基于正交频分复用（OFDM）技术的L-DACS1系统设计

摘要：L波段数字航空通信系统（L⁃DACS1）是一种基于正交频分复用（OFDM）技术的多载波传输方案。该系统具有频谱利用率高、抗多径干扰能力强等优点，适用于信号传输信道更复杂的民用航空地⁃空通信，并作为未来数字航空通信系统的候选系统之一。研究了L⁃DACS1系统数字变频器的设计方案，并基于现场可编程门阵列（FPGA）在Apex-CPCI⁃5610通信开发板上实现了这种方案。测试结果表明，该方案能够正确地实现数字上/下变频，能够满足L⁃DACS1系统设计要求。
 

为了解决地空的数据传输业务增长而带来的高通信速度要求和高宽带要求问题，欧洲EUROCONTROL提出了未来航空通信系统（FAC）的候选系统，即L波段数字航空通信系统类型1和2（L⁃DACS1和L⁃DACS2）。其中L⁃DACS1 系统是一种基于正交频分复用（OFDM）技术，采用频分双工（FDD）模式，工作在L波段的多应用蜂窝宽带通信系统。提供双向点对点寻址数据链通信，该系统具有频谱利用率高、抗多径干扰能力强等优点，适用于信号传输信道更复杂的民用航空地⁃空通信[1]。

数字变频器是软件无线电系统中必不可少的一个模块，其作用是实现发射机基带信号的数字上变频及接收机A/D输出信号的数字下变频。本文通过研究L⁃DACS1协议[2]内容，针对L⁃DACS1系统的特点，基于Xilinx公司的FPGA开发板平台实现了L⁃DACS1系统变频器。

1 数字变频器的方案

本设计利用Matlab整定滤波器参数[3]，并利用Verilog HDL 语言编程，在ISE 开发环境下构建系统模型，用ModelSim 仿真软件进行仿真验证，最后下载到Apex⁃CPCI⁃5610通信开发板的V5芯片中，借助示波器和频谱仪对数字变频器进行进一步验证。

在L⁃DACS1 系统中，基带信号的带宽为249 kHz，采样率为625 kHz，根据系统要求及所用的开发板的性能将基带信号数字上变频到30 MHz的载波上，采样率为150 MHz。

图1显示给出了基带信号数字上变频到中频30 MHz的步骤框图。基带输出的信号采样率为625 kHz，由625 kHz的采样率变为150 MHz的采样率，采样倍数提高了240倍。本设计中选择的上变频方案为：首先经过4级半带滤波器的内插使采样率变为10 MHz，实现低速率的内插；再经过一个FIR滤波器的3倍内插，采样速率变为30 MHz；最后经过一个适合在高采样率条件下工作的CIC滤波器的5倍内插，采样率变为150 MHz，同时调用DDS IP核，产生频率为30 MHz，采样率为150 MHz的正余弦信号，分别与Q路和I路信号相乘，将两路信号的相乘结果相加并经过D/A变换便得到30 MHz的中频信号。

图1 数字上变频方案框图

图2显示给出了中频30 MHz信号数字下变频到基带信号的步骤框图。与数字上变频相反，采样速率降低240倍，本设计中选择的方案为：中频信号经过A/D变换后分别与本地载波信号相乘，产生I和Q两路基带信号，首先经过CIC滤波器的5倍抽取，采样速率变为30 MHz；之后再经过CIC 的6 倍抽取，采样率变为5 MHz；以上两个CIC滤波器实现了前端抗混叠的抽取，此时采样率降到了较低的频率，最后再经过3级半带滤波器的抽取即可得到采样率为625 kHz的基带信号，由于半带滤波器工作在较低的频率下，且滤波器的参数得到了优化，更容易以较低的阶数实现。

图2 数字下变频方案框图

2 数字变频器的设计与实现

2.1 NCO的设计与实现
在数字变频器中，本地震荡信号是通过DDS（Direct Digital Frequency Synthesis）产生的[4]。DDS 的基本原理是利用采样定理，通过查表法产生波形，DDS的结构有很多种，其基本的电路原理如图3所示。

图3 DDS结构框图

图4 给出了DDS 产生的本地载波信号波形图。由图4可以观测出，NCO可以产生并输出标准的正余弦波形，其中第一路是余弦，第二路是正弦。

图4 本地载波信号