基于AD9268的短波接收全数字传输结构

摘要：介绍了一种基于新器件和设计方法的短波全数字的传输结构。该方法通过大量采用数字器件可以获得许多技术优势和进步，可以为面向未来的设备提供更为先进的硬件平台。
关键词：数字传输；采样单元；数字信号处理；软件无线电

0 引言
    VHF频段(短波)是电磁频谱中使用密度较高的部分，包括通信、雷达、测控等系统均在该频段内有所出现，所以，各个领域均以短波接收机作为系统的前端。传统设备一般通过天线和模拟前端设备完成信号的预处理，特别是当数字处理设备和模拟前端设备距离较远时，还需要配置高功率放大设备以保证信号的长距离传输。随着数字芯片和设计技术的不断进步，这种体制可望被更为先进合理的结构所替代。

1 短波全数字传输系统的整体结构
    由于短波频段本身范围有限(0～30 MHz)，实际使用时往往信号带宽有限，如通信系统在短波频段的典型带宽为6．4 kHz。所以，模拟分机除了变频外，还需要对信号进行窄带滤波处理。
    传统的短波接收系统结构是由天线、模拟前端、功率放大器、数字后端等组成，其传统结构如图1所示。

    着数字集成芯片和电路设计技术的进步，特别是高速高量化位数的ADC和DAC的成熟、高速SERDES芯片的出现、光纤传输模块和FPGA等数字信号处理芯片的应用，为这些关键技术构建全数字的传输结构提供了基本的支撑。
    根据数字系统的能力和特点，使用先进的数字芯片和技术，可以构架一种先进的短波全数字传输结构，图2所示就是一种全数字的传输结构。

    图2中，模拟器件和设备的比重大为降低，数字器件基本上都可从天线后介入到系统，保留低噪放器件的目的主要是为了保证接收机合理的噪声系数，同时也提升信号电平，以保证小信号能够被放大到ADC的有效采样电平范围之内。
    高速高量化位数的ADC为系统的带内数据采集、系统动态范围和灵敏度提升提供了保证。
    ADC后的数字信号可以通过SERDES结构进入光模块，并将其转换为光信号后通过光纤介质进行高速、长距离和低误码率的传输。
    FPGA为宽带内的信号处理提供了数字硬件平台，通过成熟的数字信号处理算法和硬件设计技术，就可以轻松的实现数字信号下的信号变频和滤波处理。

2 高速大量化位数的ADC
    AD公司(Analog Device)推出的AD9268就是一款可以满足系统需求的高速高量化位数的ADC。
    图3所示是AD9268芯片的功能结构框图。该器件对于双路双通道输入信号可以并行进行高速的采样量化，显然，当输入为正交I、Q信号时，它可以在采样率不变的条件下，获得更高的信号无失真带宽。

    该器件的数字信号量化数据位为16 bit，同源时钟和信号以差分线的形式输出，从而保证了输出信号优良的信号完整性。
    芯片通过SPI接口进行工作模式参数寄存器的配置。值得一提的是，该芯片还提供有多片之间的同步接口，这就为系统进行多通道的信号测向处理做好了伏笔。
    AD9268的主要技术指标如表1所列。通过表1可见，该芯片的主要指标十分出色，能够满足复杂信号条件下的信号接收。使用该芯片足以实现系统对短波频段的采样完全覆盖。

    AD9268芯片的管脚兼容CMOS／LVDS／LVPECL等电平。模拟、数字均使用1．8 V供电。芯片典型功耗为750 mW，实验室测试最大功耗为875 mW。

3 时钟产生单元
    对于光纤通信系统来说，数据时钟的准确性和稳定性是十分重要的，试验证明，它会直接影响信号传输的误码率。ICS8442是由ICS (Inte-grated Circuit Systems，Ine)推出的一款具有很好频综性能的集成芯片。
    ICS8442芯片的主要功能是将普通晶振的时钟信号转换为高稳定的差分电平时钟信号。输出频率范围从31．25 MHz～700 MHz。
    图4所示是ICS8442的内部结构框图。该芯片可对输入时钟进行相位锁定和频率综合，并可通过控制接口实现不同输出电平制式的切换。
输出频率可通过控制寄存器M、N进行设置，ICS8442使用3．3 V电源，最大功耗为500 mW。

5 数字信号处理系统
    数字信号处理是全数字接收系统的核心，而数字可编程器件是算法实现的基础，FPGA与其高度硬件化的实现方式和对高层设计语言的支
持，使得算法硬件实现的距离缩短了许多。目前，FPGA已经成为业界主流的数字硬件平台。
    对于全数字的传输结构来说，FPGA是实现传统处理中模拟前端变频滤波的主要单元。
5．1 数字下变频
    数字下变频(DDC)是数字信号处理中的一种基本处理单元，其数学表达式如下：
   
    其中，x(t)为输入信号，f0为数字本振频率，f(t)为低通滤波器。其物理模型的结构如图5所示。

    由上述分析可见，对于超外差接收体制的信号处理来说，DDC完全可以代替传统的模拟信道变频滤波处理。
5．2 信号抽取滤波
    采样率变换是信号处理中经常遇到的操作。当信号的采样率远大于其奈奎斯特采样率时，对于信号进行降采样率操作是十分必要的，这对于芯片的工作稳定性和功耗都十分重要。该方式的数学表示为：    
    其中[]为取整操作，N为抽取倍数，f(n)表示抗混叠滤波器的通带最大为原信号的1／N。经过抽取后的信号自身频率不变，但采样率变为原来的l／N。

6 结束语
    通过以上分析和介绍，可以看到，通过使用新近的数字集成芯片及数字设计技术可以很好地实现和改善传统体制的设备，并获得很好的性能。
    首先，更多地使用数字技术可以有效地降低设备的体积、功耗和成本；其次，数字体制的传输可以保证很低的误码率，而不会因为传输为其带来额外的信噪比损失；再次，由于距离对光纤体制传输的影响很小，所以，一般根据传输距离更换或调整光模块的发射功率，就可以满足要求；最后，数字处理可以满足不同体制的需求，滤波器等设计可以动态更新。而在硬件资源足够的条件下，完全可以完成同时多通
道的处理。
    从一些国内外的资料和报告来看，全数字的传输结构已经用于工程设计，并在一些专项题目和探索研究中取得了很好的效果。