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宽带数字接收机关键技术研究及系统实现

王洪  
【摘要】: 数字化技术的高速发展使宽带数字接收机的研制成为可能,同传统的模拟接收技术相比,它具有高分辨率、高可靠性、抗干扰能力强、灵活可变等许多优点。宽带、大动态范围、高灵敏度的数字接收机在数字阵列雷达、雷达成像、深空探测、反隐身、高概率截获和宽带通信中有着广阔的应用前景。在软件无线电理论中,要求A/D和D/A尽可能靠近天线,数字化后的信号用通用、开放的硬件平台或软件进行处理,宽带数字接收机也是实现软件无线电的关键环节。因此,研究高性能的宽带数字接收机,对适应现代复杂电磁环境和各种无线电接收需求都具有十分重要的意义。 宽带数字接收机在中频(或射频)直接采样,采样间隔一般在ns级,不仅对ADC的速度和精度有严格要求,更重要的是对后续数字信号处理和整个系统的协调工作带来了很大的压力。同时,带宽越宽,接收机受到的干扰越大,系统的动态范围和灵敏度等性能随之下降。本文围绕宽带数字接收机设计与实现中的关键问题展开了深入研究。多片ADC并行采集是数据采集技术的研究热点,为宽带数字接收机所需的高速高精度数据采集提供了一种解决方案,本文分析了并行采集系统中存在的通道不均衡问题及其影响,提出了相应的解决方法,并试制了一套由两片AD9430拼接的采集系统。在接收机的体系结构上,提出了四种计算量少、并行程度高、资源消耗少的高效接收机结构,并讨论了NCO数据的实时产生方法和CIC滤波器的改进结构。动态范围是接收机的关键技术指标,本文讨论了动态范围和灵敏度的折衷关系,分析了AGC的迭代模型和环路特性,给出了两种大动态接收机设计方案。信道化是宽带数字接收机的另一种实现途径,本文提出了信道化接收机的WOLA结构和树形结构;IFM接收机和信道化接收机的结合,解决了信道化接收机的信道模糊问题和频率精度低的问题。在系统实现上,设计了一套通用的接收机硬件平台,实现了三种不同结构,带宽分别为30MHz、50MHz和100MHz的数字接收机,并进行了指标测试。 本文的主要创新点: (1)分析了并行采集系统中通道失配误差对信号频谱和采集系统性能的影响,提出了基于DFT的频域误差测量算法和基于时间统计特性的时域误差测量算法,采用FARROW结构实现了误差的校正和补偿,并证明了时间交替并行采集是QMF滤波器组并行采集模型的特殊形式。 (2)对宽带数字接收机的下变频器,提出了混频后置结构、最小公倍数结构、二次变频结构和2倍抽取结构,降低了FPGA实现中DDC的工作速率和资源消耗。采用CORDIC算法实现了NCO数据的实时产生,提出了余弦预滤波、解递归和锐化的改进CIC滤波器,可用于参数捷变数字接收机的实现。 (3)分析了动态范围、灵敏度和射频增益之间的折衷关系,给出了四种迭代型AGC模型,并推导了几种模型的收敛性和收敛条件,在此基础上提出了两种实用的大动态数字接收机设计方案。 (4)提出了信道化接收机的WOLA结构和树形结构,并给出了多相DFT结构在奇型和偶型划分、临界和非临界抽取下的一般性推导过程及相应结构;给出了IFM接收机和信道化接收结合的模型,利用瞬时测频的优点解决了信道化接收机的信道模糊问题和频率精度低的问题。 (5)采用两片AD9430实现了两路ADC并行采集系统,误差测量和校正在FPGA中完成,在工作到最大采样率400MHz时,系统的有效位数达到9.26bit,无杂散动态范围达到60dB。 (6)采用AD12400和Xilinx 200万门的FPGA构建了宽带数字接收机的通用硬件平台,以三种不同结构实现了带宽分别为30MHz、50MHz和100MHz的数字接收机。


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