马 竞
(广州海格通信集团股份有限公司,广东 广州 510663)
按照国际电信联盟无线电通信组标准化组织的频段划分,短波指波长在10 ~100 m、频率为3 ~30 MHz 的无线电波[1]。短波通信具有使用方便、组网灵活、价格低廉以及通信距离远等优点,因此应用广泛。现代短波通信正朝着数字化、小型化方向发展。文章设计一种基于现场可编程逻辑门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)的单边带短波通信系统,具有电路简单、体积小、载波参数可灵活设置及指标性能良好等优点。
在短波通信系统中,幅度调制是一种应用最广泛的调制方式。幅度调制主要是由基带信号控制高频载波的幅度,使其随基带信号做线性变化。如果基带信号的时域表示为x(t),t为时间,则载波信号可以表示为
式中:ωc为载波频率。基带信号与载波信号相乘得到双边带幅度调制信号SDSB(t),即
与式(2)对应的双边带幅度调制信号SDSB(ω)的频域表达式为
式中:X(ω+ωc)为双边带下边带部分的频域表达式;X(ω-ωc)为双边带上边带部分的频域表达式。从式(3)可以看出,双边带的上下边带信号中都含有基带信号的所有信息。因此,只需传输一个边带,即完成单边带调制。
本系统采用相移法实现单边带调制。相移法是利用相移网络对载波信号和调制信号进行适当的相移,以便在合成过程中抵消其中的一个边带,从而获得单边带信号。相移法无须使用滤波器,具有陡峭的截止特性,无论载频有多高,均可一次实现单边带调制[2]。当给定信号的所有分量相位角发生±90°的变化时,得到的时间函数被称为该信号的希尔伯特转换(Hilbert transform),也被称为正交滤波器[3]。
采用相移法单边带调制时,需要将基带信号x(t)的一半与载波信号cos(ωct)相乘,得到Ⅰ路信号,即
x(t)的另一半通过希尔伯特滤波器,即的宽带相移网络后得到,并与同样相移的载波信号sin(ωct)相乘,得到Q 路信号,即
最后Ⅰ路和Q 路信号相加或相减得到单边带信号SSSB(t)。相移法产生单边带信号的具体过程如图1所示。
图1 相移法产生单边带信号
FPGA 具有高性能和实时性、高集成性、高可靠性、低成本、高灵活性以及低功耗等优点[4]。因此,本系统结合了FPGA 芯片与外围模拟接口电路,以实现对全部信号的数字调制解调功能。同时,采用零中频技术,直接将基带信号调制为射频信号,从而减少了中频相关电路、系统体积和中频的干扰。系统发端包括基带模数转换器(Analog to Digital Converter,ADC)电路、FPGA 芯片、射频数模转换器(Digital to Analog Converter,DAC)电路以及功率放大电路,而收端主要包括滤波电路、射频ADC 电路、FPGA芯片以及基带DAC 电路。基于FPGA 的单边带通信系统的组成如图2 所示。
图2 基于FPGA 的单边带通信系统
在系统发端,ADC 对模拟基带信号进行采样,并将其转换为数字信号。数字基带信号进入FPGA 芯片,由FPGA 实现单边带调制,同时将基带信号搬移到短波载波频率,实现信号的上变频。经过调制后的信号经过射频DAC 电路转化为模拟信号,经过功率放大后由天线发射出去。
在系统收端,天线接收的射频信号经过滤波后,通过射频ADC 电路进行采样并转换为数字信号。然后由FPGA 芯片对该信号进行下变频、解调等处理,并经基带DAC 还原为模拟基带信号。
基于FPGA 的单边带短波通信系统的发端,模拟基带信号被采样为数字基带信号。为确保完整保留模拟信号中的全部信息,数字信号的采样频率应为系统中最高信号频率的2 倍以上。该系统主要用于传输语音信号,信息频率主要集中在0.3 ~3.3 kHz,因此选择19.2 kHz 的采样率对基带信号进行采样。
由于短波通信最大频率为30 MHz,根据奈奎斯特定理,射频信号的采样率至少为60 MHz。本系统射频采样率为78.643 2 MHz,因此需要将信号采样率从基带的19.2 kHz 插值到78.643 2 MHz,即插值4 096 倍。为去除因插值而产生的频谱扩展信息,需要在插值后级联适当的滤波器。数字信号进入FPGA芯片后分为Ⅰ路和Q 路进行插值、滤波、与载波相乘等操作,以合成一路单边带信号。首先,需要将Ⅰ路信号插值16 倍至307.2 MHz。其次,经过一个通带为0.300 ~3.3 kHz、带外抑制为-120 dB 的带通滤波器,以滤除带外无用的信号和噪声,提高有用信号的纯净度。再次,插值32 倍至9.830 4 MHz。为了滤除插值过程引入的带外信息,选择使用半带滤波器组。半带滤波器有大约一半的系数为0,可以有效地节省FPGA 的乘法器资源。最后,插值8 倍并采用3 级级联积分梳状滤波器(Cascade Integrator-Comb,CIC)进行滤波。
基带信号同样插值16 倍,并经过希尔伯特滤波器转换为Q 路信号。通常将希尔伯特滤波器设计成与Ⅰ路参数相同的带通滤波器,使其具有相移的功能,并滤除带外无用的信号和噪声。希尔伯特滤波器与Ⅰ路的带通滤波器阶数相同,以确保两路信号时延一致。之后经过和Ⅰ路完全相同的插值和滤波处理,使采样率提升至78.643 2 MHz。
本系统采用直接数字频率合成(Direct Digital Frequency Synthesis,DDS)技术,插值后的信号直接与载波信号相乘即可完成信号的上变频。数字控制振荡器(Numerically Controlled Oscillator,NCO)用于产生可控的正弦波或余弦波。DDS 与NCO 两者都是软件无线电的重要组成部分,是数字变频和正交解调的核心单元,也是决定数字调制与解调是否成功的主要因素[5]。使用FPGA 开发软件中的IP CORE以生成NCO,并产生本系统需要的载波信号cos(ωct)和相移的载波信号sin(ωct)。通过配置NCO 的参数,可以输出2 ~30 MHz 短波频段内任意频率的载波信号。Ⅰ路和Q 路信号与NCO 产生的载波信号cos(ωct)和sin(ωct)直接相乘,并使用加法器得到单边带信号。单边带信号在发端FPGA 的信号处理流程如图3 所示。
图3 发端FPGA 信号处理
收端的FPGA 信号处理是发端信号处理的逆过程。
在收端,天线接收的射频模拟信号经过射频ADC 电路采样进入FPGA 芯片,与FPGA 内部NCO产生的载波信号相乘,并进行抽值和滤波处理。为降低滤波器实现复杂度和FPGA 资源的使用频率,抽值滤波器采用半带滤波器和CIC 滤波器来实现。接收端的半带滤波器和CIC滤波器信号也采用同样的设计,以简化系统设计。抽值到基带后,通过希尔伯特滤波器进行相移以实现带通滤波,并进行相加或相减操作将信号还原为解调的基带信号。
本系统的收端还设计有自动增益控制(Automatic Gain Control,AGC)模块,以检测接收信号的大小、调整接收增益,从而得到幅度稳定的基带信号。单边带信号在收端FPGA 的信号处理流程如图4 所示。
图4 收端FPGA 信号处理
本系统可根据需求配置FPGA 中的NCO 参数,使NCO 可以输出频率为2 ~30 MHz 的载波。这些载波的频率间隔可设置为1 Hz,从而实现在短波频段内的单边带调制通信。设置FPGA 中NCO 的参数,使载波频率为2 MHz、15 MHz、30 MHz。测试系统输出的3 种载波频率单边带调制信号的载波抑制和边带抑制指标如表1 所示。
表1 系统部分技术指标
由表1 可知,该系统的载波抑制和边带抑制指标均低于-80 dB,调制效果良好。
FPGA 芯片正在不断进化,朝着容量更大、体积更小、速度更快的方向发展。与此同时,利用FPGA芯片实现通信系统的数字信号处理技术日趋成熟。因此,文章设计的基于FPGA 的单边带短波通信系统具有诸多优势。FPGA 具有可重新配置的硬件,能容纳大量的门电路和逻辑元件,可以通过配置参数,实现短波全频段通信;具有较低的功耗和较高的集成度,可以有效降低系统的能耗,以提高系统的性能和稳定性;具备高度可靠性和可编程性,使得系统的维护和升级变得更加方便。该系统在灵活性、能效性、稳定性以及可维护性方面具有显著优势,可应用于多种短波通信场景。