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(hào)信息一般是低頻信號(hào)，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(jì)算機(jī)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(hào)發(fā)信機(jī)被傳送的信息可以是模擬的或數(shù)字的信號(hào)形式，信號(hào)經(jīng)過調(diào)制，獲得副載波頻率固定的已調(diào)波信號(hào)，再與頻率合成器輸出的主載波頻率信號(hào)進(jìn)行混頻，使其輸出的已調(diào)波信號(hào)的載波頻率達(dá)到射頻通帶的要求，后饋至天線發(fā)射出去。收信機(jī)通過帶通濾波器選定需要的載波頻率信號(hào)，經(jīng)過放大、頻率合成器、解調(diào)器，得到發(fā)信機(jī)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(hào)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(hào)，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(kuò)頻方式之一，其工作原理是指收發(fā)雙方傳輸信號(hào)的載波頻率按照預(yù)定規(guī)律進(jìn)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(jī)變化碼的控制而隨機(jī)跳變。從通信技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方式來說，“跳頻”是一種用碼序列進(jìn)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(shí)域上來看，跳頻信號(hào)是一個(gè)多頻率的頻移鍵控信號(hào)；從頻域上來看，跳頻信號(hào)的頻譜是一個(gè)在很寬頻帶上以不等間隔隨機(jī)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(yīng)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(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行差錯(cuò)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(duì)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(qiáng)的反破譯能力。同時(shí)，跳頻通信也具有良好的抗干擾能力，即使有部分頻點(diǎn)被干擾，仍能在其他未被干擾的頻點(diǎn)上進(jìn)行正常的通信。民用領(lǐng)域，由于跳頻通信系統(tǒng)是瞬時(shí)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(tái)可以與常規(guī)的窄帶電臺(tái)互通，有利于設(shè)備的更新；跳頻還利用頻分、碼分多址復(fù)用的優(yōu)點(diǎn)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(tái)跳頻電臺(tái)在20世紀(jì)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(duì)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(duì)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(duì)抗技術(shù)。
??? 破解跳頻碼實(shí)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(duì)抗方式，美國(guó)目前的技術(shù)達(dá)到1 000次／s的掃頻，即跳頻時(shí)間小于1 ms就無法捕捉，而目前跳頻技術(shù)已經(jīng)能達(dá)到跳頻時(shí)間小于10μs，目前的處理速度對(duì)抗跳頻技術(shù)也有2個(gè)數(shù)量級(jí)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(jī)功率影響，功率需要達(dá)到跳頻電臺(tái)發(fā)射功率的幾十倍才能達(dá)到干擾效果，對(duì)抗跳頻電臺(tái)，往往投入大收效小。因此，目前三類主要電子對(duì)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(jī)系統(tǒng)通道中的一種帶通濾波器，按自己設(shè)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(jī)的信噪比，從而降低系統(tǒng)對(duì)跳頻收發(fā)信機(jī)的要求，使跳頻通信設(shè)備能更高效可靠，同時(shí)也能達(dá)到保密的要求。跳頻濾波技術(shù)是跳頻通訊的關(guān)鍵技術(shù)之一，下文將對(duì)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(shí)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(guān)改變帶通濾波器的全部或部分參數(shù)來達(dá)到的。在實(shí)際應(yīng)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(shí)現(xiàn)方案。下面對(duì)各種濾波器的技術(shù)原理進(jìn)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(gè)帶通濾波器對(duì)應(yīng)一個(gè)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(guān)陣列”，切換內(nèi)部不同的濾波器子單元，達(dá)到數(shù)字調(diào)諧選頻濾波的目的；也可以手動(dòng)調(diào)節(jié)控制器，達(dá)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(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)如下：
??? 由于它的內(nèi)部濾波器單元是獨(dú)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以完全不同，設(shè)計(jì)和應(yīng)用比較靈活；
??? 由于切換單元只進(jìn)行了開關(guān)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(dá)到微秒數(shù)量級(jí)；濾波單元主要由LC構(gòu)成，不受半導(dǎo)體器件靜態(tài)直流工作點(diǎn)影響，因此功率容量較大。同時(shí)，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(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，原理簡(jiǎn)單，也容易實(shí)現(xiàn)。在民用領(lǐng)域得到完善和發(fā)展，早期的通訊機(jī)和電視機(jī)的高頻頭調(diào)諧調(diào)臺(tái)器等就是一個(gè)成功范例。
??? 單元組合式濾波器組的缺點(diǎn)也是很明顯的：
??? 系統(tǒng)需要多少種跳頻點(diǎn)，就需要制作多少個(gè)濾波器單元，每一個(gè)濾波器單元獨(dú)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(gè)距離很近的空間，在射頻或更高頻段，必然會(huì)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(gè)濾波器單元調(diào)整好了，相鄰的單元又不正常。這對(duì)濾波器的設(shè)計(jì)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(yīng)用。
??? 因此這種設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)方案，在小單元數(shù)量的跳頻濾波器設(shè)計(jì)中是廣泛采用的，但多達(dá)250個(gè)以上跳頻點(diǎn)的跳頻通訊系統(tǒng)中是無法實(shí)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(guān)鍵是濾波器內(nèi)部有一個(gè)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(gè)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(dá)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(diǎn)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(chǔ)技術(shù)，在民用領(lǐng)域得到完善和發(fā)展，彩電的電調(diào)諧調(diào)臺(tái)器等就是一個(gè)很成功范例。
??? 可變參數(shù)器件式濾波器方案的缺點(diǎn)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(dòng)控制的精度都較差，雖可通過鎖相等技術(shù)得到彌補(bǔ)，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(lǐng)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(hào)，適合作為信號(hào)處理，而不適合發(fā)射、接收機(jī)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(yīng)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(hào)處理，把輸入模擬信號(hào)首先經(jīng)過A／D轉(zhuǎn)換器變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，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(jìn)行濾波器函數(shù)算法處理數(shù)據(jù)，最后把處理好的信號(hào)通過D／A轉(zhuǎn)換輸出。

??? 數(shù)字式濾波器方案的優(yōu)點(diǎn)：依靠微處理器可以使用非常復(fù)雜的算法，設(shè)計(jì)合適程序，實(shí)際可完成的功能可以遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止濾波要求，甚至可以實(shí)現(xiàn)各種信號(hào)分析、識(shí)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(shì)，也是未來所有信號(hào)處理領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)。
??? 但是，這種方案缺點(diǎn)是：基于信號(hào)處理，功率容量小，無法通過功率信號(hào)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(hào)；信號(hào)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(shè)置進(jìn)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(dá)140 kHz；可以完成簡(jiǎn)易的數(shù)控調(diào)諧功能，但其可控點(diǎn)非常少，最高工作頻率較低，溫度特性也較差，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足現(xiàn)在工作在射頻范疇的跳頻電臺(tái)要求，頻率差距有3～4個(gè)數(shù)量級(jí)。也有人用“可編程邏輯器件(FPGA)”或“專用集成電路(ASIC)”做出相關(guān)產(chǎn)品，其所稱“高頻”也只能達(dá)到1 MHz，對(duì)于軍用通訊的要求也相差幾個(gè)數(shù)量級(jí)。單芯片的可編程濾波器是發(fā)展的方向，幾個(gè)數(shù)量級(jí)的差距至少需要十年以上時(shí)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(dòng)器等邏輯電路，把存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)讀入，轉(zhuǎn)變?yōu)榭刂菩蛄?，控制開關(guān)驅(qū)動(dòng)陣列，驅(qū)動(dòng)濾波器內(nèi)電容陣列的閉合與斷開的組合，進(jìn)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(shí)現(xiàn)濾波器選頻，達(dá)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(diǎn)：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(gè)指定頻率可能會(huì)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(biāo)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(diǎn)均勻分布，例如250個(gè)待選點(diǎn)較均勻分布在1O～30 MHz，每個(gè)步進(jìn)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(diǎn)。
??? 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(shì)。信號(hào)可以雙向傳輸也是一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。此數(shù)字調(diào)諧濾波器的控制是由跳頻圖案的開關(guān)控制陣列控制的，速度可以很快，達(dá)到軍用跳頻通訊的要求。
??? 該方案缺點(diǎn)是：電路復(fù)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(fù)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(duì)外圍調(diào)、測(cè)試系統(tǒng)軟硬件要求高。通過以上對(duì)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(guān)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(dòng)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(shè)計(jì)和制作是數(shù)字調(diào)諧跳頻濾波器硬件關(guān)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(jìn)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(huì)產(chǎn)生電路硬件的獨(dú)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(fù)制的軟件也將無法滿足模塊性能指標(biāo)。因此，除了對(duì)硬件要求外，還需要復(fù)雜的軟件調(diào)試系統(tǒng)，對(duì)每一塊電路進(jìn)行調(diào)試和測(cè)試，并對(duì)每一塊電路的內(nèi)部軟件賦予自己獨(dú)特的性能軟件。數(shù)字調(diào)諧跳頻濾波器的調(diào)試和測(cè)試軟件系統(tǒng)是數(shù)字調(diào)諧跳頻濾波器軟件關(guān)鍵技術(shù)。

4 結(jié)語(yǔ)
??? 數(shù)字調(diào)諧跳頻濾波器是軍用跳頻通訊的關(guān)鍵部件之一。數(shù)字調(diào)諧跳頻濾波器是一類多點(diǎn)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(shì)。每個(gè)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(diǎn)，最佳的軟件配合硬件工作完成模塊最佳性能。