基于AD9959的FM及以下波段軟件無線電發(fā)射系統(tǒng)

郁凱 潘欣裕 陳昊 沈志昕 王儉

摘 要：文中主要介紹了基于AD9959和STM32的軟件無線電發(fā)射系統(tǒng)。系統(tǒng)對輸入音頻采用FM調(diào)制方式，無線電信號頻率為FM及以下波段，使用STM32F103系列MCU作為主控，使用型號為AD9959的DDS作為信號發(fā)生器，可實(shí)現(xiàn)語音采集、語音調(diào)制及發(fā)射等功能，并實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的數(shù)字化、模塊化與軟件化。

關(guān)鍵詞：軟件無線電;AD9959;FM;STM32;通信;ARM

中圖分類號：TP39文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：2095-1302（2019）09-00-02

0 引 言

軟件無線電系統(tǒng)基于軟件定義無線電通信協(xié)議，而非使用硬件連線[1]，打破了設(shè)備通信功能的實(shí)現(xiàn)僅僅依賴于硬件發(fā)展的格局[2]。近些年，軟件無線電已成為一個重要的研究課題[3]。基于ARM和DDS搭建的軟件無線電發(fā)射系統(tǒng)能夠發(fā)揮ARM在嵌入式領(lǐng)域的優(yōu)勢[4]，實(shí)現(xiàn)軟件無線電通用性、靈活性、便于互聯(lián)和升級的優(yōu)勢[5]。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用圖1所示的A/D-ARM-DDS硬件架構(gòu)，模塊化設(shè)計(jì)，通過使用DDS保證輸出信號的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。系統(tǒng)各模塊間采用高速通信方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。系統(tǒng)使用DMA讀取STM32內(nèi)置ADC的數(shù)據(jù)，通過SPI總線將處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送至AD9959。模塊間的通信在定時器中斷中進(jìn)行。

2 系統(tǒng)模塊簡介

2.1 信號采集

信號采集部分由STM32內(nèi)置ADC和外圍偏置電路組成，系統(tǒng)對輸入的信號進(jìn)行單聲道采樣，采樣頻率為25 kHz，滿足調(diào)頻廣播22 kHz的要求[6]。圖2所示的偏置電路在信號輸出端連接兩個等值電阻R1和R2，用于將輸入的帶有正負(fù)電壓的音頻信號偏置到0～3.3 V。電阻阻值不宜過高，以免影響信號拾取;不宜過低，導(dǎo)致電阻電流過大，影響系統(tǒng)安全。

2.2 信號處理

STM32F103內(nèi)置12位逐次逼近型模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，采樣分辨率為12 bit，采樣頻率最高可達(dá)1 MHz。系統(tǒng)通過STM32內(nèi)置定時器實(shí)現(xiàn)25 kHz的定時采樣，即每隔4 μs采樣一次，采樣數(shù)據(jù)經(jīng)DMA傳輸至STM32內(nèi)存。AD9959的串行I/O口提供了一個SPI操作模式，端口SCLK的最大速度為200 MHz。本系統(tǒng)中，STM32通過硬件SPI與AD9959通信。配置硬件SPI工作在2分頻狀態(tài)，STM32F103主頻為72 MHz，可得SPI時鐘頻率為36 MHz。每次更新AD9959頻率需傳輸7 B數(shù)據(jù)，由于，即系統(tǒng)可在4 μs的定時器中斷間隙完成數(shù)據(jù)傳輸。

2.3 信號發(fā)射

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)上電后開始工作，將輸入信號調(diào)制到預(yù)定參數(shù)并發(fā)射。系統(tǒng)上電后首先通過公式（2）計(jì)算出ADC各量化值對應(yīng)的調(diào)制后頻率，并建立對應(yīng)查詢表。在完成初始化后，系統(tǒng)以25 kHz的頻率進(jìn)入定時器中斷。在每次中斷時STM32通過查表將ADC轉(zhuǎn)化為頻率值，并通過SPI總線發(fā)送至AD9959頻率調(diào)諧寄存器，給AD9959對應(yīng)引腳發(fā)送更新數(shù)據(jù)指令，AD9959隨即將發(fā)送的正弦波更新為相應(yīng)頻率，系統(tǒng)的載波頻率可通過按鍵更改。系統(tǒng)流程如圖4所示。

4 系統(tǒng)測試

系統(tǒng)采用5 V/1 A單電源供電，保證射頻信號的功率處于安全范圍內(nèi)。將語音采集、信號處理、信號產(chǎn)生模塊進(jìn)行拼接，設(shè)置載波頻率為85.4 MHz，頻偏為75 kHz。系統(tǒng)工作后即可通過FM收音機(jī)在一定距離內(nèi)收聽到發(fā)射的音頻。

采用TEA5767芯片組成的FM收音機(jī)模塊進(jìn)行信號接收和解調(diào)，以驗(yàn)證無線電發(fā)射系統(tǒng)的性能。在信號輸入端輸入音頻信號，對比原始信號和經(jīng)FM調(diào)制并解調(diào)后的信號，可看到音頻信號能夠被較好地還原，即系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)音頻信號的FM調(diào)制。調(diào)制前和解調(diào)后的音頻信號波形如圖5所示。

之后，在系統(tǒng)的信號輸入端加上不同頻率的正弦信號，觀察其解調(diào)后的波形。測試結(jié)果統(tǒng)計(jì)見表1所列。

系統(tǒng)的音頻采樣頻率為25 kHz，理論上可達(dá)到無線電廣播的聲音品質(zhì)。在實(shí)際測試中，系統(tǒng)能穩(wěn)定傳輸語音信號，對于高于3 kHz的信號誤差相對增加，根據(jù)奈奎斯特采樣定理，本系統(tǒng)可以采集12.5 kHz以下的音頻信號。

5 結(jié) 語

本文主要介紹了利用STM32+AD9959的FM及其以下波段的簡易軟件無線電發(fā)射系統(tǒng)，經(jīng)過測試表明本系統(tǒng)可以適用于150 MHz及以下頻段的信號調(diào)制發(fā)射，獲得良好的效果。

參 考 文 獻(xiàn)

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