如何基于FPGA的短波通信接收機？

短波通信又稱高頻通信，是利用HF波段(3-30MHz)電磁波進行的無線電通信。短波通信主要靠天波傳播，可經電離層一次或數次反射，最遠可傳至上萬里，如按氣候、電離層的電子密度和高度的日變化以及通信距離等因素選擇合適頻率，就可用較小功率進行遠距離通信。短波通信設備較簡單，機動性大，因此也適應于應急通信和抗災通信。現代短波通信接收機正向著數字化、大通信帶寬方向發展。文獻[1-3]研究了短波通信的數字化實現方式，但其未對短波通信的大帶寬應用進行探討;文獻[4-6]研究了通信信道化算法，其對一定帶寬內的多信道高效算法進行了詳細的討論，并給出了具體實現的有效算法。本文將信道化算法應用于短波通信，研究采用信道化算法基于FPGA 的短波通信接收機及其具體實現方案，為未來短波通信發展的研究，進行初步的理論探索。

1 短波數字通信接收機

常規短波數字通信接收機由模擬前端、模數轉換器(ADC)、數字下變頻(DDS)以及數字信號處理(DSP)等四部分組成，其結構如圖1 所示。短波數字通信接收機的模擬前端對輸入的3-30MHz 模擬信號進行濾波、放大等處理，然后將處理后的回波信號利用ADC 進行采樣，再將采樣后得到的數字信號送入DDS 進行數字下變頻，以得到可以利用DSP 進行處理的低速信號，最后將經過數字下變頻的數字信號送入DSP 等數字信號處理芯片進行數字信號處理，解調出通信語音等有用信息。

圖1 短波數字通信接收機結構示意圖

常規短波數字通信接收機的數字信號處理部分通常由DSP芯片來實現，由于DSP的處理能力有限，因此一般需要先進行數字下變頻，以降低數據率，從而滿足DSP的處理能力。然而這種結構存在硬件設計復雜，且通信帶寬較低等缺點。

2 基于FPGA 的短波通信接收機

2.1 短波通信接收機信道化數學模型

信道化接收是指對整個帶寬信號進行信道劃分，以實現對任意信道信號的接收，短波通信信道化接收機將整個3-30MHz帶寬劃分為N個均勻的信道，如圖2所示。然后可以同時對任意一個信道中的信號進行接收，從而實現較大的通信帶寬。

圖2 信道分配圖

由圖2可知，為了可以對任意一個信道中的信號進行接收，首先需要將任意一個信道中的信號或者同時將幾個信道中的信號解調到視頻，因此基于圖1中固定的一個DDS的硬件結構在信道化接收機中不再適用，同時解調多個信道的信號對后續的信號處理又提出了新的難題，因此急需提出一種新的短波通信接收機，以解決目前短波通信中存在的問題。

2.2 基于FPGA 的短波通信接收機

根據上節的分析，本節提出基于FPGA的信道化接收機模型，其結構如圖3所示。由于FPGA具有高度的靈活性以及高速的信號處理能力，其完全可以實現多路DDS以及后續的信號處理，且可以根據實際應用需求，可以通過提高芯片的規模來實現更復雜、更大帶寬的短波通信。

圖3 基于FPGA 的短波通信接收機系統方案

其中FPGA實現多路DDS下變頻以及后續的信號處理解調算法，利用FPGA 的靈活性和實時性實現短波通信的信道化算法，從而在理論上實現了真正的軟件無線電短波通信接收機。

3 結論

短波數字通信接收機隨著現代電子技術的進步而得到了極大的發展。本文提出的基于FPGA的短波通信接收機，利用信道化技術以及FPGA 的高實時性，實現了對帶寬內任意信道信號的解調。本文提出的基于FPGA的短波通信接收機從結構到算法上第一次完整實現了基于軟件無線電的短波通信接收機。