软件无线电（SoftwareRadio）的概念自上世纪末提出以
来，最近几年取得了引人注目的进展。数字化中频接收机是
软件无线电的重要部分。软件无线电的主要原理是将数字
化推向前端，即是把模数/数模转换器（ADC/DAC）尽量放在
射频端，这是数字化接收机的发展方向，也是软件无线电的
理想实现方法。早期的数字化接收机受ADC发展水平的限
制，采用正交双通道零中频的实现方案，即将射频通过变频
变换到零中频（基带），正交解调得到模拟的正交信号之后
再进行数字化。该方案的频率变换主要都在模拟部分实现，
数字化较少，不是真正意义上的数字化接收机。而且，此方
案实现起来设备量较大，方案中的正交混频器是模拟器件，
得到的正交I，Q信号也难以保证幅相正交的精度[1]。目前比
较成熟的数字化接收机理论和实现方案是中频数字化接收
机，即将射频信号经一次或二次下变频后，在中频（或高中
频）直接采样，再数字下变频到基带，得到正交I，Q信号。
软件无线电技术的迅猛发展，使其在航天测控领域的应
用成为了可能。在我国当前的C频段微波统一测控系统中，
中频接收机主要由模拟电路构成，这种结构已经逐渐不能达
到测控系统的精度要求。数字化已经成为中频接收机的必然
发展趋势，关于这方面的研究，已经开展了很多[2-6]。文中设计
了一种数字化中频接收机，该方案采用软件无线电思想，并给出了采用FPGA和DSP实现该接收机的方法。
1系统工作原理
软件无线电的目标和思路是在标准化、完全可编程的硬
件平台上，用不同的软件适应通信、测控等业务的各种体制，
并实现尽可能多的无线功能，其原理框图如图1所示。在理
想的软件无线电中，系统的所有功能都在一个通用的处理器
上用软件实现，原则上允许同一硬件平台支持任何物理层和更高的协议层。
文中所设计的数字化中频接收机的应用了软件无线电
的设计思路，在中频70MHz上进行带通采样。输入的信号有
和路和差路，其中和路信号包含有测距、遥测等信息，而差路
信号则含有角误差信息。
和路和差路的输入信号经过滤波和放大后，被A/D采样
变为数字信号，分成I、Q两条支路，分别完成数字信号的下
变频。其中和路信号分成两条支路分别解调出遥测、测距信
息并完成信号幅度检测。环路鉴相输出的误差信号经数字滤图1软件无线电的结构框图Fig.1Softwareradiostructurediagram一种数字化中频接收机的研究与实现
邱冬冬，鲁新龙，董炯，金华松
（中国卫星海上测控部江苏江阴214431）
摘要：概述了软件无线电的发展和应用，为满足雷达中频接收机的数字化要求，介绍了C频段微波统一测控系统中
应用软件无线电思想设计数字化中频接收机的方案，对其基本原理和实现的关键技术做了分析，最后给出了应用
FPGA和DSP等器件实现该接收机的具体方法。整个系统集成度高，可靠性好，使用灵活，已在多个某型C频段统一
测控系统中得到了应用。
关键词：软件无线电；中频接收机；A/D；FPGA；DSP
中图分类号：TN98文献标识码：A文章编号：1674－6236（2012）24-0068-03
Researchandimplementationofdigitalintermediatefrequencyreceiver
QIUDong-dong，LUXin-long，DONGJiong，JINHua-song
（ChinaSatelliteMaritimeTrackingandControllingDepartment，Jiangyin214431，China）
Abstract:Thedevelopmentandapplicationofsoftwareradiowasdescribedinthispaper.Inordertosatisfythenumeralization
needofradarintermediatefrequencyreceiver，thedesignschemeofdigitalIFreceiverinwhichthesoftwareradioideawas
appliedinC-bandmicrowaveunifiedTT&Csystemwasintroduced，thebasicprinciplesandkeytechniqueswereanalyzed，
andthespecificimplementationmethodapplyingFPGAandDSPwasputforward.Thewholesystemishighlyintegrated，
reliableandflexible，ithasalreadyappliedinaC-bandunifiedTT&Csystem.
Keywords:softwareradio；IFreceiver；A/D；FPGA；DSP
收稿日期：2012-08-03稿件编号：201208010
作者简介：邱冬冬（1985—），男，安徽涡阳人，硕士，工程师。研究方向：微波信号接收。电子设计工程ElectronicDesignEngineering第20卷Vol.20第24期No.242012年12月Dec.2012
波后控制数字压控振荡器（DCO）的频率和相位完成闭环，并
给出多普勒频率偏移信息。和路信号为移相后的环路DCO
输出后信号，该信号与差路信号进行鉴相检测出方位和俯仰
角误差信息。移相器与DCO进行一体化设计，实现和路对差
路信号幅度的归一化的AGC控制信号由和路产生。图2所
示的是系统原理框图。
2关键技术及器件选择
2.1ADC的设计
带通采样适用于带通输入信号，因此将其作为理想的高
速中频采样方案[7]。
为了保证采样后不发生频谱混叠，采样频率必须满足：
2fhk≤fs≤2flk-1（1）
其中k取满足以下条件的整数：
2≤k≤fhfh-fl且fh-fl≤fl（2）
其fs是采样频率，fh是信号最高频率，fl是最低频率。本
方案中，载波中心频率为70MHz，信号带宽为3MHz。则有：
fh=70+B/2=71.5（3）
fl=70-B/2=68.5（4）
2≤k≤Ig[71.5/3]=23（5）
2×71.5k≤fs≤2×68.5k-1k=1，2，3…23（6）
由以上公式，为了保证采样变频输出各段频谱不重叠采
样率，fs的可选择范围很大。
ADC的性能必须满足自身和采样后系统的处理能力，其
位数则必须符合一定的动态范围要求及数字处理部分的精
度要求。用于中频频段的A/D转换器件，一般要求动态范围
在60～80dB。
ADC选用AnalogDevices公司的芯片AD9432。AD9432
为单片式12位的芯片，具有精度高、速度高和性能高的优
点，内部有采样保持电路，在整个工作频率范围内具有较好的动态性能指标。对于输入带宽为25MHz的信号，它的无杂
散动态范围可达80dB，一般情况信噪比为67dB，模拟输入
带宽能达到300MHz，其最高采样速率可达105MHz，非常适
合用来进行中频采样。实际应用中，考虑到组合干扰等因素，
采样频率设定为55MHz，设为此值可以降低后续滤波器的
设计难度。
由于输入信号动态范围为－52～8dBm，最低幅度低于ADC
的最小分辨率，所以要加一个放大器。而且考虑到由于电路设
计中，还有许多电磁干扰因素，中频数据采集ADC的有效位
数定低于12位，较好的情况下能达到10位~11位，使得实际
动态范围不一定达到60dBm，因此该放大器还需兼顾一定
的AGC功能。这里选用了NS公司的数控放大器CLC5526。
2.2数字下变频器的设计
在ADC采样后，信号的频率下移到15MHz附近，还需
在鉴相时进行数字下变频才能完成载波信号的解调。
设输入的中频模拟信号为：
f（t）=A（t）sin[ω0t+准（t）]（7）
采样后的信号为：
f（t）=A（n）sin[ωcn+准（n）]（8）
式中：
ωc=2πf0/fs（9）
DCO产生的信号为sin（ωcn），经90°移相后变为正交信
号cos（ωcn），与采样信号在混频器相乘后得：
yI（n）=A/2{cos[准（n）]-cos[2ωcn+准（n）]}（10）
yQ（n）=A/2{sin[准（n）]+sin[2ωcn+准（n）]}（11）
通过低通滤波器滤除其中的倍频分量后，得到所需的正
交I，Q信号：
I（n）=A/2cos[准（n）]（12）
Q（n）=A/2sin[准（n）]（13）
由于信号的采样频率较高，即I（n）和Q（n）的速率很高，
一般远大于窄带信号的带宽，这时可对其进行速率转换（抽
取），以降低此时的输出数据率。不过，应当注意的是抽取后
图
2数字化中频接收机原理框图Fig.2Principlediagramofdigitalintermediatefrequencyreceiver《电子设计工程》2012年第24期
的数据率应大于信号带宽。
DCO的功能是产生频率可变的正交正、余弦样本，并作
为数字下变频器的本振信号。输入的信号与DCO产生的正
弦波样本在数字鉴相器中进行鉴相。由于数字载波中心频率
为15MHz，所以DCO产生的正弦波样本信号的基频应为
15MHz。这样，鉴相的同时完成了数字下变频的功能。乘法器
输出的乘积样本再经过低通滤波器，信号频谱被搬移到基
带，这样就完成了载波信号解调。DCO是决定数字下变频
（DDC）性能的主要因素之一。
数字下变频部分的运算量很大，如果全部由DSP来完
成，对DSP需要具有很高的处理速度，比较难以实现[8]。目前，
数字下变频功能的实现方式主要有两种：一种是使用专门的
数字下变频芯片，如Intersil公司的HSP50214、HSP50216；另
一种是采用FPGA，自行设计数字下变频器。
现场可编程门阵列（FPGA）的主要优点就是其完全可编
程性[9]。在设计中需要处理很多信息，为了提高可编程性和系
统的集成度，设计中采用了FPGA实现数字下变频的方案。
本文设计的中频数字接收机，有4路70MHz的中频信号输
入。在本文的设计方案中，FPGA选用ALTERA公司APEX
系列的EP2A15，其最大门数可达1900000门，最高工作频
率可达200MHz以上，能满足系统的要求。方案中，不仅4路
中频采样信号的数字下变频在FPGA中实现，而且抽取、滤
波、以及DCO均集成在FPGA中，FPGA的资源利用率达到
了70%~80%。
3硬件平台结构
数字处理平台基于FPGA＋DSP的结构来构建，将FPGA
的可编程性及高速特性与DSP的复杂运算能力相结合，共同
实现数字解调锁相环，完成载波跟踪、环路锁定指示和相关
AGC电压的产生。数据处理平台与微机CPU进行的数据交
换采用PCI总线接口。结构框图如图3所示。
这种硬件平台结构具有通用、标准和模块化的特点，通
过软件编程来实现接收机的各种功能。同时，设计注重结构
的开放性和全面可编程性，通过软件的更新改变硬件的配置
结构，实现新的功能。采用标准的、高性能的开放式总线结构
（PCI），有利于硬件模块的升级和扩展。
4结束语
鉴于目前硬件水平的限制，直接对射频信号进行数字化存在困难，只能先将射频信号下变频至中频信号。数字中频
接收机是对中频信号进行带通采样数字化，同时还将信号频
谱向下复制到零频附近。中频接收机的数字化是测控系统终
端数字化的关键。文中设计了一种基于软件无线电、采用
FPGA和DSP架构的中频数字化接收机实现方案，并分析了
其系统工作原理和关键技术细节。该方案基于一个标准的硬
件平台，通过不同的加载软件，该平台可以演进成适应多种
调制方式的中频接收机，其处理能力可以满足目前测控系统
中绝大部分场合的要求。该平台现已应用于国内某C频段统
一测控系统中，大大提高了该系统的整体性能。
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