摘要：L波段數(shù)字航空通信系統(tǒng)（L?DACS1）是一種基于正交頻分復(fù)用（OFDM）技術(shù)的多載波傳輸方案。該系統(tǒng)具有頻譜利用率高、抗多徑干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，適用于信號傳輸信道更復(fù)雜的民用航空地?空通信，并作為未來數(shù)字航空通信系統(tǒng)的候選系統(tǒng)之一。研究了L?DACS1系統(tǒng)數(shù)字變頻器的設(shè)計(jì)方案，并基于現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）在Apex-CPCI?5610通信開發(fā)板上實(shí)現(xiàn)了這種方案。測試結(jié)果表明，該方案能夠正確地實(shí)現(xiàn)數(shù)字上/下變頻，能夠滿足L?DACS1系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。
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為了解決地空的數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)增長而帶來的高通信速度要求和高寬帶要求問題，歐洲EUROCONTROL提出了未來航空通信系統(tǒng)（FAC）的候選系統(tǒng)，即L波段數(shù)字航空通信系統(tǒng)類型1和2（L?DACS1和L?DACS2）。其中L?DACS1 系統(tǒng)是一種基于正交頻分復(fù)用（OFDM）技術(shù)，采用頻分雙工（FDD）模式，工作在L波段的多應(yīng)用蜂窩寬帶通信系統(tǒng)。提供雙向點(diǎn)對點(diǎn)尋址數(shù)據(jù)鏈通信，該系統(tǒng)具有頻譜利用率高、抗多徑干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，適用于信號傳輸信道更復(fù)雜的民用航空地?空通信[1]。

數(shù)字變頻器是軟件無線電系統(tǒng)中必不可少的一個模塊，其作用是實(shí)現(xiàn)發(fā)射機(jī)基帶信號的數(shù)字上變頻及接收機(jī)A/D輸出信號的數(shù)字下變頻。本文通過研究L?DACS1協(xié)議[2]內(nèi)容，針對L?DACS1系統(tǒng)的特點(diǎn)，基于Xilinx公司的FPGA開發(fā)板平臺實(shí)現(xiàn)了L?DACS1系統(tǒng)變頻器。

1 數(shù)字變頻器的方案

本設(shè)計(jì)利用Matlab整定濾波器參數(shù)[3]，并利用Verilog HDL 語言編程，在ISE 開發(fā)環(huán)境下構(gòu)建系統(tǒng)模型，用ModelSim 仿真軟件進(jìn)行仿真驗(yàn)證，最后下載到Apex?CPCI?5610通信開發(fā)板的V5芯片中，借助示波器和頻譜儀對數(shù)字變頻器進(jìn)行進(jìn)一步驗(yàn)證。

在L?DACS1 系統(tǒng)中，基帶信號的帶寬為249 kHz，采樣率為625 kHz，根據(jù)系統(tǒng)要求及所用的開發(fā)板的性能將基帶信號數(shù)字上變頻到30 MHz的載波上，采樣率為150 MHz。

圖1顯示給出了基帶信號數(shù)字上變頻到中頻30 MHz的步驟框圖。基帶輸出的信號采樣率為625 kHz，由625 kHz的采樣率變?yōu)?50 MHz的采樣率，采樣倍數(shù)提高了240倍。本設(shè)計(jì)中選擇的上變頻方案為：首先經(jīng)過4級半帶濾波器的內(nèi)插使采樣率變?yōu)?0 MHz，實(shí)現(xiàn)低速率的內(nèi)插；再經(jīng)過一個FIR濾波器的3倍內(nèi)插，采樣速率變?yōu)?0 MHz；最后經(jīng)過一個適合在高采樣率條件下工作的CIC濾波器的5倍內(nèi)插，采樣率變?yōu)?50 MHz，同時調(diào)用DDS IP核，產(chǎn)生頻率為30 MHz，采樣率為150 MHz的正余弦信號，分別與Q路和I路信號相乘，將兩路信號的相乘結(jié)果相加并經(jīng)過D/A變換便得到30 MHz的中頻信號。

圖1 數(shù)字上變頻方案框圖

圖2顯示給出了中頻30 MHz信號數(shù)字下變頻到基帶信號的步驟框圖。與數(shù)字上變頻相反，采樣速率降低240倍，本設(shè)計(jì)中選擇的方案為：中頻信號經(jīng)過A/D變換后分別與本地載波信號相乘，產(chǎn)生I和Q兩路基帶信號，首先經(jīng)過CIC濾波器的5倍抽取，采樣速率變?yōu)?0 MHz；之后再經(jīng)過CIC 的6 倍抽取，采樣率變?yōu)? MHz；以上兩個CIC濾波器實(shí)現(xiàn)了前端抗混疊的抽取，此時采樣率降到了較低的頻率，最后再經(jīng)過3級半帶濾波器的抽取即可得到采樣率為625 kHz的基帶信號，由于半帶濾波器工作在較低的頻率下，且濾波器的參數(shù)得到了優(yōu)化，更容易以較低的階數(shù)實(shí)現(xiàn)。

圖2 數(shù)字下變頻方案框圖

2 數(shù)字變頻器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 NCO的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
在數(shù)字變頻器中，本地震蕩信號是通過DDS（Direct Digital Frequency Synthesis）產(chǎn)生的[4]。DDS 的基本原理是利用采樣定理，通過查表法產(chǎn)生波形，DDS的結(jié)構(gòu)有很多種，其基本的電路原理如圖3所示。

圖3 DDS結(jié)構(gòu)框圖

圖4 給出了DDS 產(chǎn)生的本地載波信號波形圖。由圖4可以觀測出，NCO可以產(chǎn)生并輸出標(biāo)準(zhǔn)的正余弦波形，其中第一路是余弦，第二路是正弦。

圖4 本地載波信號

2.2 CIC濾波器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
CIC濾波器由積分器、抽取器（插值器）和梳狀濾波器組成[5]。CIC濾波器的沖擊響應(yīng)具有如下形式：

以抽取為例，當(dāng)CIC 濾波器階數(shù)（M）與抽取倍數(shù)（D）相等時可以實(shí)現(xiàn)CIC濾波與抽取過程同時進(jìn)行，從而達(dá)到減小運(yùn)算量節(jié)約硬件資源的目的。因此在本設(shè)計(jì)中選擇濾波器的階數(shù)和抽取（內(nèi)插）因子一致。

根據(jù)以上分析可知，設(shè)計(jì)CIC 濾波器時需要考慮兩個參數(shù)，分別是濾波器的抽取（內(nèi)插）因子和級聯(lián)數(shù)目，其影響著阻帶衰減等性能。

圖5 5級CIC濾波器幅頻特性（階數(shù)M=5）

2.3 半帶濾波器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
半帶濾波器是一種特殊的FIR濾波器（一半的系數(shù)是0），濾波器的通帶和阻帶對稱，即通帶容限和阻帶容限相等，特別適合作變換因子為2N 倍的抽取或內(nèi)插運(yùn)算，計(jì)算效率高，本設(shè)計(jì)采用最優(yōu)化等波紋法設(shè)計(jì)濾波器，不僅可以減小濾波器的采樣點(diǎn)數(shù)，還具有很強(qiáng)的優(yōu)越性[6]。

在多級半帶濾波器系統(tǒng)中，因每級濾波器后均需要進(jìn)行2倍抽取（內(nèi)插），又因各級半帶濾波器要求通帶容限與阻帶容限相同，因此可令容限δ 為：

式中：D 為抽取系統(tǒng)總的抽取（內(nèi)插）因子。在本設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)系統(tǒng)的通帶容限和阻帶容限均為0.001。

3 系統(tǒng)的建模與仿真

為了驗(yàn)證數(shù)字變頻器的正確性，本設(shè)計(jì)中，對變頻器輸入一個頻率為125 kHz，采樣率為625 kHz 的正弦波，用ModelSim對變頻器進(jìn)行仿真：

圖6給出了在激勵信號的作用下，變頻器的時序仿真圖。由于I，Q兩路的模塊是一樣的，在此只看I路。其中第一路是輸入的激勵信號源采樣率為625 kHz；第二路是經(jīng)過數(shù)字上采樣的信號，采樣率變?yōu)?50 MHz；第三路是經(jīng)過數(shù)字上變頻輸出的中頻信號；第四路是數(shù)字下變頻輸出的基帶信號，采樣率為625 kHz。由圖6可以觀測出，變頻器正確地實(shí)現(xiàn)了數(shù)字上下變頻。

圖6 系統(tǒng)時序仿真圖

圖7 給出了示波器觀測到的L?DACS1 系統(tǒng)數(shù)字上變頻后的中頻信號時域波形圖，為了進(jìn)一步驗(yàn)證數(shù)字上變頻的正確性，用頻譜儀對中頻輸出信號進(jìn)行觀測，結(jié)果如圖8所示。

圖7 示波器觀測L?DACS1系統(tǒng)中頻信號波

圖8 頻譜儀觀測L?DACS1系統(tǒng)的中頻信號頻譜

圖8 顯示的是頻譜儀觀測的L?DACS1 系統(tǒng)數(shù)字上變頻后信號的頻譜圖。由圖8可以觀測出，頻譜的寬度是498 kHz，中頻在30 MHz，符合L?DACS1設(shè)計(jì)規(guī)范，進(jìn)一步驗(yàn)證了數(shù)字上變頻的正確性。

4 結(jié)語

數(shù)字變頻器是整個軟件無線電中最為關(guān)鍵的信號處理模塊之一，本設(shè)計(jì)采用模塊化的思想，對變頻器的整體設(shè)計(jì)方案進(jìn)行不斷優(yōu)化，同時對數(shù)字振蕩器、CIC濾波器、HB 濾波器等模塊建立模型，不斷地仿真和驗(yàn)證，修改參數(shù)濾波器參數(shù)，最后建立了性能最佳的數(shù)字變頻器。把數(shù)字變頻器應(yīng)用到L?DACS1 系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)了整個系統(tǒng)的正確傳輸，取得很好的效果，因此本設(shè)計(jì)具有較高使用價值。