機信息，2009，25(32)：24-26.
[8] MITRA S K.數字信號處理：基于計算機的方法(第四版)[M].余翔宇，譯.北京：電子工業出版社，2012.
[9] 劉杰.多二進制數同步超前進位相加符號和溢出性研究[J].昆明理工大學學報(理工版)，2004，29(5)：83-86.