CN116566407A - 基于零中频技术的短波全频段射频采样装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于零中频技术的短波全频段射频采样装置及方法，所述装置包括AD采样芯片和数字处理模块。方法为：A/D采样芯片通过至少大于信号最高频率2倍的采样速率，完成对短波频段2MHz～30MHz全频段射频信号的采样，并将采集到的模拟射频信号直接转换为数字射频信号，数字射频信号分配给多个数字处理模块，进行全频段信号并行捕获；数字处理模块采用FPGA芯片，数字处理模块捕获的有用信号通过业务口送到信号处理设备进行解调处理。本发明能够高效、可靠的实现全频段射频信号的模数转换，并且通过大幅度简化信道机的硬件，在降低系统成本的同时降低了系统功耗和设备体积。
Description
技术领域
本发明涉及电子电路技术领域，特别是一种基于零中频技术的短波全频段射频采样装置及方法。
背景技术
在短波通信系统中，目前大多数接收机都采用中频数字化方案，保留接收机的射频和模拟混频环节，在频率相对较低并且固定的中频处进行数字化处理，此方案硬件结构复杂、软件功能单一、可扩展性差。
零中频接收技术，是指RF信号不需要变换到中频，而是一次直接变换到模拟基带I/Q信号，然后再解调。零中频技术方案包含分段式射频采样和全频段射频采样两种方式。分段式射频采样是通过模拟带通滤波器将短波全频段分为若干频段，每段通过一个AD芯片对有效带宽内信号进行数字化处理，将该频段内射频信号转换为数字信号，此方案所使用的AD转化芯片较多且硬件结构较为复杂。全频段射频采样将采样AD向天线进一步靠近，对射频信号尽可能在早期实现数字化，向软件无线电的理想目标迈进了一大步，是短波接收技术发展的必然趋势。虽然零中频技术已发展多年，并且某些类型的寻呼和GSM手机也已采用，但是目前的零中频技术无法满足电路对高性能的要求。
综上，目前的射频采样装置具有硬件结构复杂、成本高、可靠性差等缺点，并且信道机的硬件复杂将引入设计噪声，增加接收机的组合音干扰，导致系统功耗高、体积大。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于零中频技术的短波全频段射频采样装置及方法，高效、可靠的实现全频段射频信号的模数转换，通过大幅度简化信道机的硬件，在降低系统成本的同时降低系统功耗和设备体积。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于零中频技术的短波全频段射频采样装置，包括AD采样芯片和数字处理模块；
A/D采样芯片通过至少大于信号最高频率2倍的采样速率，完成对短波频段2MHz～30MHz全频段射频信号的采样，并将采集到的模拟射频信号直接转换为数字射频信号，数字射频信号分配给多个数字处理模块，进行全频段信号并行捕获；
数字处理模块采用FPGA芯片，数字处理模块捕获的有用信号通过业务口送到信号处理设备进行解调处理。
进一步地，所述AD采样芯片的输入前端设置有保护电路、滤波电路、衰减控制电路、低噪声放大器、滤波器，其中：
保护电路，用于避免大信号将接收机损坏；
滤波电路，采用1.5～32MHz的带通滤波器，完成对非短波频率干扰信号的抑制；
衰减控制电路，包含两个10dB的衰减网络，输入信号超过阈值时，把两个衰减器逐个接入，对超出阈值的信号进行抑制；
低噪声放大器，采用短波频段的高线性低噪声放大器；
滤波器，进行抗混叠滤波处理。
进一步地，AD采样芯片采用BLAD16D125模数转换器，采样速率可达125MHz，16bit数据输出，工作带宽300MHz，信噪比SNR为78.2dB。
进一步地，AD采样芯片采用64引脚的QFN封装，能够在摄氏-40°～85°的工业级温度范围内工作。
进一步地，FPGA芯片处理后通过6.125Gbps速率的光纤将数字信号进行远程传输。
进一步地，该采样装置设置在室内，或者设置在天线根部，通过光纤接口进行软件维护和状态查询。
进一步地，FPGA芯片中设置有数字控制震荡器NCO、数字相乘器、数字滤波器。
一种基于零中频技术的短波全频段射频采样方法，具体如下：
A/D采样芯片通过至少大于信号最高频率2倍的采样速率，完成对短波频段2MHz～30MHz全频段射频信号的采样，并将采集到的模拟射频信号直接转换为数字射频信号，数字射频信号分配给多个数字处理模块，进行全频段信号并行捕获；
数字处理模块采用FPGA芯片，数字处理模块捕获的有用信号通过业务口送到信号处理设备进行解调处理。
进一步地，所述AD采样芯片的输入前端设置有保护电路、滤波电路、衰减控制电路、低噪声放大器、滤波器，其中：
保护电路，用于避免大信号将接收机损坏；
滤波电路，采用1.5～32MHz的带通滤波器，完成对非短波频率干扰信号的抑制；
衰减控制电路，包含两个10dB的衰减网络，输入信号超过阈值时，把两个衰减器逐个接入，对超出阈值的信号进行抑制；
低噪声放大器，采用短波频段的高线性低噪声放大器；
滤波器，进行抗混叠滤波处理。
进一步地，AD采样芯片采用BLAD16D125模数转换器，采样速率可达125MHz，16bit数据输出，工作带宽300MHz，信噪比SNR为78.2dB。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：
(1)射频采样模块基于零中频短波全频段技术方案，减少了滤波器、AD芯片的数量，降低了设备的复杂度、减少了成本、可靠性得到提高；
(2)零中频技术与中频数字化相比，可以大幅度简化信道机的硬件，伴随混频和独立的频率合成电路等部件的减少，降低了系统引入的设计噪声，并且可以减少接收机的组合音干扰，还可降低功耗和设备体积。
附图说明
图1是保护电路的结构图。
图2是全频段射频采样接收机架构框图。
图3是射频采样模块原理框图。
具体实施方式
短波全频段射频采样是比较理想化的软件无线电结构，该方案在射频前端对短波全频带射频信号进行短波频段滤波处理后，直接对射频信号进行数字化处理，将射频信号直接转换为数字信号，单个AD芯片已能满足短波全频段采样的需求，降低了设备复杂度，提高了采样可靠性，为后续数字域处理创造条件。
本发明一种基于零中频技术的短波全频段射频采样装置，包括AD采样芯片和数字处理模块；
A/D采样芯片通过至少大于信号最高频率2倍的采样速率，完成对短波频段2MHz～30MHz全频段射频信号的采样，并将采集到的模拟射频信号直接转换为数字射频信号，数字射频信号分配给多个数字处理模块，进行全频段信号并行捕获；
数字处理模块采用FPGA芯片，数字处理模块捕获的有用信号通过业务口送到信号处理设备进行解调处理。
进一步地，所述AD采样芯片的输入前端设置有保护电路、滤波电路、衰减控制电路、低噪声放大器、滤波器，其中：
保护电路，用于避免大信号将接收机损坏；
结合图1，接收机在正常使用时，可满足最大信号为25dbm，当信号超过最大信号时，为避免在使用过程中受到强信号的快速冲击而损坏设备，在电路设计过程中采用放电管方式抑制该脉冲信号。首先在放电管上并联压敏电阻，其次布线过程中在放电管和V1之间留一段适当的传输线，减到较低的电平。同时采用两级保护电路措施，以放电管FU1为第一级，以半导体过压保护V1为第二级，以保证在强信号干扰时接收机不会损坏。
滤波电路，采用1.5～32MHz的带通滤波器，完成对非短波频率干扰信号的抑制；
衰减控制电路，包含两个10dB的衰减网络，输入信号超过阈值时，把两个衰减器逐个接入，对超出阈值的信号进行抑制；
低噪声放大器，采用短波频段的高线性低噪声放大器；
滤波器，进行抗混叠滤波处理。
进一步地，AD采样芯片采用BLAD16D125模数转换器，采样速率可达125MHz，16bit数据输出，工作带宽300MHz，信噪比SNR为78.2dB。
进一步地，AD采样芯片采用64引脚的QFN封装，能够在摄氏-40°～85°的工业级温度范围内工作。
进一步地，FPGA芯片处理后通过6.125Gbps速率的光纤将数字信号进行远程传输。
进一步地，该采样装置设置在室内，或者设置在天线根部，通过光纤接口进行软件维护和状态查询。
进一步地，FPGA芯片中设置有数字控制震荡器NCO、数字相乘器、数字滤波器。
本发明一种基于零中频技术的短波全频段射频采样方法，具体如下：
A/D采样芯片通过至少大于信号最高频率2倍的采样速率，完成对短波频段2MHz～30MHz全频段射频信号的采样，并将采集到的模拟射频信号直接转换为数字射频信号，数字射频信号分配给多个数字处理模块，进行全频段信号并行捕获；
数字处理模块采用FPGA芯片，数字处理模块捕获的有用信号通过业务口送到信号处理设备进行解调处理。
进一步地，所述AD采样芯片的输入前端设置有保护电路、滤波电路、衰减控制电路、低噪声放大器、滤波器，其中：
保护电路，用于避免大信号将接收机损坏；
滤波电路，采用1.5～32MHz的带通滤波器，完成对非短波频率干扰信号的抑制；
衰减控制电路，包含两个10dB的衰减网络，输入信号超过阈值时，把两个衰减器逐个接入，对超出阈值的信号进行抑制；
低噪声放大器，采用短波频段的高线性低噪声放大器；
滤波器，进行抗混叠滤波处理。
进一步地，AD采样芯片采用BLAD16D125模数转换器，采样速率可达125MHz，16bit数据输出，工作带宽300MHz，信噪比SNR为78.2dB。
下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步详细说明。
实施例
全频段射频采样接收机直接对射频信号进行2-30MHz带通滤波、低噪声放大、抗混叠滤波处理后，直接由ADC进行信号模数转换，完成信号的采样，然后经过数字下变频模块实现信号的频谱搬移和抽样速率变换，最后通过基带处理部分完成信号解调，如图2所示，可以大幅度简化信道机的硬件。
短波全频段射频采样技术是通过高速、高分辨率AD采样芯片，通过至少大于信号最高频率(30MHz)2倍的采样速率，完成对短波频段2MHz～29.999MHz全频段射频信号的采样。将模拟射频信号直接转换为数字射频信号，数字射频信号分配给多个数字处理模块，进行全频段信号并行捕获。捕获的有用信号通过业务口送到信号处理设备进行解调处理。数字射频信号的集中捕获，基带信号的集中解调大大提高了器件资源的使用效率，使全频段并行接收成为可能，提高设备业务处理能力。
全频段射频采样接收机不需要使用模拟混频器、本地振荡器和中频滤波器，大幅度简化接收机的硬件电路，在降低设备成本的同时，降低设备的功耗和体积，也大幅度提高了接收机的稳定性、可靠性。ADC芯片直接将射频信号数字化，后续全部实现数字化、软件化处理，通过在信号处理芯片中运行的软件实现了接收机的许多模拟组件功能，例如通过NCO(数字控制震荡器)替换了频率合成器、通过数字相乘器替代了模拟混频器、通过数字滤波器替代了LC滤波器、晶体滤波器等模拟滤波电路。
原则上，射频采样模块的ADC芯片要尽量选择处理带宽较宽、采样速率较高、分辨率较高、转换位数较高的芯片。分辨率越高，所要输入信号的幅度越小，对模拟前端的放大量要求越小，转换位数越高，A/D的动态范围指标越高。但功耗更大，AD的工作温度将更高。经综合考虑，射频采样模块的ADC芯片采用BLAD16D125模数转换器，其采样速率可达125MHz，16bit数据输出，工作带宽300MHz，信噪比(SNR)为78.2dB，芯片采用64引脚的QFN封装，散热能力更强，即使没有散热器，系统也可在摄氏-40°～85°的工业级温度范围内工作。该芯片的无杂散信号动态范围(SFDR)可高达-95dBc，为提高短波全频段接收机的动态范围提供了有力的条件。
因此，射频采样模块主要由A/D采样芯片和FPGA芯片等组成，射频采样模块主要用于实现对2～30MHz射频信号全频段采样，并将模拟信号数字化处理，FPGA处理后通过6.125Gbps速率的光纤将数字信号进行远程传输。射频采集器可以放在室内，也可以放置在天线根部，可通过光纤接口对设备进行软件维护和状态查询。接收射频前端采用输入保护，滤波、衰减控制及放大等电路。采用输入保护，避免大信号将接收机损坏，滤波电路选用1.5～32MHz的带通滤波器，完成对非短波频率干扰信号的抑制。衰减控制电路包含两个10dB的衰减网络，输入信号过大时，把两个衰减器逐个接入，达到对大信号的抑制作用。放大器选用短波频段的高线性低噪声放大器，可有效提高整机的灵敏度。射频采样模块原理框图如图3所示。
本发明射频采样模块基于零中频短波全频段技术方案，减少了滤波器、AD芯片的数量，降低了设备的复杂度、减少了成本、可靠性得到提高。可以大幅度简化信道机的硬件，伴随混频和独立的频率合成电路等部件的减少，降低了系统引入的设计噪声，并且可以减少接收机的组合音干扰，还可降低功耗和设备体积。
Claims (10)
1.一种基于零中频技术的短波全频段射频采样装置，其特征在于，包括AD采样芯片和数字处理模块；
A/D采样芯片通过至少大于信号最高频率2倍的采样速率，完成对短波频段2MHz～30MHz全频段射频信号的采样，并将采集到的模拟射频信号直接转换为数字射频信号，数字射频信号分配给多个数字处理模块，进行全频段信号并行捕获；
数字处理模块采用FPGA芯片，数字处理模块捕获的有用信号通过业务口送到信号处理设备进行解调处理。
2.根据权利要求1所述的基于零中频技术的短波全频段射频采样装置，其特征在于，所述AD采样芯片的输入前端设置有保护电路、滤波电路、衰减控制电路、低噪声放大器、滤波器，其中：
保护电路，用于避免大信号将接收机损坏；
滤波电路，采用1.5～32MHz的带通滤波器，完成对非短波频率干扰信号的抑制；
衰减控制电路，包含两个10dB的衰减网络，输入信号超过阈值时，把两个衰减器逐个接入，对超出阈值的信号进行抑制；
低噪声放大器，采用短波频段的高线性低噪声放大器；
滤波器，进行抗混叠滤波处理。
3.根据权利要求2所述的基于零中频技术的短波全频段射频采样装置，其特征在于，AD采样芯片采用BLAD16D125模数转换器，采样速率可达125MHz，16bit数据输出，工作带宽300MHz，信噪比SNR为78.2dB。
4.根据权利要求3所述的基于零中频技术的短波全频段射频采样装置，其特征在于，AD采样芯片采用64引脚的QFN封装，能够在摄氏-40°～85°的工业级温度范围内工作。
5.根据权利要求4所述的基于零中频技术的短波全频段射频采样装置，其特征在于，FPGA芯片处理后通过2.5Gbps速率的光纤将数字信号进行远程传输。
6.根据权利要求2所述的基于零中频技术的短波全频段射频采样装置，其特征在于，该采样装置设置在室内，或者设置在天线根部，通过光纤接口进行软件维护和状态查询。
7.根据权利要求2所述的基于零中频技术的短波全频段射频采样装置，其特征在于，FPGA芯片中设置有数字控制震荡器NCO、数字相乘器、数字滤波器。
8.一种基于零中频技术的短波全频段射频采样方法，其特征在于，具体如下：
A/D采样芯片通过至少大于信号最高频率2倍的采样速率，完成对短波频段2MHz～30MHz全频段射频信号的采样，并将采集到的模拟射频信号直接转换为数字射频信号，数字射频信号分配给多个数字处理模块，进行全频段信号并行捕获；
数字处理模块采用FPGA芯片，数字处理模块捕获的有用信号通过业务口送到信号处理设备进行解调处理。
9.根据权利要求8所述的基于零中频技术的短波全频段射频采样方法，其特征在于，所述AD采样芯片的输入前端设置有保护电路、滤波电路、衰减控制电路、低噪声放大器、滤波器，其中：
保护电路，用于避免大信号将接收机损坏；
滤波电路，采用1.5～32MHz的带通滤波器，完成对非短波频率干扰信号的抑制；
衰减控制电路，包含两个10dB的衰减网络，输入信号超过阈值时，把两个衰减器逐个接入，对超出阈值的信号进行抑制；
低噪声放大器，采用短波频段的高线性低噪声放大器；
滤波器，进行抗混叠滤波处理。
10.根据权利要求8所述的基于零中频技术的短波全频段射频采样方法，其特征在于，AD采样芯片采用BLAD16D125模数转换器，采样速率可达125MHz，16bit数据输出，工作带宽300MHz，信噪比SNR为78.2dB。
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