数字调谐滤波器软件原理研究

摘 要:跳频技术中数字调谐滤波器可以改善系统的抗干扰性能。数字调谐滤波器性能不仅由硬件决定,更依赖于内部的软件以及调测过程的软件算法。介绍一种数字调谐滤波器的软件原理,对算法原则进行了阐述,指出结合硬件的软件技术才是数字调谐滤波器的关键技术。

关键词:跳频;数字调谐;滤波器;软件算法

中图分类号:TN713+.5文献标识码:A

文章编号:1004-373X(2010)05-058-03

Software Principle of Digital Tunable Filter

ZHUANG Yonghe1,PENG Chuan2,

(1.CETC 43rd Research Institute,China Electronics Technology Group Corporation,Hefei,230022,China;

2.PLA Air Force Military Hefei Representative Office,Hefei,230031,China)

Abstract:In the frequency-hopping spread spectrum technology,using the digital harmonious center frequency band-pass filter can improve the system anti-jamming performance.The performance of digital tunable filter is not only the decision by the hardware.It is more dependent on internal software,and testing software algorithm of the process.The software principle of digital tunable filter is introduced.The principle of the algorithm is described.The combination of hardware and software technology is the key figure tunable filter technology.

Keywords:frequency-hopping;digital tuning;filter;software arithmetic

0 引 言

跳频系统的数字调谐滤波器是发射、接收机系统通道中的一种射频集总参数带通滤波器[1],滤波器的中心频率可以按设定的跳频图案数控改变。这将明显改善系统的抗干扰性能,有效地改善接收机的信噪比,同时降低了系统对跳频收发信机的要求,使跳频通信设备能更高效可靠,同时也能达到保密的要求。

跳频滤波技术是跳频通讯的关键技术之一,通过对其硬件原理和方案的介绍[4],了解到它是一类比较特殊的滤波器,其性能不仅由硬件决定,更依赖于内部的软件以及调测过程的软件算法。下文将对数字调谐滤波器软件和算法做阐述。

1 软件角度看电路工作过程

软件角度看电路工作过程计算:

f0=D×(fH-fL)250+fL

(1)

根据式(1)可以倒推出当计算机输入8位的控制码D,STB触发后滤波器即把中心频率变为f0。

根据硬件原理的介绍可以看出,模块内部存储器将完成外部地址码转换为滤波器电路的控制码功能。电路内部的工作过程是这样的:电路接收8位调谐码后,把这8位作为11位地址的存储器的高8位,再与逻辑电路自动产生的3位形成完整的11位存储器地址。地址确定后并行读出存储器数据,再在时钟作用下转为串行,逻辑电路再改变地址读下一个存储器数据。这里实际读出了8×8=64 b数据,用其中24 b去控制模拟部分PIN管的开关[5],完成一次跳频。

例如:所需频率为10.32 MHz,根据式(1)可以计算出输入调谐码D=4(fH=30 MHz,fL=10 MHz),如图1所示,找到存储器地址20H,从20H开始读8个字节,共64位,其中第13～24位、29～40位共24位是所需的,为F8D和F86,二进制码即为1111,1000,1101和1111,1000,0110,“1”即表示接通模拟部分的对应电容,“0”表示断开,此时实际接通的电容“理论上”为636.4 pF和629.7 pF,电路谐振到1032 MHz。

因此可以看出,真正调试好的电路使用方式非常简单。但是从硬件介绍中可以得到结论,每个模块内部存储器的数据是不同的。内部软件数据从何而来,就必须依赖与外围的测试、调试系统和软件。软件设计时有两个问题需要注意:

图1 数据格式

问题1:存储器里的转换数据从何而来。

滤波器内部开关的组合方式非常多,是一个异常庞大的测试和计算过程,不经优化即使计算机自动调试1年也调试不出一块电路;存储器数据还与每个滤波器个体性能密切相关,电路和电路之间数据是不同的,每个电路必须逐个调试,工作量十分巨大。因此,调试程序必须优化,才有可能赋予内部存储器性能数据。

问题2:F8D和F86能谐振出10.32 MHz,F86和F8D是否也能谐振出10.32 MHz。

理论上F8D和F86与 F86和F8D一样都能谐振出10.32 MHz,但精度和原理决定了这种理论上可行的办法实际是不行的:在高频范畴,元器件和工程制作都达不到理想参数值,实践也证实F8D和F86与 F86和F8D不能同样都谐振出1032 MHz。

通过对上述问题释疑,进行软件关键技术研究。

2 软件设计原则

2.1 数据码和频率的映射关系

最终的调试目标是找到想要的频率,而且该频率对应滤波器差损要小。但对于频率和码(是12位的数据码,不是8位控制码)的关系却不是一一对应的函数关系。如图2(a)是频率到码的映射,一个目标频率可能与多个码组对应(一频多码),组合各不相同,其差损可能相差也很大。

另外,码到频率的映射如图2(b)所示,假设码2～5都是在数值上接近的码,它们对应的频率却可能相距很远。例如0000,0100,0000对应电容39 pF;0000,0011,1111对应电容56.4 pF,它们数值上只相差1,可是谐振频率会相差很远(邻码不临频)。

根据电路设计,电容阵列有24路,左右侧各12路,它们的不同组合对应模拟电路不同的响应,必须经过测试才知道哪个是需要的频率,且差损最小,最简单的方法是进行穷举测试,把12+12位码都进行测试,即有N=2(12+12)=16 777 216种,在16 777 216种组合中,找出需要的值。目前网络分析仪测试一个数据需要[8]3 s,则需要50 331 648 s(582.5天)时间才能调试一块,在科研或工程中显然无法实施。

图2 频率与码的映射

“跳频”的关键技术是电容阵列的组合算法。组合中大量的数据是无用的,例如:000000000000,111111111111显然谐振不出想要的频率,应该舍去。调试方法的优化是必须要做工作,研究算法的目的是在不损失或尽量少损失有用数据的同时尽量减少测试量。

2.2 软件算法优化原则

电路的算法,是从16 777 216个数中找到250个正确结果,显然不能每个数都去试。通过分析电路,对电容阵列的组合算法采用以下原则:

原则1:多路组合原则。就是在都能达到一个组合目标的情况下,应使用较多的路数来进行电容阵列的组合,可以取得较高的Q值。

原则2:模糊原则。由于电容的差异和电路分布参数的影响以及微波器件导通和截止的电容影响,理论计算的阵列分布在调试中都是不准确的。虽然精确计算可以大大缩小选择的数据量,但计算得越精确,得到的结果越不准确,所以调试中必须附加误差来进行,但这样又增加了数据。这里采用适当的模糊原则。

原则3:最佳路径原则。将路径组合绘制在一张图上,能够看出同样的频率可以有多种组合方法,相邻的组合方法有可能对应差异较大的频率。根据电路分析,结合原则1,找到最佳路径。

数据精简的过程和上述方法的实现,都是通过软件完成的。通过程序,筛选16 777 216个数得到99 695个结果,数据分布图如图3所示。

这个数据量仍然很大,分析这个图,进一步优化。

图3 符合条件的99 695个数分布

图4是图3局部0～600点的放大图,横坐标对应电容值,纵坐标是码值,得到如下结论:

(1) 每一个理论电容值都可以对应一个或几个数(码阵列);

(2) 每一个码对应一个电容,在电容的误差范围内对应多个码;

(3) 有的部分组合方式少,有的部分组合方式多;

(4) 如果给出范围,组合方式更多。

图4 分析数据

这是进行组合数据筛选和编程的依据,因此,使用HP-VEE编制了应用软件。软件设计从主要功能上分为:矫正、在线调平衡、筛选、在线调试、在线测试、离线测试等六大部分,还有相应的子程序,分别编制了相应的VEE应用程序[9]完成相应功能。数据量精简后,需要19.7 h即可自动调试一块模块,在目前研制阶段是

可容忍的。

使用软件对电路进行调试,获得了大量的试验数据,完成了MTDF1030-2型数字调谐滤波器的调试和测试,产品与美国POLE ZERO公司MINI-POLE 1030-2数字调谐滤波器兼容,指标相当。

3 结 语

数字调谐跳频滤波器是军用跳频通讯的关键部件之一。数字调谐跳频滤波器是一类多点跳频、频率精度高、可通过一定功率、适合射频段的程控滤波器。每个模块内部都带有惟一的、与众不同的软件是数字调谐跳频滤波器的最大特点。

参考文献

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[2]李渊渊,俞世荣.跳频通信及其应用[J].电子产品世界,2001(8):18-21.

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[9]张岷涛.超短波跳频电台跳频频率合成器的实现[J].信息技术,2006,30(7):38-41,46.

作者简介

庄永河 男,1974年出生,福建永春人,硕士研究生,高级工程师。主要研究方向为混合集成电路设计。

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