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(多图) 数字调谐滤波器原理及方案

中国电子科技集团 庄永河 孟坚?? 2009年11月13日 ?? 收藏0

  0 引 言

  需要传送的数字或模拟信号信息一般是低频信号,必须被载波调制到特定射频段才能通过天线发射出去。随着通讯技术发展,定载频技术在军事通讯中的保密、抗干扰、频带利用等方面逐渐暴露出问题,为解决这些问题,跳频(Frequency Hopping Spread Spectrum,FH-SS)通讯技术逐步发展起来。数字调谐滤波器是跳频系统中随计算机控制技术出现后发展起来的一类数字调谐控制频带的、有一定功率容量的滤波器。

  1 数字调谐滤波技术发展现状

  传统的定载频信号发信机被传送的信息可以是模拟的或数字的信号形式,信号经过调制,获得副载波频率固定的已调波信号,再与频率合成器输出的主载波频率信号进行混频,使其输出的已调波信号的载波频率达到射频通带的要求,后馈至天线发射出去。收信机通过带通滤波器选定需要的载波频率信号,经过放大、频率合成器、解调器,得到发信机传送来的信息。

  跳频系统的频率合成器通过跳频指令控制输出载波信号的频率。跳频指令发生器可以不断地发出指令,控制频率合成器不断地改变其输出载波的频率。因此,混频器输出的已调波的载波频率也将随着指令不断地跳变,从而经滤波器和天线发送出去的就是跳频信号,这就是跳频通讯技术,如图1所示。

跳频通讯技术

  跳频通讯是最常用的扩频方式之一,其工作原理是指收发双方传输信号的载波频率按照预定规律进行离散变化的通信方式,也就是说,通信中使用的载波频率受伪随机变化码的控制而随机跳变。从通信技术的实现方式来说,“跳频”是一种用码序列进行多频频移键控的通信方式,也是一种码控载频跳变的通信方式。从时域上来看,跳频信号是一个多频率的频移键控信号;从频域上来看,跳频信号的频谱是一个在很宽频带上以不等间隔随机跳变的。其中:跳频控制器为核心部件,包括跳频图案产生、同步、自适应控制等功能;频合器在跳频控制器的控制下合成所需频率;数据终端包含对数据进行差错控制。

  与定频通信相比,跳频通信是通信收发双方同步地改变频率的通信方式,使对抗方很难跟踪跳频规律,因此无法截获通信内容,因而具有较强的反破译能力。同时,跳频通信也具有良好的抗干扰能力,即使有部分频点被干扰,仍能在其他未被干扰的频点上进行正常的通信。民用领域,由于跳频通信系统是瞬时窄带系统,它易于与其他的窄带通信系统兼容,也就是说,跳频电台可以与常规的窄带电台互通,有利于设备的更新;跳频还利用频分、码分多址复用的优点提高频谱利用率,解决频谱资源、信道容量拥挤等问题。

  世界第一台跳频电台在20世纪70年代末问世,80年代至今是其技术不断发展完善的阶段。业内人士指出,跳频通信是保密和对抗无线电干扰的有效手段,称其为无线电通信的“杀手锏”。在无线通信中使用跳频技术是军事通信中最主要的保密和抗干扰手段之一。相对于跳频技术,破解跳频码、快速跟踪载波频率和宽带大功率干扰是三类不同层面的对抗技术。

  破解跳频码实际是破解快速的跳频密码和通讯密码,艰难程度不用赘述;快速跟踪载波频率是目前的跳频技术的主要对抗方式,美国目前的技术达到1 000次/s的扫频,即跳频时间小于1 ms就无法捕捉,而目前跳频技术已经能达到跳频时间小于10μs,目前的处理速度对抗跳频技术也有2个数量级的差距;宽带大功率干扰则是一种通用的干扰方案,但受发射机功率影响,功率需要达到跳频电台发射功率的几十倍才能达到干扰效果,对抗跳频电台,往往投入大收效小。因此,目前三类主要电子对抗方式还没有威胁到发展中的跳频技术。跳频滤波器是一种插人到发射、接收机系统通道中的一种带通滤波器,按自己设定的跳频图案(跳频通信中载波频率改变的规律)改变带通滤波器的中心频率,将可以明显改善系统的抗干扰性能,有效地改善接收机的信噪比,从而降低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,下文将对跳频滤波器的几种原理方案做阐述和比较。

  2 跳频滤波技术原理及方案

  跳频滤波器要实现滤波器中心频率的快速变换,核心是通过连续快速改变或用开关改变带通滤波器的全部或部分参数来达到的。在实际应用中,跳频滤波器主要有单元组合式滤波器组、使用可变参数器件式滤波器、数字式、数字调谐式滤波器四种实现方案。下面对各种滤波器的技术原理进行分析比较。

  2.1 单元组合式滤波器组方案

  单元组合式滤波器组方案如图2,其电路原理比较容易理解,每一个带通滤波器对应一个中心频率。数字调谐的“控制码”通过“控制器”控制滤波器组输入和输出的“开关阵列”,切换内部不同的滤波器子单元,达到数字调谐选频滤波的目的;也可以手动调节控制器,达到调谐选频滤波器子单元的目的。

单元组合式滤波器组方案


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调谐滤波器? 跳频? 通讯? FPGA?

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