數(shù)字調(diào)諧濾波器原理及方案

數(shù)字調(diào)諧濾波器原理及方案

0 引 言
??? 需要傳送的數(shù)字或模擬信號信息一般是低頻信號，必須被載波調(diào)制到特定射頻段才能通過天線發(fā)射出去。隨著通訊技術(shù)發(fā)展，定載頻技術(shù)在軍事通訊中的保密、抗干擾、頻帶利用等方面逐漸暴露出問題，為解決這些問題，跳頻(Frequency　Hopping Spread Spectrum，F(xiàn)H-SS)通訊技術(shù)逐步發(fā)展起來。數(shù)字調(diào)諧濾波器是跳頻系統(tǒng)中隨計算機控制技術(shù)出現(xiàn)后發(fā)展起來的一類數(shù)字調(diào)諧控制頻帶的、有一定功率容量的濾波器。

1 數(shù)字調(diào)諧濾波技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀
??? 傳統(tǒng)的定載頻信號發(fā)信機被傳送的信息可以是模擬的或數(shù)字的信號形式，信號經(jīng)過調(diào)制，獲得副載波頻率固定的已調(diào)波信號，再與頻率合成器輸出的主載波頻率信號進行混頻，使其輸出的已調(diào)波信號的載波頻率達到射頻通帶的要求，后饋至天線發(fā)射出去。收信機通過帶通濾波器選定需要的載波頻率信號，經(jīng)過放大、頻率合成器、解調(diào)器，得到發(fā)信機傳送來的信息。
??? 跳頻系統(tǒng)的頻率合成器通過跳頻指令控制輸出載波信號的頻率。跳頻指令發(fā)生器可以不斷地發(fā)出指令，控制頻率合成器不斷地改變其輸出載波的頻率。因此，混頻器輸出的已調(diào)波的載波頻率也將隨著指令不斷地跳變，從而經(jīng)濾波器和天線發(fā)送出去的就是跳頻信號，這就是跳頻通訊技術(shù)，如圖1所示。

??? 跳頻通訊是最常用的擴頻方式之一，其工作原理是指收發(fā)雙方傳輸信號的載波頻率按照預定規(guī)律進行離散變化的通信方式，也就是說，通信中使用的載波頻率受偽隨機變化碼的控制而隨機跳變。從通信技術(shù)的實現(xiàn)方式來說，“跳頻”是一種用碼序列進行多頻頻移鍵控的通信方式，也是一種碼控載頻跳變的通信方式。從時域上來看，跳頻信號是一個多頻率的頻移鍵控信號；從頻域上來看，跳頻信號的頻譜是一個在很寬頻帶上以不等間隔隨機跳變的。其中：跳頻控制器為核心部件，包括跳頻圖案產(chǎn)生、同步、自適應控制等功能；頻合器在跳頻控制器的控制下合成所需頻率；數(shù)據(jù)終端包含對數(shù)據(jù)進行差錯控制。
??? 與定頻通信相比，跳頻通信是通信收發(fā)雙方同步地改變頻率的通信方式，使對抗方很難跟蹤跳頻規(guī)律，因此無法截獲通信內(nèi)容，因而具有較強的反破譯能力。同時，跳頻通信也具有良好的抗干擾能力，即使有部分頻點被干擾，仍能在其他未被干擾的頻點上進行正常的通信。民用領域，由于跳頻通信系統(tǒng)是瞬時窄帶系統(tǒng)，它易于與其他的窄帶通信系統(tǒng)兼容，也就是說，跳頻電臺可以與常規(guī)的窄帶電臺互通，有利于設備的更新；跳頻還利用頻分、碼分多址復用的優(yōu)點提高頻譜利用率，解決頻譜資源、信道容量擁擠等問題。
??? 世界第一臺跳頻電臺在20世紀70年代末問世，80年代至今是其技術(shù)不斷發(fā)展完善的階段。業(yè)內(nèi)人士指出，跳頻通信是保密和對抗無線電干擾的有效手段，稱其為無線電通信的“殺手锏”。在無線通信中使用跳頻技術(shù)是軍事通信中最主要的保密和抗干擾手段之一。相對于跳頻技術(shù)，破解跳頻碼、快速跟蹤載波頻率和寬帶大功率干擾是三類不同層面的對抗技術(shù)。
??? 破解跳頻碼實際是破解快速的跳頻密碼和通訊密碼，艱難程度不用贅述；快速跟蹤載波頻率是目前的跳頻技術(shù)的主要對抗方式，美國目前的技術(shù)達到1 000次／s的掃頻，即跳頻時間小于1 ms就無法捕捉，而目前跳頻技術(shù)已經(jīng)能達到跳頻時間小于10μs，目前的處理速度對抗跳頻技術(shù)也有2個數(shù)量級的差距；寬帶大功率干擾則是一種通用的干擾方案，但受發(fā)射機功率影響，功率需要達到跳頻電臺發(fā)射功率的幾十倍才能達到干擾效果，對抗跳頻電臺，往往投入大收效小。因此，目前三類主要電子對抗方式還沒有威脅到發(fā)展中的跳頻技術(shù)。跳頻濾波器是一種插人到發(fā)射、接收機系統(tǒng)通道中的一種帶通濾波器，按自己設定的跳頻圖案(跳頻通信中載波頻率改變的規(guī)律)改變帶通濾波器的中心頻率，將可以明顯改善系統(tǒng)的抗干擾性能，有效地改善接收機的信噪比，從而降低系統(tǒng)對跳頻收發(fā)信機的要求，使跳頻通信設備能更高效可靠，同時也能達到保密的要求。跳頻濾波技術(shù)是跳頻通訊的關鍵技術(shù)之一，下文將對跳頻濾波器的幾種原理方案做闡述和比較。

2 跳頻濾波技術(shù)原理及方案
??? 跳頻濾波器要實現(xiàn)濾波器中心頻率的快速變換，核心是通過連續(xù)快速改變或用開關改變帶通濾波器的全部或部分參數(shù)來達到的。在實際應用中，跳頻濾波器主要有單元組合式濾波器組、使用可變參數(shù)器件式濾波器、數(shù)字式、數(shù)字調(diào)諧式濾波器四種實現(xiàn)方案。下面對各種濾波器的技術(shù)原理進行分析比較。
2．1 單元組合式濾波器組方案
??? 單元組合式濾波器組方案如圖2，其電路原理比較容易理解，每一個帶通濾波器對應一個中心頻率。數(shù)字調(diào)諧的“控制碼”通過“控制器”控制濾波器組輸入和輸出的“開關陣列”，切換內(nèi)部不同的濾波器子單元，達到數(shù)字調(diào)諧選頻濾波的目的；也可以手動調(diào)節(jié)控制器，達到調(diào)諧選頻濾波器子單元的目的。

??? 單元組合式濾波器組設計結(jié)構(gòu)的優(yōu)點如下：
??? 由于它的內(nèi)部濾波器單元是獨立的，因此可以根據(jù)要求制作各種原理的濾波器，濾波器1和濾波器2拓撲結(jié)構(gòu)可以完全不同，設計和應用比較靈活；
??? 由于切換單元只進行了開關陣列的數(shù)字控制，因此數(shù)字濾波器跳頻速度很快，可以達到微秒數(shù)量級；濾波單元主要由LC構(gòu)成，不受半導體器件靜態(tài)直流工作點影響，因此功率容量較大。同時，LC可選擇溫度特性較好的器件，因此濾波器的中心頻率溫度漂移等溫度特性較好。這種設計結(jié)構(gòu)，原理簡單，也容易實現(xiàn)。在民用領域得到完善和發(fā)展，早期的通訊機和電視機的高頻頭調(diào)諧調(diào)臺器等就是一個成功范例。
??? 單元組合式濾波器組的缺點也是很明顯的：
??? 系統(tǒng)需要多少種跳頻點，就需要制作多少個濾波器單元，每一個濾波器單元獨立調(diào)試。多組濾波器單元，元件數(shù)量多、體積大、調(diào)試難度大。一般8組以上的系統(tǒng)需求，多組濾波器組合的大體積就麻煩了。
??? 多組濾波器組裝在一個距離很近的空間，在射頻或更高頻段，必然會引起相互干擾。就是說濾波器不僅受接通單元集中參數(shù)和分布參數(shù)的影響，還受相鄰單元的分布參數(shù)影響，往往一個濾波器單元調(diào)整好了，相鄰的單元又不正常。這對濾波器的設計與調(diào)試難度，單元組合式濾波器組占用空間提出很高要求，很難在現(xiàn)代跳頻通訊中應用。
??? 因此這種設計結(jié)構(gòu)方案，在小單元數(shù)量的跳頻濾波器設計中是廣泛采用的，但多達250個以上跳頻點的跳頻通訊系統(tǒng)中是無法實施的。
2．2 可變參數(shù)器件式濾波器方案
??? 可變參數(shù)器件式濾波器的方案如圖3，方案的關鍵是濾波器內(nèi)部有一個參數(shù)可控的器件。同樣，數(shù)字調(diào)諧的“控制碼”通過“控制器”控制這個器件，例如通過控制壓控元件、變?nèi)?a target="_blank">二極管的參數(shù)，改變了濾波器的整體參數(shù)，從而改變?yōu)V波器的中心頻率，達到數(shù)字調(diào)諧選頻濾波的目的。

??? 可變參數(shù)器件式濾波器方案的優(yōu)點在于電路體積可以制作得很小，電路調(diào)試也比較方便，因此，配合了鎖相和數(shù)字存儲技術(shù)，在民用領域得到完善和發(fā)展，彩電的電調(diào)諧調(diào)臺器等就是一個很成功范例。
??? 可變參數(shù)器件式濾波器方案的缺點在于：“參數(shù)可變”器件線性一般都不好，可控范圍較小，通過分段調(diào)諧方法可以改善；此類器件主動控制的精度都較差，雖可通過鎖相等技術(shù)得到彌補，但鎖相頻率和速度都較低，受到鎖相頻率和速度的局限，可變參數(shù)器件式濾波器很難在需要高頻跳頻領域采用；一般這種器件溫度特性較差，無法使濾波器的電性能延展到軍用溫度范圍；受控的器件功率容量都較小，無法通過功率信號，適合作為信號處理，而不適合發(fā)射、接收機中使用。因此可變參數(shù)器件式濾波器很難在軍用跳頻通訊中應用。
2．3 數(shù)字式濾波器方案
??? 數(shù)字式濾波器原理框圖如圖4所示，其方案基于數(shù)字信號處理，把輸入模擬信號首先經(jīng)過A／D轉(zhuǎn)換器變?yōu)閿?shù)字信號，再通過微處理器的FFT(快速傅里葉變換)和IFFT(快速傅里葉逆變換)等變換，進行濾波器函數(shù)算法處理數(shù)據(jù)，最后把處理好的信號通過D／A轉(zhuǎn)換輸出。

??? 數(shù)字式濾波器方案的優(yōu)點：依靠微處理器可以使用非常復雜的算法，設計合適程序，實際可完成的功能可以遠遠不止濾波要求，甚至可以實現(xiàn)各種信號分析、識別工作。軟件處理方式靈活，處理精度高這是該方案的優(yōu)勢，也是未來所有信號處理領域的發(fā)展趨勢。
??? 但是，這種方案缺點是：基于信號處理，功率容量小，無法通過功率信號傳輸；依賴于微處理器和A／D，D／A轉(zhuǎn)換的速度，目前處理速度慢，只能適合處理幾百kHz以下的信號；信號只能單向傳輸。
??? 此外，數(shù)字式濾波器還有一類分支——可編程濾波器。MAXIM公司出品了單芯片可編程濾波器MAX264，該器件內(nèi)部集成了濾波器所需的電阻、電容，無需外接器件，且其中心頻率、Q值及工作模式都可通過引腳編程設置進行控制。MAX264可工作于帶通、低通、高通、帶陷或是全通模式下，其通帶截止頻率可達140 kHz；可以完成簡易的數(shù)控調(diào)諧功能，但其可控點非常少，最高工作頻率較低，溫度特性也較差，遠遠不能滿足現(xiàn)在工作在射頻范疇的跳頻電臺要求，頻率差距有3～4個數(shù)量級。也有人用“可編程邏輯器件(FPGA)”或“專用集成電路(ASIC)”做出相關產(chǎn)品，其所稱“高頻”也只能達到1 MHz，對于軍用通訊的要求也相差幾個數(shù)量級。單芯片的可編程濾波器是發(fā)展的方向，幾個數(shù)量級的差距至少需要十年以上時間的技術(shù)發(fā)展才能跟上。

2．4 數(shù)字調(diào)諧式濾波器方案
??? 數(shù)字調(diào)諧濾波器原理框圖如圖5，控制碼通過輸入接口電路，控制數(shù)字邏輯，數(shù)字邏輯中包含移位寄存、程控振動器等邏輯電路，把存儲器中存儲的數(shù)據(jù)讀入，轉(zhuǎn)變?yōu)榭刂菩蛄?，控制開關驅(qū)動陣列，驅(qū)動濾波器內(nèi)電容陣列的閉合與斷開的組合，進而控制濾波器參數(shù)，也就是通過控制濾波器中較少量不同權(quán)位的元件組合實現(xiàn)濾波器選頻，達到控制濾波器幅頻特性的效果。

??? 數(shù)字調(diào)諧濾波器優(yōu)點：頻率是通過控制濾波器中不同權(quán)位元件參數(shù)組合的結(jié)果，每一個指定頻率可能會有幾十、幾百、上千種組合供選用，我們從中可以選取最好濾波器幅頻特性指標的組合，因此數(shù)字調(diào)諧濾波器頻率的控制特性非常好。
??? 由于頻率是組合產(chǎn)生的，就克服了其他方案單一元器件參數(shù)非線性等問題，可以使待選點均勻分布，例如250個待選點較均勻分布在1O～30 MHz，每個步進就是0．08 MHz。又由于頻率是組合產(chǎn)生的，可以用最少不同權(quán)位的較少量元件組合而成，因此一套硬件可以組合出多種頻率，克服了多中心頻率就需多套濾波器組的缺點。
??? 此方案控制的是LC濾波器中的電容元件陣列，保留了LC濾波器功率容量大的優(yōu)勢。信號可以雙向傳輸也是一個優(yōu)點。此數(shù)字調(diào)諧濾波器的控制是由跳頻圖案的開關控制陣列控制的，速度可以很快，達到軍用跳頻通訊的要求。
??? 該方案缺點是：電路復雜，是數(shù)字電路與模擬電路的結(jié)合產(chǎn)物；體積中等；加入了控制器件，附加了差損；受結(jié)構(gòu)復雜性限制，很難做成高階濾波器；需要電路的內(nèi)部軟件的支撐，對外圍調(diào)、測試系統(tǒng)軟硬件要求高。通過以上對跳頻濾波器原理方案的分析比較，數(shù)字調(diào)諧濾波器適合軍用跳頻通訊的要求。

3 數(shù)字調(diào)諧濾波器關鍵技術(shù)
??? 數(shù)字調(diào)諧式濾波器電路中涉及數(shù)字邏輯電路、高壓驅(qū)動器電路、微波PIN陣列、電容陣列、磁粉芯變壓器等多種元器件硬件技術(shù)。濾波器單元組的設計和制作是數(shù)字調(diào)諧跳頻濾波器硬件關鍵技術(shù)。
??? 電路原理上是利用軟件的方法得到多種權(quán)位的器件參數(shù)組合，進而產(chǎn)生濾波器模塊功能的。因此，單純的硬件是不具備跳頻、選頻功能的，還需要模塊電路中的內(nèi)部軟件支撐。數(shù)字調(diào)諧跳頻濾波器的濾波器子單元組在制作過程，會產(chǎn)生電路硬件的獨特性，也就是每一塊電路的電性能特性彼此之間也不盡相同，因此每一塊電路的內(nèi)部適配軟件數(shù)據(jù)也是不盡相同，安裝了復制的軟件也將無法滿足模塊性能指標。因此，除了對硬件要求外，還需要復雜的軟件調(diào)試系統(tǒng)，對每一塊電路進行調(diào)試和測試，并對每一塊電路的內(nèi)部軟件賦予自己獨特的性能軟件。數(shù)字調(diào)諧跳頻濾波器的調(diào)試和測試軟件系統(tǒng)是數(shù)字調(diào)諧跳頻濾波器軟件關鍵技術(shù)。

4 結(jié)語
??? 數(shù)字調(diào)諧跳頻濾波器是軍用跳頻通訊的關鍵部件之一。數(shù)字調(diào)諧跳頻濾波器是一類多點跳頻、頻率精度高、可通過一定功率、適合射頻段的程控濾波器。它有著單元組合式濾波器、可變參數(shù)器件濾波器、數(shù)字濾波器等不可替代的優(yōu)勢。每個模塊內(nèi)部都帶有惟一的、與眾不同的軟件是數(shù)字調(diào)諧跳頻濾波器的最大特點，最佳的軟件配合硬件工作完成模塊最佳性能。