L波段射频数字化宽带接收解调分析

【摘要】在我国现代社会的发展与建设中，雷达技术实用领域的发展受到了明显的影响。其中，射频数字化技术的发展占据着十分重要的位置，尤其是L波段（1GHz-2GHz）射频数字化技术的研究、分析与探索，在整个雷达技术使用领域之中，更是具有核心地位，是其中至关重要的组成部分之一。基于此，本文将结合数字信号处理技术、新型高性能芯片技术等，进行L波段射频数字化技术的分析与研究，并针对L波段射频数字化宽带接收解调的分析，进行了着重阐述。

【关键词】L波段射频数字化；多相滤波分析；信号解调

中图分类号：TN929                           文献标识码：A                            DOI：10.12246/j.issn.1673-0348.2023.08.007

在当代世界文化的形成与发展之中，射频数字化接收解调的含义、概念有着较早的历史，但在实际探索过程中，由于受到后端信号处理器性能、AD采样频率等的约束、限制，射频数字化接收解调的实际运行一直难以得到有效实现，而在社会发展速度持续提升的大背景下，集成电路行业领域的发展速度也在不断提升，这就使得射频数字化的采样，拥有了更为有利的技术支持，其应用与实现也成为现实。

1. 射频技术与射频数字化的内涵

1.1 射频技术的内涵

在日常生活中较为常见的射频技术为“无线射频识别技术”，其是在20世纪90年代兴起的，该技术具备阅读速度快、无磨损以及非接触等明显的特点。无线射频技术在射频卡与阅读器间进行非接触的双向数据传输，其主要目的就是实现数据交换以及目标识别。值得注意的是，射频技术与其他方式相比，其自身具有防冲突的功能，且还具有寿命长、便于使用以及不受环境影响的优势，能够同时进行多张卡片的处理。在当前阶段，针对射频技术产品的生产还没有一个统一的国际标准，许多公司在生产射频技术RFID产品时，所采用的都是自己所制定的标准，当前，可供射频卡使用的射频技术标准包括以下几点，一是ISO14443、二是ISO18OOO、三是ISO10536、四是ISO15693，其中在实际应用时，应用得最多的就是ISO15693以及ISO14443，值得注意的是，ISO15693以及ISO14443这两个射频技术标准都是由射频功率与信号接口、传输协议、物理特性以及初始化与反碰撞这四个部分组成。

无线射频技术在进行实际工作的过程中，具体的工作流程是阅读器通过发射天线进行一定频率的射频信号的发送，而在射频卡已经进入到发射天线的工作区域时，会有感应电流的产生，这个时候射频卡就会得到能量，进而被激活。同时，射频卡会通过卡内置发射天线将自身编码等的相关信息数据进行发送，而从射频卡发送的载波信号会被系统接收天线进行接收，在经过天线调节器的处理传送至阅读器，然后，阅读器要对所接收的信息进行解码以及解调，再送到后台主系统处进行处理，而主系统需要通过逻辑的运算将射频卡的合法性进行判断，同时，要针对不同的设定再进行相应的控制以及处理，最后进行指令信号的发出，以对机构动作进行控制执行。

1.2 射频数字化的内涵

射频数字化所指的是在天线已经接收到射频信号之后，仅仅通过滤波、限幅和放大后，就直接进入到高速AD，进行实时采样，将接收机硬件的复杂综合程度，进行了充分的降低，同时，器件个体差异、模拟器件噪声等对于信号接收的影响也有了明显的降低。而射频数字化接收解调所指的是在射频采样工作已经完成之后，将其所得数据在数字领域来解调，并利用程序来进行解调方式、解调频率等的实现，并注重修改灵活方便的建设，这是软件无线实现的关键接借解决方案。而FPGA芯片的最新一代，有丰富信号处理IP、乘法器资源、逻辑资源等的具备，处理方式也存在高度并行的特点，在射频采样后，信号得高速解调，也能够有高性能处理平台的具备。

2. L波段射频数字化宽带接收解调的整体设计分析

2.1 整体架构分析

在射频信号成功进入到数字化接收机之后，第一步需要进行的就是滤波、限幅以及放大，而后进行射频信号的调理工作，在调理工作完成之后，信号就会通过多路抗混叠滤波器作用的发挥，将射频信号划分成多个子频带，而在实际划分的过程中，还需要将以下几方面进行重点的关注，一方面，就是频带不适宜进行过多的划分，但是，要懂得将带通采样理论进行充分的结合，这样才能够杜绝因频带过宽，而导致采样后数据信噪比降低问题的出现；另一方面，就是将L波段内各个领域频带使用状况的分析与研究，以规避有用频带处在滤波器边缘情况的产生。与此同时，在一般情况下，高速AD器件量化位数，是在12位之下，而单片的AD的射频采样，难以将领域接收大动态的需求，进行充分的满足，而在射频领域的发展中，射频信号难以进行对数压缩，而为保证数字化接收机动态范围的有效提升，拟用两片AD通道进行拼接的形式来实现。此外，FPGA將数字领域射频信号的滤波解调进行了及时的完成，而接收频率、解调方式以及带宽等则经过控制接口，由FPGA发送控制数据来进行实现和达成的。

2.2 AD的动态扩展分析与探究

单片射频采样AD的采样位数，在一般情况下，是在12位以内，难以及时满足雷达运用领域的接收机高动态需求，而为了保证接收机接收动态的有效提升，需要将射频前端进行两路的划分，其中，信道主要分为A、B两路，这两路的增益是各不相同的，设计增益差在36dB。同时，将双路AD的作用进行充分的发挥，则能够保证双通道大以及小信号的并行采集，这两路的相应采样数据，会在FPGA内实现拼接，在将冗余信息进行及时去除之后，会两路合为一路信号，并直接参与到后续处理工作之中。而通过这两路的增益差，FPGA会及时进行信号幅度的判断，以保证一路AD数据的正确选择，并为解调工作的进行提供支持，需要及时关注的是站在AD量化位数为12的角度入手，数据的切换形式为：

在该计算式中，SDATA所代表的是，在经过通道选择之后的AD采样数据值，总体数位确定为18位，而X本身所代表的是设定门限值，其中如果出现AD1<（4 095-X）的现象时，关于AD1采样数据的选择，基本是应用在后端处理之中的；而如果出现AD1≥（4 095-X）的情况时，因为两路增益差为36dB，就需要将AD2的采样数据向左平移6位的形式，进行及时的利用，以便于进行后端处理。需要注意的是，A路数据与B路数据的作用是完全不同的，前者是用于小信号的接收，而后者则是用于大信号的接收。以通道延时补偿形式的利用，能够将通道相位的一致性进行及时有效的控制，在相应延时补偿已经完成之后，AD的理论接收动态就会有明显增加，从原有72dB变为108dB，接收机动态也就得到了及时有效的扩展。

2.3 AD采样频率的选择与分析

想要保证宽带信号射频采样的实现，一般需要首先进行A/D采样频率的恰当选择，一旦出现采样频率过低的情况，信号频谱就会出现混叠的问题，采样后的信号频谱也需要有足够大过渡带的保留，以保证滤波器设计设计难度得到有效减轻，而带通信号的频谱则如图1所示。

通过对带通采样定理进行分析后发现，一个频带限制在一定区域内（fL，fH）的频率信号X（t），能够以采样率fs的形式，来进行带通采样，最终所得到的频谱，则是fs整数倍，对原始信号开展频谱搬移而产生的结果。在fs能够满足公式： 时，采样后所进行搬移的信号频谱不会产生混叠。而在该公式之中，m的取值是2，3，…而图中B则代表的是fH-fL；其中，fs的取值则需要将以下三点进行及时的考量，①为对解调后脉冲宽度准确度、解调结果准确度作出保证，采样完成之后，目标频率在0-fs频带之内的搬移结果，需要在码元速率频率的两倍以上；②为方便FPGA内部解调中混频以及滤波等环节的工作，在进行多相抽取后，单个滤波器数据率需要在FPGA的最大处理频率以下；③fs变得越高，量化噪声，就会被平均分布到更宽的频带之中，并将基底噪声进行相对降低，需要主义的是，在一定前提条件之下，fs变得越高越好。与此同时，fs应该进行满足条件并在其范围内的偏大值的选择，避免选择边界值情况的出现，以规避因滤波器过渡带过窄情况的产生，而导致的滤波器设计难度增加。

3. L波段射频数字化宽带接收解调的软件设计分析与研究

FPGA软件架构能够划分为信道分离、AD接口以及信号解调三大主要部分，①信道分离一般会将多相抽取带通滤波的形式，进行及时的利用，以保证频率信号的提取质量；②AD接口的作用主要体现在AD数据接收、AD芯片控制、时钟、通道补偿等方面上；③信号解调指的是通用正交解调算法实现的完成，其中包含码反变换、低通滤波、相位输出、正交混频等多个方面；接下来，笔者将针对这几种主要构成部分进行详细阐述。

3.1 信道分离的阐述与分析

即使带通采样能够将采样频率进行降低，但是，从宽带信号的角度出发，这种情况的产生会导致采样结果出现信噪比降低的情况，基于这种现象的产生，也就能够看出保证采样频率提升的关键意义与重要作用。射频AD采样频率，一般能够至每秒数G，如此高速的信号传输，就难以利用常规数字混频、数字滤波器等，来开展滤波、下变频等的处理。而因为采样信号本身是带通信号，如果单独进行采样数据的抽取，并将数据率进行降低操作之后再滤波，信号频谱混叠的情况就会随之出现。

与此同时，多相滤波理论作用的发挥，能够将信道分离、高速信号滤波降速等问题，进行更为完善的解决，而在最新一代FPGA芯片本身乘法器资源就是十分丰富的，将与之并行的处理方式进行及时结合，能够促使射频采样数据信号的多相滤波，在FPGA内部得到迅速实现与达成。而多相滤波所指的是把通用数字滤波器传输函数，进行多个相位组别的划分，而各个相位组则在所对应时间延迟之后，再进行数据的抽取。而因数据抽取后，会有数据率降低情况的产生，单个滤波器的计算所得也会受到影响，产生明显的降低，而最终阶段之中，关于低速率滤波结果的计算，则是对各个滤波器输出结果进行累加的结果。

除此之外，因为射频信号会通过多相滤波器，来进行信道分离作用的实现与达成，而滤波器本身还具备线性相位的特点，在实际利用的过程中，最好以FIR滤波器的使用为主。同时由于在相应抽取工作完成之后，相应数据率基本都在100M/s之上，对于FIR滤波器的应用，就需要注重利用其进行流水线并行计算结构的选择。这种结构中的累加计算，能够和乘法运算一起，进行集成乘法、累加IP核实现等方式的采用，而XILINX的最新一代FPGA芯片，集成DSP48乘法器，是具备自带的累加功能的，其工作的时钟，能够达到400MHz及以上。

3.2 信号解调的研究与探索

关于信号解调的研究与探索，主要表现為，在下级主控设备进行采用、解调频率的指定之后，FPGA的内频点搬移模块就会开始运行，并发挥解调频点信号经由带通采样后搬移频点的计算作用，计算结果所得的频率信息则需要给数字DDC模块进行传递，并促成两路相位差90°本振信号的合成，这种本振信号会以和采样所得射频数字信号进行混频的形式，推进两路正交宽频带信号的产生，而目标解调频点的信息，则会被搬移至基带之中。

4. 结束语

关于L波段射频数字化宽带接收解调的分析与探究，能够促进雷达使用领域的发展，接收机的可靠性、通用性也会有明显的提升，数字相位信息的获取，也会变得更为精准。而本文从射频技术与射频数字化的内涵、L波段射频数字化宽带接收解调的整体设计分析以及L波段射频数字化宽带接收解调的软件设计分析与研究三个角度出发，着重阐述并探析了L波段射频数字化宽带接收解调的具体设计方式，希望能够为我国雷达技术实用领域的发展，提供一定的助力。

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作者简介：张燕翔，湖南湘潭，工程师，研究方向：射频微波信道.