[实用新型]一种基于FPGA的超宽带射频数字接收机装置

说明书

(一)技术领域

本实用新型涉及一种基于FPGA(现场可编程门阵列，Field ProgrammingGates Array)的超宽带射频数字接收机装置。属于通信领域。

(二)背景技术

超宽带(UWB：Ultra Wide Band)的概念首先由美国军方于1989年提出，2002年4月，美国联邦通信委员会给出了超宽带信号的两种定义，一种是信号的-10dB绝对带宽不小于500MHz，另一种是信号的-10dB相对带宽不小于20％。信号带宽满足超宽带信号定义的系统统称为超宽带系统。

超宽带通信的最主要的优点是可以获得极低的类似于高斯白噪声的功率谱密度，基本不影响现有的无线通信系统，从而可与之共存以提高频谱利用率。由于超宽带信号的带宽很宽，因此超宽带通信可用很低的发射功率达到传统窄带通信无法达到的数据速率。

然而优点也是缺点，极低的功率谱密度使超宽带信号的检测十分困难，而且信号动态范围较大，需要高动态范围的发生电路：发射机简单，但接收机却复杂耗电；信号的捕获和同步时间较长等等。针对上述问题，本实用新型设计一种合理的接收机装置及其实现方法，来满足高速超宽带信号处理的要求。

传统的接收机采用的是模拟电路的结构，其基本思想是将射频信号通过混频变为中频信号，而后将中频信号进行滤波，通过二次混频将信号频谱搬移到零中频处，进行宽带处理后送于用户接口。随着数字化的发展，特别是硬件技术的提高，软件无线电技术(Software Radio)逐渐发展为主流。软件无线电的基本思想是以一个通用、标准、模块化的硬件平台为依托，通过软件编程来实现无线电的各种功能，从基于硬件、面向用途的无线通信机设计中解放出来。功能软件化的实现势必要求减少功能单一、灵活性差的硬件电路，尤其是减少模拟环节，把数字化处理(A/D和D/A转换，即模拟/数字转换和数字/模拟转换)尽量靠近天线。软件无线电强调体系结构的开放性和全面可编程性，通过软件更新改变硬件的配置结构，实现新的功能。软件无线电采用标准的、高性能的开放总线结构，以利于硬件模块的不断升级和扩展。与模拟系统相比，数字系统中不存在温度漂移增益变化和直流电平漂移等现象，具有更好的性能以及更强的灵活性，接收机作为电子系统中关键的一环，数字化是其必然的发展方向。

按照软件无线电的理论，ADC(模拟到数字转换器，Analog to DigitalConverter)和DAC(数字到模拟转化器，Digital to Analog Converter)尽量靠近射频(RF，Radio Frequency)段或中频段进行数字化，然后根据需要对此数字信号进行处理，完成接收机的各种功能(如变频，滤波，加密解密，扩频解扩等)，最终理想是全频段的数字化处理，由软件来完成所有的功能。然而就目前数字器件的性能而言，无法实现射频的全采样，但随着数字信号处理技术和微电子技术的提高，射频的带通采样接收机的实现已成为可能。

数字接收机的软件无线电主要由ADC、DAC、高速数字信号处理单元组成。其中，ADC和DAC是最为关键的部分，它直接体现软件无线电接收机的特点。数字接收机对模拟信号直接采样，具有高精度、高可靠性、抗干扰能力强、灵活可变等许多优点，可以避免因基带处理的I、Q幅相不一致所带来的一系列问题。

近年来，数字接收机受到国内外商用和军用通信领域的高度重视，发展非常迅速。总结起来，数字接收机的一般结构主要包括：ASIC(专用集成电路，Application Specific Integrated Circuit)结构、FPGA结构、DSP+FPGA结构和DSP(数字信号处理器，Digital Signal Processor)结构的数字接收机。

ASIC的例子：中国电子科技集团54研究所设计一款ASIC结构的数字接收机。该接收机采用美国STANFORD公司的专用ASIC套片，包括数字下变频器STEL-2130，数字匹配滤波器STEL-3310，数字解调器STEL-2120和微处理器89C51。其能够完成伪码速率为11Mbps，扩频码长小于256的全数字化DS扩频通信接收功能。该接收机具有集成度高，开发周期短等特点，在通信终端中得到了广泛应用。

DSP例子：中国航天二院设计了一种以DSP为核心处理器件的某导引头的数字接收机。其AD选用的AD公司的AD6644，采样率65MSPS，DDC采用的Intersil公司的HSP50214B和HSP50216，DSP选用的是TI的6701。中频信号经过数字下变频后变为基带信号，DSP完成角误差提取、非相参积累、信号检测、截获、跟踪等。