1. 概述
现代通讯技术的快速发展对接收机性能提出了更高的要求，除了要求接收天线具有很宽的带宽、接收机具有很高的数据传输速率外，还要求接收机拥有同时处理多路信号的能力。多通道信道化数字接收机具有高精度、高灵活性、大动态范围以及小尺寸等优良特性，并且能够同时处理多路信号，是当前无线电通信领域的一个研究热点。
2. 设计思路及方案特点
针对多通道信道接收机的特点和指标需求，设计了基于数字下变频（DDC）和多相滤波结构的频谱感知系统，并基于FPGA硬件平台对其进行实现，从而快速精确实现频谱感知的同时降低硬件消耗。
本系统通过对8个通道进行模数转换（Analog-to-Digital Converter，ADC），将天线接收到的信号数字化，后续能够通过数字信号处理技术实现数字下变频、抽取、滤波、信道化等操作。首先经过数字下变频（Digital Down Converter，DDC）把ADC采集到的数字信号从中频搬移到零频，方便后续的处理。由于输入信号采样率较高，下变频后需要先对信号进行降采样抽取。抽取之后经过一个抗混叠低通滤波器，以免后续信号处理出现混叠。最后对降采样后的信号进行信道化处理，可以得到每个信道的信号。经过光纤接口发送给工控机，最终通过PCIE接口发送给上位机。上位机可以控制通道和信道的选择、时域和频域信号的显示以及数据的文件存储。
3. 主要功能性能指标
4. 工作原理
4.1 数字下变频
数字下变频主要包括三个功能：第一是变频，数字混频器将数字中频信号和DDS产生的正交本振信号相乘，生成I/Q两路混频信号，也就将中频信号降至零中频；第二是低通滤波，滤除带外信号，提取出有效信号；第三是数据抽取，降低采样速率，以便进行后续的信号处理，减少运算量。
根据傅立叶变换的性质，实信号x（t）的频谱X（f）具有共轭对称性，即X（f）=X*(-f)
，正负频率的幅度分量是对称的，相位分量是相反的，只需用其正频分量或负频分量就能完全描述x（t），而不会丢失任何波形信息。取信号的正频分量，构造一个信号z（t）
，则其频谱可以表示为
利用傅立叶变换，得到：
在实际中，理想Hilbert变化的滤波器也是很难实现的；而对于有载波频率的接收信号，采用混频正交基带变换技术，可以相对容易得到基带信号的复解析信号。
窄带信号通常表示为：
对于数字信号做下变频，先要与两个正交的本振信号cosw（t）和 sin（t）相乘，再通过低通滤波器，然后对信号进行抽取，最终可以得到基带信号。数字下变频的一般处理流程如下图所示：
4.2 数字抽取滤波器
CIC滤波器是主要用于在软件无线电多速率系统中对信号实现较大采样率转换的多速率滤波器。CIC滤波器是无乘法器结构，仅由加法器和延迟元件组成，这在降低功耗方面具有很大优势,因此，CIC滤波器经常应用于软件无线电中的数字下变频器和数字上变频器,CIC滤波器是一类硬件有效的线性相位FIR数字滤波器，由一个相等的理想积分器和梳状滤波器对的级数,该滤波器的高度对称结构允许在硬件中高效实现。然而，CIC滤波器的缺点是通带不平坦，这对信号的过滤会产生影响，这在许多应用中是不希望出现的。CIC滤波器在搭建中无需使用乘法器即可降低信号的采样率，即对信号进行抽取操作，CIC滤波器首先执行平均运算，然后进行抽取。
对于 CIC 抽取滤波器而言，其冲激响应满足：
其中，D为CIC滤波器的抽取倍数。对上展开Z变换之后，可以得到单级传递函数：
其实现结构可有直接实现和间接实现两种，两种结构分别如下图所示：
当w=0时，可以取到幅值最大点，其增益为D。在D=8时其单级幅频特性如下图所示：
此时，主瓣幅度与第一旁瓣幅度的比值为：
可以看出，单级CIC滤波器所对应的旁瓣电平相对较高，此时阻带衰减不足，很难有效抑制噪声，会使得在抽取时由于频谱折叠所引起的混叠对信噪比产生较大的影响。以8倍抽取为例，其抽取前后的频带响应如下图所示：
对于多级 CIC 滤波器而言，L阶的传递函数与单级非常相近，为：
主瓣幅度与第一旁瓣幅度的比值为：
从上式可以看出，多级结构的阻带衰减有所改善，进一步减小了带内混叠。其每增加一级级联，阻带衰减增加13.465dB。将8倍抽取，单级和五级级联的幅频特性曲线绘制在下中，更加直观的观察单级和多级在阻带衰减和通带衰减上的差异。
5. 接口设计
5.1 光纤接口
板卡提供4路SFP+万兆光纤接口，支持10Gbps光模块。SFP+接口为标准LC接口，兼容多家厂商光模块。板卡的4路光纤通道，通道速率不同、协议不同，所需要的参考时钟亦不相同。下表列出了几种常见协议的参考时钟，本板出厂时，默认安装的时钟晶振为156.25MHz，支持6.25G以上高速传输。
板卡FPGA内嵌光纤协议控制器，具体指标如下：
5.2 PCIE接口
DMA 功能是PCIe总线传输数据的一种重要方式，FPGA 完成 DMA 控制器的功能，能够将数据通过PCIe通道直接搬运到PC机的内存中，极大提供了数据传输带宽。
基于Xilinx Gen2 Integrated Block for PCIe IP核的PCIe DMA控制器，该控制器IP Core满足 PCI Express Gen2标准，采用DMA的数据交互方式，在整个数据传输的过程中，完全不需要主机CPU的干预，适合于海量数据传输、高带宽数据交互的应用场景。
该控制器IP CORE适用于Xilinx Kintex-7系列支持PCIe Gen2硬核的 FPGA，可以工作在X4或者X8模式，支持Windows（32位或64位）操作系统。
该控制器IP CORE与驱动程序相结合实现了高速接口的数据处理、PCIe DMA控制器、DDR3缓存控制、计算机数据交互，PCIe上行链路数据速率可以达到3GByte/s，PCIe下行链路数据速率可以达到2.8GByte/s，可广泛适用于图形图像传输、高速 AD/DA 采集回放等应用场景。
该 DMA 控制器核的主要特点有：
（1）支持 PCI Express Gen2 标准，可选 X4 或者 X8 模式；
（2）独立的 DMA 传输通道，X8 模式下：
- 上行链路传输速率可以达到 3.2GByte/s；
- 下行链路传输速率可以达到 3GByte/s；
（3）支持多种硬件缓冲方式：
- FIFO 模式；
- DDR3 模式；
（4）高性能 PC 机接口驱动，支持以下操作系统：
- Windows 7 32 /64位操作系统：
- Win Server 2008 / 2012 操作系统
6. 硬件设计
6.1 ADC采集板
FMC128是一款基于TI公司的16bit-250MSPS高速模数转换器ADS62LB69设计的标准单槽位、风冷散热结构的FMC子卡模块，FMC128最大支持8通道模拟信号输入、输入阻抗为50欧姆，交流耦合方式。FMC128支持外同步/触发输入，时钟模式支持内部参考时钟和外部参考时钟以及外部采样时钟三种模式，时钟选择通过SPI总线来实现。
FMC128的电气与机械设计依据FMC标准（符合ANSI/VITA 57.1规范），支持风冷，能够满足用户在特殊环境下的应用。
该板卡可广泛应用于通信多载波、雷达与智能天线、测试与测量、软件无线电等。
板卡技术指标:
AD接口性能：
- 支持8路模拟信号输入；
- 采样率：最高支持250MSPS；
- 分辨率：16位；ENOB@170MHz：12.1bits；
- 支持单端交流耦合方式；
- 模拟输入电压范围：差分输入电压范围2Vpp；
- 模拟输入带宽：max 500MHz@2Vpp；
- SFDR@170MHz：75dBc@0 dB gain，82dBc@6 dB gain；
- SINAD@170MHz：69.8dBFS@0 dB gain，66.5dBFS@6 dB gain；
- 典型功耗：8W；
FMC接口指标：
- 标准FMC子卡，符合VITA57.1规范；
- 板卡结构采用风冷结构；
- 板卡尺寸：78x69mm；
- FMC连接器型号：ASP-134488-01；
- 板卡采用+12V供电，其他电源均未使用；
- FMC子卡的VIO_B未使用；
- 支持IIC接口；
时钟接口性能：
- 1个高性能时钟管理单元AD9516-1；
- 板载1个10MHz的高性能VCXO晶振；
- 支持外参考钟输入；
- 支持外采样钟输入；
物理与电气特征：
- 板卡尺寸：78 x 69 mm；
- 板卡供电：1A max@+12V（±5%）；
- 散热方式：自然风冷散热；
环境特征：
- 工作温度：-40°C~+85°C；
- 存储温度：-55°C~+125°C；
- 工作湿度：5%~95%，非凝结；
6.2 数字处理板
TES307是一款基于Xilinx Kintex-7 XC7K325T 的FMC USB3.0 SATA 四路光纤数据转发卡，该板卡具有4路SFP+10G光纤通道接口，板卡采用Xilinx的高性能Kintex-7系列FPGA作为主控制器，实现最高10G光纤协议的解析。pin_to_pin兼容FPGAXC7K410T-2FFG900 。板载1组独立的64位DDR3 SDRAM大容量缓存。板卡具有4路SATA3.0接口，支持标准SATA接口存储设备。具有USB3.0接口，HPC的FMC连接器，板卡支持各种接口输入。软件具有windows，Linux驱动。
在HPC硬件加速领域，该板卡的光纤通道适应于10G万兆以太网互联，并通过板载FPGA做算法加速，将一部分在服务器上做的算法转移到板载处理器中，极大减轻服务器的运算压力。
在航空电子半实物仿真应用领域，光纤通道支持FC-AE-1553B、ARINC818等协议标准，板载协议处理器，可将总线的数据进行分析处理转发，并能模拟故障注入。
功能和技术指标：
物理与电气特征
6.3 PCIe接口板
PCIE730 是一款基于PCI Express总线的高性能4通道10G光纤通道适配器，该板卡具有4路SFP+10G光纤通道接口，X8 PCIe主机接口，板卡采用 Xilinx的高性能Kintex-7系列FPGA作为主控制器，实现最高10G光纤协议的解析以及 PCI Express总线接口的转换。板载1组独立的 64 位 DDR3 SDRAM大容量缓存。板卡具有4路SATA3.0接口，支持标准SATA接口存储设备。该板卡为标准全高半长PCI Express尺寸，适合于目前主流的服务器或超微工作站，可广泛应用于数据中心、大型服务器加速运算等场景。
该板卡可以用于基于服务器的数据传输、硬件加速、半实物仿真等场景。
在高速数据传输领域，板卡可以将光纤采集的高速图像/模拟信号进行高速缓存、数据处理，然后通过DMA的方式将数据传输至服务器的内存中，板卡支持PCIe gen2接口速率，高达3.2GByte的传输带宽可以满足大部分数据传输的需求。
在HPC硬件加速领域，该板卡的光纤通道适应于10G万兆以太网互联，并通过板载FPGA做算法加速，将一部分在服务器上做的算法转移到板载处理器中，极大减轻服务器的运算压力。
在航空电子半实物仿真应用领域，光纤通道支持FC-AE-1553B、ARINC818等协议标准，板载协议处理器，可将总线的数据进行分析处理转发，并能模拟故障注入。
7. 测试环境搭建
信号源用来产生测试信号，通过BNC转SSMA的电缆线接入ADC板的8路ADC的采集通道；数字处理板实现ADC FMC的连接、数字下变频和信道化处理的功能，最后通过SFP+光纤接口将信道化处理后的数据发送给PCIE接口板；PCIE接口板实现光纤接口的数据接收和缓存、PCIE接口的数据转发，最后将信号转发至上位机的文件系统中；主机通过显控界面实现显示和控制的功能，利用PCIE接口通过DMA的方式读取信道化处理的数据，主要显示信道化处理后的信号波形和信号频谱，可以在上位机控制显示指定ADC通道的指定信道的时域和频域波形。
8. 指标测试
具体测试内容：主要测试信道化处理算法的正确性，以及系统数据链路的传输正确性。
测试方法：
1）首先，断电条件下，按照上节要求搭建系统测试环境；
2）打开信号源开关，设置测试信号的幅度(1Vpp)和频率，信号类型为正弦波，先关闭信号输出；
3）打开主机电源，并给数字处理载板上电（ADC板发热比较大，最好单独拿风扇吹着散热）；
4）设置要显示的ADC通道（0~7）及信道（0~127），，点击“重置信号参数”后即可生效。完成相关参数后，点击“启动数据传输”按钮，即可开始信道化处理的测试，波形显示区即可显示相关的波形信息，此时也可以修改要显示的ADC通道或信道，点击“重置信号参数”后即可生效。如果需要存储信道化波形，点击“保存数据”按钮即可存储波形文件到硬盘中。
以ADC1的3000kHz的输入作为测试，验证文件保存的正确性。系统波形显示正常后，点击“保存数据”，即可保存当前的信道化原始数据，每组数据32bit，低16bit为实部，高16bit为虚部，将波形数据导入MATLAB软件中进行分析，可以得到信道化的数据及频谱信息，如下图所示。可与上位机中显示的信号时域和频域波形进行对比，验证算法的准确性。
ADC1-1
ADC1-2
ADC2-1
ADC2-2
。。。。。。
