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。隨著通訊技術發(fā)展，定載頻技術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，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，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。
    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的主要對抗方式，美國目前的技術達到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。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。跳頻濾波技術是跳頻通訊的關鍵技術之一，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)荻O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，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
    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。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。
    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。

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。