浅析FPGA数字调频发射机的原理与设计

作者/高涛，桐乡市广播电视台

浅析FPGA数字调频发射机的原理与设计

作者/高涛，桐乡市广播电视台

二十一世纪以来无线通信领域之中，模拟调制的相关技术已经逐渐成熟，数字调制发射机就应运而生。其优点众多，各种功能集成运行，在当前科技飞跃发展的大背景之下，具备广阔的应用前景。

FPGA；数字调频发射机；原理

引言

FPGA是现场可编程门阵列，基于互联连接的可配置逻辑块CLB矩阵的半导体器件。它可以按照用户按照需求进行自定义以及配置的一种高容量的现场可编程门阵列。现在FPGA的功能越来越强大，规模也是越来越大，已经在很多平台的支持下用来设计和实现多种多样的中小规模的逻辑器系统。一般来讲，FPGA包括由CLB、IOB和IR这三种可编程电路和SRAM共同组成。FPGA最重要的一个组成部分就是CLB，它能够实现逻辑功能。IOB负责提供引脚和内部逻辑阵列间连接。FPGA具有众多突出优点，尤其是以集成度高、容易进行编程仿真、速度快体积小等优点，得以广泛应用在在通信、信号、电力等各行各业。

1.数字调频发射机组成与原理

通常数字调频发射机的五大主要组成部分，它们分别是模数转换器A/D、FIR滤波器、直接数字频率合成DDS、PLL锁相环频率合成器、和单边带调制SSB这五部分。首先通过A/D进行信号转换，再进行DDS输入实现基带信号调频，最后交由SSB实现调幅目的，这样就可以无失真将低频信号搬移至高频载波之中。发射阶段则通过功率放大器进行放大之后再输出，再使用天线向四周空间辐射，就这样就完成了整个信号的调制和发射。

2.FIR数字滤波器

滤波器的作用就是提取有用的信号，将无用的信号或者噪声进行过滤，对信号的频带进行扩展，对信号的特定频谱分量进行转变。FIR数字滤波器需要通过一定的运算变换和处理操作，对其进行处理然后就可以得到目标序列，使其符合需求，这样就成功完成信号频谱改变的任务了。例如在通信遥测中，通过其系数相关特点，对于偶数M阶的滤波器，那么就只要有M/2个乘法器就可以了，而如果是奇数M，那么就需要(M+1)/2个乘法器来实现目标。

3.直接数字频率合成器DDS

直接数字合成技术简称DDS，其合成频率技术优势之处十分明显，比如转换信号频率的速度非常快节约时间，还可以输出连续得相位信号，还具有频率分辨率高、控制灵活等显著特征，使得DDS成功的成为行业中的领头羊。结合FPGA，人们可以依据实际的需要，方便快捷的进行调幅、调频、调相位方面的操作。直接数字合成技术利用有限的离散数据，根据具体幅值，交由D/A输出连续波，通过将不同的波形数据存放如ROM中，就可输出目标波形。再存入了正弦和余弦函数表，那么就能够得到正交输出信号。直接数字频率合成优点有很多，其易于控制和集成，转换速度和频率也很快很高，也能够输出连续相位，但是因为器件的约束，使得其输出信号频率不够高。无论如何，瑕不掩瑜，目前DDS以其独特的性能使用起来十分方便快捷，而且其质量小、稳定系数高、造价低、易于集成等综合性优点收到广泛关注和应用。

4.PLL载波信号

DDS生成低频的基带信号，由于低频的信号不能直接进行远距离空间的传输，需要借助高频载波，将低频信号附加在其之上，那么才能够实现真正有效的无线传输。

因此就需要运用到采用锁相环路合成法，简称为PLL，来进行操作。利用基本锁相环负责跟踪输入信号的相位，经过鉴相器产生一个与其和VCO信号相位差成比例的电压。这个电压通过环路滤波器，噪声和高频信号成分被其滤除之后，再经过调制VCO的频率，在PD鉴相器中与起初信号进行比较，进行重复操作直到VCO以固定的相位锁住输入信号，通过跟踪相位以获得频率同步和频率跟踪。

5.单边带调制SSB

由于天线的尺寸和波长成正比，信号频率与波长成反比，要将低频信号附加在载波信号之上来进行传输。对于SSB调制使用幅度调制来完成信号的附加搬移，将低频信号加载到载波信号上。将一个信号常量输入给DDS时，通过其合成功能得到单一频率的波源信号，接着利用I/Q实现正弦信号的幅度调制，任一信号源输入到DDS之中再经由I/Q，就可以完成低频信号频谱的搬移。

6.控制电路

FPGA数字调频发射机关于控制电路的设计主要是从下面三个方面进行操作：为A/D、D/A、PLL、SSB提供时钟；完成对PLL、A/D、D/A的控制；对DDS输出.的信号，进行后期处理，然后再输出到D/A。其核心部分是FPGA，包括A/D和D/A转换器， PLL以及I/Q两路SSB调制器等一些组成部分。

本次论文浅析了FGPA数字调频发射机的原理与设计，针对A/D、FIR、DDS、PLL、SSB等各组成部分进行了介绍与设计，为以后的数字调频发射机的研究工作提供了一定的参考依据。

＊ [1]周宁宁，程春玲.基于FPGA技术的计算机组成原理实验系统[J].现代电子技术，2005（01）：2—4.

＊ [2]丁小峰，韩方景，王振伟. 基于FPGA和DDS数字调频发射机实现[J].电声技术，2006，(09):64—66.

＊ [3]王彦，田丹丹，曹学科. 基于FPGA的小功率立体声发射机的设计[J].南华大学学报(理工版)，2004，(01):49—53+57.