全数字跟踪接收机的设计与实现

摘要：随着软件无线电在中频领域的广泛应用，采用数字信号处理技术设计了基于FPGA全数字中频跟踪接收机并应用于遥感卫星天线接收系统中。给出了详细的理论说明和体统组成。该接收机结构简单，成本低，调试方便。在测试和实际应用中，该跟踪接收机输入信号的动态范围大，AGC和误差电压精度等指标较模拟接收机都有显著的提高。
关键词：自动跟踪；现场可编程门阵列；数字下变频；数字滤波器；幅度解调；数字AGC

随着软件无线电技术和全数字接收机技术的迅速发展，以及现场可编程门阵列FPGA规模的不断壮大，用FPGA实现中频数字跟踪接收机已经成为必然的趋势。本文设计的中频跟踪接收机中包括了A／D变换，数字正交混频以及数字滤波等模块。主要的功能模块分为中频接收模块和误差信号提取模块。
经过测试，系统能够完成单脉冲跟踪体质天线的自动跟踪任务，实现了对中频调幅信号的采样，下变频，解调等功能。系统结构简单，体积小，成本低，有良好的通用性。

1 总体设计
自动跟踪接收系统是遥感卫星地球站的一个组成部分，它接收来自天线的卫星数据信号(和信号)和角度误差信号(差信号)经变频，滤波，放大，检波，解调后向伺服系统提供所需要的角度误差信号，控制天线的方位轴，俯仰轴和方位轴向角度误差小的方向转动，实现对目标的跟踪。
其中中频接收本分完成差信号的幅度检波输出视频信号和信号强度的提取，误差信号提取模块完成角度误差信号的解调，斜率补偿、相位补偿和时分信号的输出。

2 数字中频接收机设计
数字中频接收机包括中频采样、A／D变换、数字AGC、数字下变频、AM检波等。原理框图如图1所示。

中频信号经过一个大动态压控放大器、中频低噪声限幅放大器和一个抗混叠带通滤波器进入A／D采样，采样后的数据进入FPGA计算，输出AGC信号和基带信号进入下一级。数据在FPGA中完成数字下变，CIC抽取滤波，FIR低通滤波，AM检波，数字AGC等计算。
2．1 中频采样和A／D变换
本文提到的中频数字跟踪接收机是70 MHz中频信号输入，信号带宽为12 MHz。输入信号经抗混叠滤波器后，进行A／D采样。采用欠采样的方法来求的适合的采样率。根据通带采样定理，采样率必须满足一下条件：

其中，fs是采样频率，fh、fl分别是信号的上、下限频率，BW=fh-fl是信号带宽，m为正整数，可去的值分别为：2～6。
可见，最低采样率可以取到25．3～25．6之间，但是采样率太低会给滤波器的设计带来难度。最后根据Heisenberg不定性原理来估计采样率与分辨率的关系，以及采样率与分辨率对信噪比，ADC动态范围的影响，计算最佳采样率(正交采样)选择采样频率fsopt=56 MHz，分辨率为16位。
2．2 数字下变频的实现
用56 MHz的采样频率对70 MHz的信号进行采样，带通采样相当于将信号以56 MHz的间隔进行频谱搬移，所以采样后的信号，只需要下变频14 MHz就可以得到基带信号。采样后的调幅信号与数字本振频率为14 MHz的正余弦信号进行数字混频，产生同相和正交两路基带信号。同相分量中含有基带分量和二次谐波分量，只要通过低通滤波器就可以得到基带分量。正交分量中只包含二次谐波分量，通过低通滤波器可已完全滤除。为了节约系统资源，所以设计NCO只需要产生同相分量。选择固定系数法来产生正弦信号和余弦信号，避免由于相位截短带来的误差。正交本振详细取值如下：
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。
本振信号的幅度值只有{0，1，-1}，用Verilog编程实现直接与ADC输出相乘实现混频，这种方法实现数字本振信号精度非常高。