全數字跟蹤接收機的設計與實現

摘要：隨著軟件無線電在中頻領域的廣泛應用，采用數字信號處理技術設計了基于FPGA全數字中頻跟蹤接收機并應用于遙感衛星天線接收系統中。給出了詳細的理論說明和體統組成。該接收機結構簡單，成本低，調試方便。在測試和實際應用中，該跟蹤接收機輸入信號的動態范圍大，AGC和誤差電壓精度等指標較模擬接收機都有顯著的提高。
關鍵詞：自動跟蹤；現場可編程門陣列；數字下變頻；數字濾波器；幅度解調；數字AGC

隨著軟件無線電技術和全數字接收機技術的迅速發展，以及現場可編程門陣列FPGA規模的不斷壯大，用FPGA實現中頻數字跟蹤接收機已經成為必然的趨勢。本文設計的中頻跟蹤接收機中包括了A／D變換，數字正交混頻以及數字濾波等模塊。主要的功能模塊分為中頻接收模塊和誤差信號提取模塊。
經過測試，系統能夠完成單脈沖跟蹤體質天線的自動跟蹤任務，實現了對中頻調幅信號的采樣，下變頻，解調等功能。系統結構簡單，體積小，成本低，有良好的通用性。

1 總體設計
自動跟蹤接收系統是遙感衛星地球站的一個組成部分，它接收來自天線的衛星數據信號(和信號)和角度誤差信號(差信號)經變頻，濾波，放大，檢波，解調后向伺服系統提供所需要的角度誤差信號，控制天線的方位軸，俯仰軸和方位軸向角度誤差小的方向轉動，實現對目標的跟蹤。
其中中頻接收本分完成差信號的幅度檢波輸出視頻信號和信號強度的提取，誤差信號提取模塊完成角度誤差信號的解調，斜率補償、相位補償和時分信號的輸出。

2 數字中頻接收機設計
數字中頻接收機包括中頻采樣、A／D變換、數字AGC、數字下變頻、AM檢波等。原理框圖如圖1所示。

中頻信號經過一個大動態壓控放大器、中頻低噪聲限幅放大器和一個抗混疊帶通濾波器進入A／D采樣，采樣后的數據進入FPGA計算，輸出AGC信號和基帶信號進入下一級。數據在FPGA中完成數字下變，CIC抽取濾波，FIR低通濾波，AM檢波，數字AGC等計算。
2．1 中頻采樣和A／D變換
本文提到的中頻數字跟蹤接收機是70 MHz中頻信號輸入，信號帶寬為12 MHz。輸入信號經抗混疊濾波器后，進行A／D采樣。采用欠采樣的方法來求的適合的采樣率。根據通帶采樣定理，采樣率必須滿足一下條件：

其中，fs是采樣頻率，fh、fl分別是信號的上、下限頻率，BW=fh-fl是信號帶寬，m為正整數，可去的值分別為：2～6。
可見，最低采樣率可以取到25．3～25．6之間，但是采樣率太低會給濾波器的設計帶來難度。最后根據Heisenberg不定性原理來估計采樣率與分辨率的關系，以及采樣率與分辨率對信噪比，ADC動態范圍的影響，計算最佳采樣率(正交采樣)選擇采樣頻率fsopt=56 MHz，分辨率為16位。
2．2 數字下變頻的實現
用56 MHz的采樣頻率對70 MHz的信號進行采樣，帶通采樣相當于將信號以56 MHz的間隔進行頻譜搬移，所以采樣后的信號，只需要下變頻14 MHz就可以得到基帶信號。采樣后的調幅信號與數字本振頻率為14 MHz的正余弦信號進行數字混頻，產生同相和正交兩路基帶信號。同相分量中含有基帶分量和二次諧波分量，只要通過低通濾波器就可以得到基帶分量。正交分量中只包含二次諧波分量，通過低通濾波器可已完全濾除。為了節約系統資源，所以設計NCO只需要產生同相分量。選擇固定系數法來產生正弦信號和余弦信號，避免由于相位截短帶來的誤差。正交本振詳細取值如下：
cos(0)=1；cos(0．5π)=0；cos(π)=-1；cos(1．5π)=0；
sin(0)=0；sin(0．5π)=1；sin(π)=0；sin(1．5π)=-1。
本振信號的幅度值只有{0，1，-1}，用Verilog編程實現直接與ADC輸出相乘實現混頻，這種方法實現數字本振信號精度非常高。