一种多通道数字接收机的设计与测试方法_史磊.pdf
《一种多通道数字接收机的设计与测试方法_史磊.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《一种多通道数字接收机的设计与测试方法_史磊.pdf(7页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、设计了一种可用于测控系统的多通道数字接收机,结合性能指标测试,表明该接收机具有有效性和通用性。重点阐述了该多通道数字接收机设计组成和下属各模块的设计原理,通过对幅度相位一致性、短路噪声、固定增益和采集预处理效果等接收机关键性能指标开展仿真测试和数据分析,给出某型测控设备中的实际测试结果,验证了设计的多通道数字接收机满足某型测控系统实际使用需求。针对特定功能的测控系统,可通过尝试调整接收机相关模块的设计参数,为特定功能接收机设计提供参考。关键词:多通道;数字接收机;信号调理;采集预处理中图分类号:TP29文献标志码:A文章编号:1000 8829(2023)07 0080 07doi:10 19
2、708/j ckjs 2022 10 309Design and Test Method of a Multichannel Digital eceiverSHI Lei,YAN Huaibin,YU Junshen(Shanghai Marine Electronic Equipment esearch Institute,Shanghai 201108,China)Abstract:A multichannel digital receiver for measurement and control system is designed Combined with theperforman
3、ce index test,the effectiveness and universality of the receiver are shown The design composition ofthe multichannel digital receiver and the design principle of its subordinate modules are emphasized Throughthe simulation test and data analysis of the key performance indexes of the receiver,such as
4、 amplitude andphase consistency,short-circuit noise,fixed gain and acquisition preprocessing effect,the actual test results in acertain type of measurement and control equipment are given,which verifies that the designed multi-channeldigital receiver meets the actual use requirements of a certain ty
5、pe of measurement and control system Themeasurement and control system with other specific parameters can provide reference for the design of the re-ceiver with specific functions by trying to adjust the design parameters of receiver related modulesKey words:multichannel;digital receiver;signal cond
6、itioning;acquisition preprocessing伴随着单片微波集成电路、微组装技术、A/D 采样电路、大规模可编程逻辑电路、多通道数字接收技术的快速发展,数字接收机几乎已经可以完全取代模拟接收机,成为当前接收机技术发展的主要方向。近年来,国内相控阵雷达技术的发展也是日新月异,尤其是数字阵列技术日益成熟,多通道接收机对通道间特性,例如通道隔离度、多通道幅相特性和多通道同步等都有着严格的要求1。现代通信技术的快速发展对接收机性能提出了更高的要求,除了要求接收天线具有很宽的带宽、接收机具有很高的数据传输速率外,还要求接收机拥有同时处理多路信号的能力。多通道信道化数字接收机具有高精
7、度、高灵活性、大动态范围和小尺寸等优良特性,并且能够同时处理多路信号,是当前无线电通信领域的一个研究热点,其基本的思想是通08过模数转换器(Analog-to-Digital Converter,ADC),将接收到的信号数字化,以便后续能够通过数字信号处理技术实现变频、滤波等一系列操作,进而形成一个通用开放可编程的平台2。接收机是通信测控系统中的重要组成部分,其性能的优劣直接影响整个系统的数据通信质量。传统的接收机多采用模拟方法实现,受限于模拟器件的发展趋势,信号中频率、相位等决定系统性能的精细信息不易捕获。随着现代电子技术的快速发展,诸如功能强大的高速数字信号处理器(DSP、FPGA)、宽带
8、低噪声放大器及高速 A/D 转换器等都为发展高性能接收机提供了技术支撑。数字接收机就是基于现有数字器件发展基础之上,采用更为灵活、针对性更强的信号处理方法,从转换输出的数字化数据中提取更多匹配算法的信息,鉴于数字化数据的非易失性,结合数字存储技术,许多针对特定信号处理算法的有效数据(例如信号测向估计、信号分类识别、谱估计等现代信号处理算法)均可在已获取的数据中开展进一步的分析和处理。此外,数字接收机使得测控系统具备功能扩展的特性,在不改变可编程逻辑器件的情况下,仅须依据系统的特定功能性能参数在可编程数字器件中更改软件或逻辑,就可完成对物理量的分析识别、特征提取和参数测量。本文设计的一种基于可编
9、程逻辑器件和宽带低噪声放大器的多通道数字接收机是针对某型测控系统特定功能性能,对多通道传感器模拟信号进行调理转换和采集,根据特定算法开展数据预处理的仿真、实现与测试,给出的实际测试结果满足某型测控系统功能性能需求。1设计概述数字接收机接收到的目标回波信号强度较弱,频率分布范围较宽,容易受到各种噪声干扰,目前数字接收机的设计都朝着低噪声、高灵敏度、大动态范围、模块化设计和采用数字增益控制的方向发展3。在目前的通信侦察中,对侦查距离提出了越来越高的要求,在远距离侦查中接收端实际接收到的信号已经十分微弱,此时环境噪声和仪器底噪都将对接收信号造成很大的影响,侦察设备需要在这种情况下将远端的微弱信号从噪
10、声中提取出来,并对其进行识别。以上这些都对识别设备的灵敏度和抗噪能力提出了新的要求。在输入信号未知、侦查距离动态变化的复杂环境下,利用自动增益控制技术消除接收距离带来的信号能量动态变化的影响,将接收信号控制在一定范围之内。之后通过载波估计技术,去除接收信号的频偏。经过位同步技术同步收发时钟,最后通过载波同步跟踪剩余频偏,解调出基带信号4。本文设计的一种数字接收机是将多通道传感器信号经信号调理和高速数据采集后,转换成数字信号,并完成正交解调和低通滤波等预处理,通过千兆以太网络接口上传数字化数据至系统专用信号处理平台。该型数字接收机主要由 1 块接收电源模块、6 块信号调理模块、1 块信号采集预处
11、理模块和相关母联接口组成,如图 1 所示。图 1某型系统数字接收机硬件设计框图该型数字接收机完成对 96 路传感器接收的信号滤波、放大、增益控制、A/D 转换、正交解调和数字滤波等,并将转换后的数据与传感器信号一起编码传输,通过光纤送至系统专用信号处理平台。所有板卡插在带有接插件的母联接口实现板间连接、供电和通信。信号调理模块由 96 通道传感器信号接收电路组成,传感器输出的信号通过前置放大器、带通滤波器、可变增益放大器、时间可变增益(Time Variable Gain,TVG)模块、后置放大器电路处理后送至采集传输预处理模块。采集传输预处理模块是该型数字接收机的核心,不仅控制着信号采集时序
12、和采集之后的数据传输,还负责提供满足后续专用算法的正交解调、低通滤波和快速傅里叶变换(Fast Fourier Transform,FFT)等数据预处理功能,并将最终预处理数据通过千兆以太网上传,由于采用了多信道并行处理的方式,显著地增加了单台数字接收机的信息处理容量。而正交解调、低通滤波和离散时间傅里叶变换处理等工作都在 FPGA 中完成,显著地降低了接收机的硬件复杂程度,提高了信号的实时处理能力和信号的截获概率。为了提高设计的质量,合理设计各种参数,系统在前期论证的时候采用了大量的理论仿真,最终确定了系统对输入中频信号的算法处理流程和具体的参数5。2设计方案数字接收机主要由信号调理模块、信
13、号采集预处理模块和接收电源模块等部分组成。信号调理模块利用电压正反馈的设计思路,利用级联设计法,设计八阶巴特沃斯低通滤波器。该电路选用 AD8032 为电路中运算放大器的芯片型号,将其与交流电压源、电阻、电容相连形成一个二阶低通滤波器。串联 4 个二阶低通滤波器形成八阶巴特沃斯低通滤波器6。基于宽带18一种多通道数字接收机的设计与测试方法低噪声放大器的工作特性,搭配 96 通道传感器信号,完成对信号采集的前置、后置放大和增益控制等功能;信号采集预处理模块主要基于 Xilinx 公司 Virtex-5 系列 FPGA 芯片作为主控芯片开展设计,其内置用于构建大型阵列的 FIFO 逻辑,逻辑单元多
14、达 330 000个7,用于控制 A/D 转换器完成信号采集的时序控制、正交解调和低通滤波等数据预处理功能。此外,数模混合集成电路将高性能模拟单元和专用数字逻辑控制单元集成在单个芯片上,具有集成度高、面积小和功耗小的优点。但是,如果在应用时电源端没有放置合适的滤波电容,可能会导致电源线上存在谐振引入的纹波干扰,进而影响电路性能,甚至造成整体功能异常8,故接收电源模块按照 96 路传感器接收通道所须功率和纹波噪声精度要求,为保证数字接收机长期稳定工作,对模拟和数字供电电源均进行近似对半降额处理,采用 DC/DC 模块完成接收机的高压直流电与低压直流电的转换和隔离。2 1信号调理模块对于高速数据采
15、集系统前端的模拟信号调理电路,将传感器的输出信号转换为数据采集系统可处理的信号,实现信号过压保护、幅度的粗细调节、阻抗匹配、偏置电压调节、共模电压产生、单端转差分和抗混叠滤波等功能9。本文的信号调理模块采用分级设计,输入级采用宽带低噪声差分放大器,保证某系统输入灵敏度为 0 5 V 的要求。第 2 级采用电压控制型增益控制电路,增益控制范围满足某系统 40 32 dB的要求,其后为一级放大,用以消除增益控制芯片和滤波器芯片直连带来的相互影响,同时引入通道自检信号,带通滤波采用 Butterworth 滤波器,虽然阻带衰减带比较宽,但其带内起伏小、相移小,最后一级为后置放大和射随器,用以解决与
16、A/D 转换器的输入阻抗匹配问题。信号处理模块通过增益曲线控制信号调理模块中增益补偿电路,补偿某系统测距距离损失,完成系统增益实时控制功能。信号调理模块原理框图如图 2 所示。图 2信号调理模块原理框图输入级和接收换能器直接相连,前置放大器选用SSM2019 低噪音的差分仪器放大器,它的噪音为 1nV/Hz(1 kHz),共模压制比高,同时,为防止大信号的冲击,在输入端并联一组正反向的低压降二级管,以保护第 1 级放大器。接收机中广泛采用自动增益控制电路,可以实现在输入电平动态变化时输出电平稳定,输入电平大时降低增益,输入电平小时提高增益10。为保证某型测控系统被测目标强度信息从近到远均匀分布
17、,以及量程范围内目标回波都能被 A/D 转换器采集获取,系统采用归一化放大,即采用压控增益放大器控制接收机电路的增益。控制芯片采用 TI 公司的宽带连续可变的电压控制增益放大器 VCA810AID,带宽为 25 MHz,增益的可调范围为 40 40 dB,控制信号幅度电压范围为 2 0 V,基本呈线性规律。同时,此芯片误差小,能很好地满足数字接收机多通道幅度和相位一致性的要求。VCA810AID 的功耗相对较大,为了控制系统功耗,设计中在系统空闲状态或数据处理期间,控制电压始终处于低电压状态,减小 VCA810AID 的电流消耗,进而降低能耗。由于多通道数字接收机需要保证相位一致性和通带内幅度
18、起伏的要求,若接收机各通道的相频特性不好或各通道之间的相位一致性差,会直接影响到系统的精度11。中频噪声发生器的信号通带内平坦度和截止频率指标将会影响被测量的测量准确度,设计思路是采取模拟滤波加数字滤波的方法12。综合考虑后,该型数字接收机信号调理模块选用模拟带通滤波器实现信号滤波功能,即采用 Butterworth 带通滤波器,通带内幅度平滑和相位一致性较好,阻带衰减略差,可通过提高其阶数来解决。带宽根据某型系统 15 kHz要求,带通滤波器由 4 片四运放搭建而成 8 阶 Buttor-worth 带 通 滤 波 器 实 现,设 计 采 用 凌 特 公 司 的LTC1562,其滤波特性如图
19、 3 所示。图 3LTC1562 滤波特性LTC1562 主要特点是封装较小,功耗低,由 4 个二阶滤波模块组成,可构成八阶带通滤波器,数字接收机中的带通滤波器由 LTC1562 和一级运放组成,构成十28测控技术 2023 年第 42 卷第 7 期阶 Butterworth 带通滤波器,以满足通带內频响特性的要求。2 2信号采集预处理模块信号采集预处理模块主要有数据采集和信号预处理 2 个功能。随着载波频率、信号带宽的提高,多通道系统对传输速率、数据处理能力的要求越来越高。由于高速信号同步采集困难,通道间相位一致性差、数据无法对齐,多通道数据采集技术显得尤为重要。FPGA以并行的计算方式,可
20、以实现多路数据并行处理,还拥有逻辑资源丰富、电平接口齐全等特点。基于 FPGA的优势特征,设计了以 FPGA 为核心的高性能多通道高速数据同步采集设备13。本文设计的数据采集功能主要由 96 通道 A/D 电路组成,通过 A/D 时钟信号、转换使能信号、A/D 状态信号、数据总线等进行控制和数据转换输出,A/D 电路分为数字供电和模拟供电 2 个部分,相互之间要进行隔离处理,单点接地的设计原则保证将高速数字信号对模拟信号的干扰降至最低,A/D 输入端采用 C 低通滤波处理可有效降低高频干扰信号(如高频镜像干扰信号)的影响,将尽可能地增强模拟差分对的抗共模干扰效果,高速数字信号通信可保证高精度
21、A/D 转换结果无失真地传递至数字处理芯片中进行后续运算处理。该设计中 A/D 芯片选用 ADI 公司的 AD7656-1。该芯片内集成了 6 个16 位、快速、低功耗、主次逼近型 A/D,内核采用4.5 5.5 V 单电源供电,最高吞吐量可达 250 kS/s,该芯片还内置低噪声宽带采样保持放大器,可处理最高 8MHz 的接入频率。AD7656-1 的转换过程与数据采集由 CONVST 信号和内部振荡器进行控制,3 个 CON-VST 引脚允许 3 对 A/DC 独立地进行同步采样,AD7656-1 同时具有一个高速并行接口和一个高速串行接口,为器件与 FPGA 接口创造了条件。信号预处理功
22、能主要由高速 FPGA 完成,选用Xilinx 公司的 Virtex-5 系列 VSX50T 芯片,采用串行流水线工作模式,对 96 通道数字信号进行时序控制。每通道传感器信号调理并采集后,首先经过正交解调,采用 FPGA 实现时,正交 I/Q 解调方式实现简单、实时性好,具有平滑功能,且占用 FPGA 资源少14;其次,滤波器是数字信号处理系统和通信系统重要的组成部分,主要用来提取各个子带信号,为后续处理做准备。目前比较常见的为余弦调制滤波器、离散傅里叶变换调制滤波器和多相滤波器15,本文采用离散傅里叶变换调制滤波器和多相滤波器构成的低通滤波器组;最后,输出包含实部与虚部的复包络信号,供后续
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 一种 通道 数字 接收机 设计 测试 方法 史磊
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。