CN112653487B - 基于国产化的短波通信射频直采通用平台 - Google Patents

基于国产化的短波通信射频直采通用平台 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于国产化的短波通信射频直采通用平台，包括：射频接收模块、射频发射模块、FPGA、两个光电模块、晶振模块和插座；其中，所述射频接收模块包含依次连接的衰减器、第一放大器、第一滤波器、第一变压器和模数转换器；所述射频发射模块包含依次连接的数模转换器、第二变压器、第二放大器和第二滤波器。本发明将多信道部分放在了直采部分，通过3.125G的光纤高速传输，光纤传输稳定性更高，不易受影响；而且将直采程序和上下变频程序分开，减少对芯片的资源占用。

Description

基于国产化的短波通信射频直采通用平台
技术领域
本发明属于短波通信系统技术领域，尤其涉及基于国产化的短波通信射频直采通用平台。
背景技术
目前，现有的短波电台核心器件都是采用进口芯片，国产的芯片性能指标无法达到使用要求。而进口芯片在数据传输中采用低速的基带接口，而对短波信号采样后通过光信号直接传输给信号处理单元来进行上下变频处理。
现有的进口芯片采用射频数字化通用平台(以下称为射频数字化模块)主要工作流程如下：
接收信号流程：从功放接收的信号经过射频数字化模块前端处理，包括前端衰减、放大、低通滤波后将信号幅度调整到模数转换器(ADC)的输入范围内后，将一路信号变为差分的两路信号送给模数转换器(ADC)。模数转换器(ADC)以92.16MSPS采样率对射频信号直接采样数字化，输出并行数据，然后与FPGA控制产生的DDS(直接数字频率合成器)数据进行数字混频，直接变频到基带。FPGA实现数字下变频DDC(直接数字控制)处理，对应的数据速率从92.16MHz降低到基带速率9.6KHz，总的抽取倍数为9600，基带信号通过接口送给通信模块做解调处理。
发送信号流程：由通信模块将信号进行调制处理，调制后的数据再通过接口送给射频数字化模块，在射频数字化模块中做数字上变频处理后，数据速率由9.6KHz达到92.16MHz，然后与FPGA产生的DDS数字信号进行混频，将频率搬移到射频，该高速数据经过数模转换器(DAC)变为模拟的两路差分信号，再经过变压器将两路信号变为一路信号，经过射频数字化模块放大滤波后送往功放单元。
以上流程主要将上下变频程序和直采程序放在一起，通过低速接口进行传输，这些数据接口容易受高频的干扰，而且在进行多信道设计时，多路低速接口传输也会造成数据传输的不稳定；而且在程序角度，也会因为程序占用资源过大，造成器件发烫，引起器件的不正常。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的是提出基于国产化的短波通信射频直采通用平台，将多信道部分放在了直采部分，通过3.125G的光纤高速传输，光纤传输稳定性更高，不易受影响；而且将直采程序和上下变频程序分开，减少对芯片的资源占用。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以解决。
基于国产化的短波通信射频直采通用平台，包括：射频接收模块、射频发射模块、FPGA、两个光电模块、晶振模块和插座；其中，所述射频接收模块包含依次连接的衰减器、第一放大器、第一滤波器、第一变压器和模数转换器；所述射频发射模块包含依次连接的数模转换器、第二变压器、第二放大器和第二滤波器；
接收信号：接收的射频信号依次经过衰减器、第一放大器、第一滤波器、第一变压器得到差分信号，再经过模数转换器进行采样，采样得到的并行16位差分数据进入FPGA，FPGA对接收的差分数据进行处理，并通过光电模块将差分数据转换成光信号通过光纤传输给外部通信模块，外部通信模块进行相应的信号变换和下变频处理；
发送信号：数字音频信号通过外部通信模块调制、上变频后通过光纤传输至光电模块，光电模块将上变频后的光信息转换成对应的数字信号，经过FPGA并行16bit传输给数模转换器，数模转换器将数字信号转变成模拟的两路差分信号，再依次经过第二变压器、第二放大器和第二滤波器输出射频信号；
所述光电模块用于进行光电信号转换，其与FPGA进行信号互通；
所述晶振模块用于产生平台所需的时钟频率，送至FPGA和模数转换器；
所述插座用于连接主控单元和外部电源。
进一步地，所述FPGA与衰减器连接，根据采样数据为衰减器提供衰减值反馈。
进一步地，两个光电模块同时与两个外部通信模块进行信息传输，形成两个接收通路；发射通路根据优先级指令参数进行外部通信模块选择。
进一步地，所述模数转换器的采样速率为100Msps，其为16位模数转换器，78dB无寄生动态范围，功耗为850mW。
进一步地，所述数模转换器的采样率为500MSPS，16位分辨率，功耗为600mW。
进一步地，所述第一放大器、第二放大器分别为低噪放大器，所述第一滤波器和第二滤波器分别为带通滤波器。
进一步地，还包括电源模块，所述电源模块内设置线性稳压器，将外部5V电压转变为平台内各模块所需电压。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明将多信道部分放在了直采部分，通过3.125G的光纤高速传输，光纤传输稳定性更高，不易受影响；而且将直采程序和上下变频程序分开，减少对芯片的资源占用。此外，将现有的9.6KHz基带传输模式，更改为100MHz直采信号传输模块，具有更强的通用性，适应全国产化平台。
附图说明
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。
图1为本发明的基于国产化的短波通信射频直采通用平台的结构示意图；
图2为本发明的射频接收模块处理过程示意图；
图3为本发明的射频发射模块处理过程示意图；
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例及效果作进一步详细描述。
参考图1，本发明提出一种基于国产化的短波通信射频直采通用平台，包括：射频接收模块、射频发射模块、FPGA、两个光电模块、晶振模块和插座；其中，所述射频接收模块包含依次连接的衰减器、第一放大器、第一滤波器、第一变压器和模数转换器；所述射频发射模块包含依次连接的数模转换器、第二变压器、第二放大器和第二滤波器；
本实施例的射频直采通用平台工作流程如下：
接收信号流程：从功放接收的信号经过射频直采通用平台前端处理，包括前端衰减、放大、低通滤波后将信号幅度调整到模数转换器(ADC)的输入范围内，经变压器将一路信号变为差分的两路信号送给模数转换器(ADC)。模数转换器(ADC)以100Msps采样率对射频信号直接采样数字化，输出并行数据给FPGA，通过光电模块转换成光信号后，通过光纤将采样的数据传输给外部通信模块进行数字混频，直接变频到基带。
如图2所示，具体地前端处理过程为：射频信号首先进入衰减器，衰减器的衰减值由FPGA根据采样进行反馈，数据位并行6位数据，最大衰减值为31.5dB；衰减完的射频信号进入低噪放大器，该低噪放大器固定放大19.2dB；经过带通滤波器(1.5M-32M)，再经过变压器(1：1)，差分信号进入ADC芯片进行采样，得到并行16位差分数据。进入FPGA进行处理；处理完的数据经过光纤传输给信号处理部分进行后续下变频处理。收射频电路主要由衰减器、放大器、滤波器、变压器及ADC组成。
本实施例中的射频直采平台中各器件均采用国产器件，具体如下：
衰减器：选用中电二十四所的SX398EE。
第一放大器：选用中电二十四所的SX5089AMF，功率增益19.2dB@240MHz。
第一滤波器：选用成都天之SPBP-1.5/32带通滤波器，对1.5MHz以下及32MHz以上的射频信号进行衰减，防止干扰信号混叠到有用带宽内。经过理论及实际验证滤波器需放在放大器后端。
第一变压器：选用顺络迅达1∶1变压器TR-A-1/1，主要将单端射频信号变为差分射频信号送给ADC芯片。
ADC：选用中电五十八所的JAD9268-100，采样速率为100Msps的16位A/D转换器，功耗为850mW，78dB无寄生动态范围(SFDR)，SFDR指载波频率(最大信号成分)的RMS值与次最大失真成分的RMS值之比。通常以dBc(相对于载波频率幅度)或dBFS(相对于DAC满量程范围)表示。
收射频电路主要完成射频信号的衰减、放大、滤波及模数转换，收射频电路设计对接收机指标起到决定性作用。
发送信号流程：由系统送来的数字音频信号经过通信模块进行调制处理，调制后的数据经过数字上变频处理后，数据速率由8KHz达到100MHz，混频成形成射频信号并通过光纤传输至本射频直采平台后，由光电模块进行光电信号转换后输出至FPGA，经过数模转换器(DAC)变为模拟的两路差分信号，再经过变压器将两路信号变为一路信号，经过放大滤波后送往功放单元。
如图3所示，光纤过来的上变频数据经过FPGA并行16bit传输给DAC进行射频发射；DAC输出的差分数据经过第二变压器(1：1)送入第二低噪放大器，经过第二带通滤波器输出送给功放部分。
DAC：选用中电二十四所的SDA9779MQ，16位分辨率、500MSPS采样率，功耗为600mW。
第二变压器：顺络迅达1∶1变压器TR-A-1/1，主要将差分射频信号变为单端射频信号送至放大器。
第二放大器：选用中电二十四所的SX5089AMF，功率增益19.2dB@240MHz。
第二滤波器：选用成都天之SPBP-1.5/32带通滤波器，对1.5MHz以下及32MHz以上的射频信号进行衰减，以满足杂散指标要求。
发射频电路主要完成射频信号的数模转换、滤波、放大，发射频电路设计对发射机指标起到决定性作用。
本平台还配置有FLASH缓存模块，用于对FPGA的中间处理结果等信息进行缓存。
本实施例还设置有时钟分路器，将晶振产生的时钟频率分两路传输至FPGA和衰减器，为两者的时钟提供驱动。
本实施例平台的其他部分的国产化器件介绍如下所示：FPGA：复旦微电JFM7K325T8，系统时钟最高频率740MHz；逻辑单元数326080；内嵌DSP数840；GTX通道数16；最大用户IO总数500；最大用户差分IO对数240；CTM模块数10；兼容XILINX公司XC7K325T(原位替换)。
FLASH：复旦微电子JFM25F128A。
DC-DC变换器：株洲宏达XC9618A
线性稳压器：中电二十四所SW809MF系列及SW1764BMT系列
晶振：海疆创智HODN18H85。
光电模块：中航光电HTS3201-HF-S001SG。
本实施例的插座接口定义如下表1所示：
表1插座接口定义(JL98-20ZJBS1-1)
Figure BDA0002853504880000071
Figure BDA0002853504880000081
表2中控制单元通过光信号通知确定此时连接的通信模块，再根据上端通知此时哪个通信模块为优先端，对应的将收发标志告知。
本发明改变了原有9.6KHz基带传输模式，采用100MHz直采信号传输模块，更加的符合市场需求，具有更强的通用性。
本发明中，共有两个光电模块，可以同时支持两个通信模块同时工作，达到两收一发模式，即收状态下，可以两个通信模块一同接收；发状态下，则根据优先级及指令参数决定使用哪个通信模块，符合现有的市场应用的要求。
本发明的插座提供与主控单元关于收发状态的控制、主控单元与通信模块之间协议交互所需通路；所需频率字、边带及数据信息都通过光纤接口获得。
性能验证
射频发过程的主要指标为：激励信号电平：可根据实际应用调整；载波抑制：≤-45dB；边带抑制：≤-50dB；杂波抑制：≤-60dB。
射频收过程的主要指标为：灵敏度：(S+N+D)/(N+D)＝12dB时，SSB(单边带)≤1μV；其中S表示信号，N表示噪声，D表示失真；音频响应：≤4dB(300Hz～3000Hz)；总失真系数：≤5％；自动增益控制：从2倍基准灵敏度开始，输入变化100dB，输出变化≤3dB。
对本发明的国产化器件平台和进口器件平台(Altera公司的FPGA+AD(AD9265)+DA(AD9772)的平台)进行测试实验，测得的结果如表2所示：
表2国产平台与进口平台的指标对比
Figure BDA0002853504880000091
从表2中可以看到，国产平台的主要性能指标与进口平台基本一致，且在通信过程中应用、话音质量都正常，满足使用需求。
本发明根据现有短波电台的全国产化要求，设计了全国产化通用的射频直采平台，将多信道部分放在了直采部分，通过3.125G的光纤高速传输，光纤传输稳定性更高，不易受影响；而且将直采程序和上下变频程序分开，减少对芯片的资源占用；为选频技术的研发提供了硬件平台，可提供多信道、高速率数据传输。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.基于国产化的短波通信射频直采通用平台，其特征在于，包括：射频接收模块、射频发射模块、FPGA、两个光电模块、晶振模块和插座；其中，所述射频接收模块包含依次连接的衰减器、第一放大器、第一滤波器、第一变压器和模数转换器；所述射频发射模块包含依次连接的数模转换器、第二变压器、第二放大器和第二滤波器；
所述光电模块用于进行光电信号转换，其与FPGA进行信号互通；
所述晶振模块用于产生平台所需的时钟频率，送至FPGA和模数转换器；
所述插座用于连接主控单元和外部电源；
所述FPGA用于实现数字下变频DDC处理；
所述FPGA还用于将光电模块输出的信号与FPGA产生的DDS数字信号进行混频处理；
所述第一变压器用于将单端射频信号变为差分射频信号送给ADC芯片；
所述第二变压器用于将差分射频信号变为单端射频信号送至放大器；
接收信号：接收的射频信号依次经过衰减器、第一放大器、第一滤波器、第一变压器得到差分信号，再经过模数转换器进行采样，采样得到的并行16位差分数据进入FPGA，FPGA对接收的差分数据进行处理，并通过光电模块将差分数据转换成光信号通过光纤传输给外部通信模块，外部通信模块进行相应的信号变换和下变频处理；
发送信号：数字音频信号通过外部通信模块调制、上变频后通过光纤传输至光电模块，光电模块将上变频后的光信息转换成对应的数字信号，经过FPGA处理并输出并行16bit差分数据传输给数模转换器，数模转换器将数字信号转变成模拟的两路差分信号，再依次经过第二变压器、第二放大器和第二滤波器输出射频信号；
两个光电模块同时与两个外部通信模块进行信息传输，形成两个接收通路；发射通路根据优先级指令参数进行外部通信模块选择。
2.根据权利要求1所述的基于国产化的短波通信射频直采通用平台，其特征在于，所述FPGA与衰减器连接，根据采样数据为衰减器提供衰减值反馈。
3.根据权利要求1所述的基于国产化的短波通信射频直采通用平台，其特征在于，所述模数转换器的采样速率为100Msps，其为16位模数转换器，78dB无寄生动态范围，功耗为850mW。
4.根据权利要求3所述的基于国产化的短波通信射频直采通用平台，其特征在于，所述数模转换器的采样率为500Msps，16位分辨率，功耗为600mW。
5.根据权利要求1所述的基于国产化的短波通信射频直采通用平台，其特征在于，所述第一放大器、第二放大器分别为低噪放大器，所述第一滤波器和第二滤波器分别为带通滤波器。
6.根据权利要求1-5任一项所述的基于国产化的短波通信射频直采通用平台，其特征在于，还包括电源模块，所述电源模块内设置线性稳压器，将外部5V电压转变为平台内各模块所需电压。
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