数字调谐滤波器原理及方案

数字调谐滤波器原理及方案

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设计结构的优点如下：
    由于它的内部滤波器单元是独立的，因此可以根据要求制作各种原理的滤波器，滤波器1和滤波器2拓扑结构可以完全不同，设计和应用比较灵活；
    由于切换单元只进行了开关阵列的数字控制，因此数字滤波器跳频速度很快，可以达到微秒数量级；滤波单元主要由LC构成，不受半导体器件静态直流工作点影响，因此功率容量较大。同时，LC可选择温度特性较好的器件，因此滤波器的中心频率温度漂移等温度特性较好。这种设计结构，原理简单，也容易实现。在民用领域得到完善和发展，早期的通讯机和电视机的高频头调谐调台器等就是一个成功范例。
    单元组合式滤波器组的缺点也是很明显的：
    系统需要多少种跳频点，就需要制作多少个滤波器单元，每一个滤波器单元独立调试。多组滤波器单元，元件数量多、体积大、调试难度大。一般8组以上的系统需求，多组滤波器组合的大体积就麻烦了。
    多组滤波器组装在一个距离很近的空间，在射频或更高频段，必然会引起相互干扰。就是说滤波器不仅受接通单元集中参数和分布参数的影响，还受相邻单元的分布参数影响，往往一个滤波器单元调整好了，相邻的单元又不正常。这对滤波器的设计与调试难度，单元组合式滤波器组占用空间提出很高要求，很难在现代跳频通讯中应用。
    因此这种设计结构方案，在小单元数量的跳频滤波器设计中是广泛采用的，但多达250个以上跳频点的跳频通讯系统中是无法实施的。
2．2 可变参数器件式滤波器方案
    可变参数器件式滤波器的方案如图3，方案的关键是滤波器内部有一个参数可控的器件。同样，数字调谐的“控制码”通过“控制器”控制这个器件，例如通过控制压控元件、变容二极管的参数，改变了滤波器的整体参数，从而改变滤波器的中心频率，达到数字调谐选频滤波的目的。

    可变参数器件式滤波器方案的优点在于电路体积可以制作得很小，电路调试也比较方便，因此，配合了锁相和数字存储技术，在民用领域得到完善和发展，彩电的电调谐调台器等就是一个很成功范例。
    可变参数器件式滤波器方案的缺点在于：“参数可变”器件线性一般都不好，可控范围较小，通过分段调谐方法可以改善；此类器件主动控制的精度都较差，虽可通过锁相等技术得到弥补，但锁相频率和速度都较低，受到锁相频率和速度的局限，可变参数器件式滤波器很难在需要高频跳频领域采用；一般这种器件温度特性较差，无法使滤波器的电性能延展到军用温度范围；受控的器件功率容量都较小，无法通过功率信号，适合作为信号处理，而不适合发射、接收机中使用。因此可变参数器件式滤波器很难在军用跳频通讯中应用。
2．3 数字式滤波器方案
    数字式滤波器原理框图如图4所示，其方案基于数字信号处理，把输入模拟信号首先经过A／D转换器变为数字信号，再通过微处理器的FFT(快速傅里叶变换)和IFFT(快速傅里叶逆变换)等变换，进行滤波器函数算法处理数据，最后把处理好的信号通过D／A转换输出。

    数字式滤波器方案的优点：依靠微处理器可以使用非常复杂的算法，设计合适程序，实际可完成的功能可以远远不止滤波要求，甚至可以实现各种信号分析、识别工作。软件处理方式灵活，处理精度高这是该方案的优势，也是未来所有信号处理领域的发展趋势。
    但是，这种方案缺点是：基于信号处理，功率容量小，无法通过功率信号传输；依赖于微处理器和A／D，D／A转换的速度，目前处理速度慢，只能适合处理几百kHz以下的信号；信号只能单向传输。
    此外，数字式滤波器还有一类分支——可编程滤波器。MAXIM公司出品了单芯片可编程滤波器MAX264，该器件内部集成了滤波器所需的电阻、电容，无需外接器件，且其中心频率、Q值及工作模式都可通过引脚编程设置进行控制。MAX264可工作于带通、低通、高通、带陷或是全通模式下，其通带截止频率可达140 kHz；可以完成简易的数控调谐功能，但其可控点非常少，最高工作频率较低，温度特性也较差，远远不能满足现在工作在射频范畴的跳频电台要求，频率差距有3～4个数量级。也有人用“可编程逻辑器件(FPGA)”或“专用集成电路(ASIC)”做出相关产品，其所称“高频”也只能达到1 MHz，对于军用通讯的要求也相差几个数量级。单芯片的可编程滤波器是发展的方向，几个数量级的差距至少需要十年以上时间的技术发展才能跟上。

2．4 数字调谐式滤波器方案
    数字调谐滤波器原理框图如图5，控制码通过输入接口电路，控制数字逻辑，数字逻辑中包含移位寄存、程控振动器等逻辑电路，把存储器中存储的数据读入，转变为控制序列，控制开关驱动阵列，驱动滤波器内电容阵列的闭合与断开的组合，进而控制滤波器参数，也就是通过控制滤波器中较少量不同权位的元件组合实现滤波器选频，达到控制滤波器幅频特性的效果。

    数字调谐滤波器优点：频率是通过控制滤波器中不同权位元件参数组合的结果，每一个指定频率可能会有几十、几百、上千种组合供选用，我们从中可以选取最好滤波器幅频特性指标的组合，因此数字调谐滤波器频率的控制特性非常好。
    由于频率是组合产生的，就克服了其他方案单一元器件参数非线性等问题，可以使待选点均匀分布，例如250个待选点较均匀分布在1O～30 MHz，每个步进就是0．08 MHz。又由于频率是组合产生的，可以用最少不同权位的较少量元件组合而成，因此一套硬件可以组合出多种频率，克服了多中心频率就需多套滤波器组的缺点。
    此方案控制的是LC滤波器中的电容元件阵列，保留了LC滤波器功率容量大的优势。信号可以双向传输也是一个优点。此数字调谐滤波器的控制是由跳频图案的开关控制阵列控制的，速度可以很快，达到军用跳频通讯的要求。
    该方案缺点是：电路复杂，是数字电路与模拟电路的结合产物；体积中等；加入了控制器件，附加了差损；受结构复杂性限制，很难做成高阶滤波器；需要电路的内部软件的支撑，对外围调、测试系统软硬件要求高。通过以上对跳频滤波器原理方案的分析比较，数字调谐滤波器适合军用跳频通讯的要求。

3 数字调谐滤波器关键技术
    数字调谐式滤波器电路中涉及数字逻辑电路、高压驱动器电路、微波PIN阵列、电容阵列、磁粉芯变压器等多种元器件硬件技术。滤波器单元组的设计和制作是数字调谐跳频滤波器硬件关键技术。
    电路原理上是利用软件的方法得到多种权位的器件参数组合，进而产生滤波器模块功能的。因此，单纯的硬件是不具备跳频、选频功能的，还需要模块电路中的内部软件支撑。数字调谐跳频滤波器的滤波器子单元组在制作过程，会产生电路硬件的独特性，也就是每一块电路的电性能特性彼此之间也不尽相同，因此每一块电路的内部适配软件数据也是不尽相同，安装了复制的软件也将无法满足模块性能指标。因此，除了对硬件要求外，还需要复杂的软件调试系统，对每一块电路进行调试和测试，并对每一块电路的内部软件赋予自己独特的性能软件。数字调谐跳频滤波器的调试和测试软件系统是数字调谐跳频滤波器软件关键技术。

4 结语
    数字调谐跳频滤波器是军用跳频通讯的关键部件之一。数字调谐跳频滤波器是一类多点跳频、频率精度高、可通过一定功率、适合射频段的程控滤波器。它有着单元组合式滤波器、可变参数器件滤波器、数字滤波器等不可替代的优势。每个模块内部都带有惟一的、与众不同的软件是数字调谐跳频滤波器的最大特点，最佳的软件配合硬件工作完成模块最佳性能。