基于軟件無線電的通用調(diào)制器設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

王 贏

(南京熊貓漢達(dá)科技有限公司,江蘇 南京 210000)

1 軟件無線電的概念

軟件無線電是新型無線電通信體系結(jié)構(gòu)形式。軟件無線電是將模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化的硬件單元以總線方式進(jìn)行鏈接,將其搭建成平臺(tái),通過加載不同的軟件波形來傳輸各種無線通信的功能。構(gòu)建集開放性、標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化為一體的通用硬件平臺(tái),通過軟件作為載體,是思想的整體革新,應(yīng)對(duì)其高度重視。當(dāng)前,對(duì)軟件無線電研究還存有局限。軟件無線電依托高度數(shù)字化得以完成,且器件水平也難以滿足標(biāo)準(zhǔn)需求,在軟件無線電設(shè)計(jì)方面也存在缺失,通過軟件無線電思維模式,對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行全方位調(diào)整[1]。

軟件無線電基本思想是對(duì)硬件平臺(tái)進(jìn)行整體性構(gòu)建,充分發(fā)揮其功能特點(diǎn),保證寬帶轉(zhuǎn)換器與天線位置相連接,數(shù)字上變頻作為軟件無線電重要技術(shù)類型,在受器件規(guī)模及速度制約影響下,但實(shí)現(xiàn)中頻信號(hào)進(jìn)行數(shù)字上變頻還需天線位置呈現(xiàn)已連接狀態(tài),雖作為軟件無線電中關(guān)鍵技術(shù)形式,但在設(shè)備規(guī)模和速度作用下,仍然需要數(shù)字上變頻作為支撐,且需要花費(fèi)一定時(shí)間,還需借助專用集成芯片將相關(guān)功能加以體現(xiàn)。高性能、高速率的數(shù)字正交上變頻器具有集成度高、輸出信號(hào)穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn),為數(shù)字正交上變頻器提供了根本保障。芯片融入軟件無線電變化中,對(duì)基帶數(shù)字進(jìn)行排序處理,凸顯出數(shù)字上變頻功能,嚴(yán)格遵照相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范及原則將芯片合成為高速直接數(shù)字頻率合成器及高速高性能數(shù)模轉(zhuǎn)換器設(shè)備,已達(dá)成完整的數(shù)字上變頻器。數(shù)字上變頻器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 數(shù)字上變頻器內(nèi)部結(jié)構(gòu)組成

2 輸入數(shù)據(jù)通道的作用

輸入數(shù)據(jù)通道主要是將串行輸入I/Q通道數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成為并行數(shù)據(jù)狀態(tài),正常情況下為(4×)濾波器,采用兩級(jí)半帶濾波設(shè)備,可起到保證插值倍數(shù)的作用,也可有效提升插值速率。在對(duì)CIC濾波器及反CIC濾波器進(jìn)行編程,并對(duì)其進(jìn)行深入探索分析時(shí),應(yīng)對(duì)其合理管控,結(jié)合(2×～63×)倍數(shù)內(nèi)插,CIC濾波器自身具備與低通濾波器同樣的優(yōu)勢(shì)特征,且內(nèi)波紋幅度相對(duì)較大,放置CIC濾波器可以對(duì)其做出補(bǔ)償。DDS內(nèi)核可以為載波提供數(shù)字調(diào)制通道,同時(shí)DDS內(nèi)核的輸出信號(hào)頻率也會(huì)受特定因素所限制,確保輸出信號(hào)頻率變化在標(biāo)準(zhǔn)可控范圍內(nèi)。數(shù)字正交調(diào)制器主要是將基帶數(shù)據(jù)頻譜載波頻率進(jìn)行調(diào)整。載波由DDS內(nèi)核所供給,因?yàn)镈AC自身具有零階保持效應(yīng),外部輸出信號(hào)頻譜將由sinc函數(shù)加權(quán)。前端采用抗正弦濾波器對(duì)輸入數(shù)據(jù)預(yù)處理,有利于避免失真現(xiàn)象發(fā)生。其中輸出幅度倍增器可用于控制輸出信號(hào)幅度標(biāo)準(zhǔn)中,該幅度值由8位數(shù)字所組成[2]。

14位DAC主要是以模擬信號(hào)為最終目的。當(dāng)在fsysclk+fcarrier(n=1,2,3,…)處產(chǎn)生干擾信號(hào)時(shí),將以n×為單位執(zhí)行數(shù)模轉(zhuǎn)換過程,需要外部RLC濾波器來過濾干擾。AD9857以兩個(gè)互補(bǔ)電流的形式輸出,電流可由外部電阻RSET確定(IOUT=39.936/RSET),輸出電流范圍為5～20 mA。

參考時(shí)鐘乘法器所得出的數(shù)據(jù)信息,基準(zhǔn)時(shí)鐘乘法器可使輸入時(shí)鐘×-20×(4)成為AD9857為主要工作模式。AD9857可接收14位并行數(shù)據(jù),借助I/Q以交替輸入形式,使其在芯片中完成串并行轉(zhuǎn)換。數(shù)據(jù)在應(yīng)用過程中可被分成兩個(gè)通道,并在正交調(diào)制之前保持通道運(yùn)行正常。

AD9857主要完成數(shù)字信號(hào)正交上轉(zhuǎn)換過程,所以相關(guān)數(shù)字信號(hào)編碼及脈沖形成等操作應(yīng)保證其在輸入前完成。AD9857參考時(shí)鐘乘法器可以將輸入時(shí)鐘當(dāng)成是系統(tǒng)時(shí)鐘。通過fsysclk達(dá)到系統(tǒng)所需的定時(shí)控制,保證頻率可達(dá)到200 MHz。由于CIC濾波器輸出數(shù)據(jù)速率與DDS核心產(chǎn)生的數(shù)字載波的采樣速率一致。所以,AD9857中正交調(diào)制器輸出信號(hào)的采樣率中包含與fsysclk的數(shù)字信號(hào)相同的優(yōu)勢(shì)特征。

3 通用調(diào)制器工作模式

AD9857工作模式主要分為正交調(diào)制模式、單頻輸出模式及插值DAC模式3種。在正交模式狀態(tài)下開展工作時(shí),DDS核心可向正交調(diào)制器提供正交載波。如果是在單頻模式下工作時(shí),可與I/Q通道數(shù)據(jù)相乘。將難以收取數(shù)據(jù)通道所傳輸?shù)男盘?hào),而通過DDS核心生成的單頻信號(hào),該信號(hào)在通過反正弦濾波器后通過DAC輸出,其作用與DDS芯片相同。在應(yīng)用插值DAC模式進(jìn)行工作時(shí),所輸入的14位基帶信號(hào)并不會(huì)受到明顯影響。

軟件無線電調(diào)制算法分析軟件無線電具有靈活性和可擴(kuò)展性的主要特點(diǎn),這主要是因?yàn)檐浖o線電的所有功能都是由軟件定義的?，F(xiàn)階段,AM,FM,DSB,SSB等模擬調(diào)制方式被廣泛應(yīng)用,數(shù)字調(diào)制方式多樣化,其中包含ASK,FSK,PSK,QAM等。通常情況下使用常規(guī)方法所生成的信號(hào)都需要硬件電路作為支撐。當(dāng)通信機(jī)器中包含多個(gè)通信信號(hào)時(shí),電路布置將會(huì)過于復(fù)雜,調(diào)制模式運(yùn)行也存在一定難度。軟件無線電調(diào)制信號(hào)主要是由數(shù)字信號(hào)處理平臺(tái)作為依托,為軟件無線電設(shè)備運(yùn)行提供根本保障。將每個(gè)調(diào)制算法制成軟件模塊形式,因此,若生成某個(gè)調(diào)制信號(hào),只需調(diào)用相應(yīng)模塊即可快速實(shí)現(xiàn)。在軟件無線電設(shè)計(jì)應(yīng)用中,應(yīng)對(duì)調(diào)制模塊軟件進(jìn)行不斷優(yōu)化、革新,使其與調(diào)制系統(tǒng)想適配,將軟件無線電所具備的靈活性及開放性優(yōu)勢(shì)充分發(fā)揮。正常情況下,通信信號(hào)都可通過正交調(diào)制加以實(shí)現(xiàn)[3]。

4 硬件平臺(tái)的應(yīng)用

基于AD9857在軟件無線電中的應(yīng)用原理和軟件無線電調(diào)制算法的特點(diǎn),設(shè)計(jì)了一個(gè)通用的硬件平臺(tái),借助AD9857完成相關(guān)調(diào)制工作。在ADC采樣分析后,模擬源可以直接發(fā)送到AD9857系統(tǒng),以加快傳統(tǒng)模擬調(diào)制的完成。它也可以在FPGA基帶處理后發(fā)送到AD9857,而數(shù)字信號(hào)源首先發(fā)送到FPGA。其中FPGA主要完成編碼、I/Q通道分離、基帶形成等工作,在此基礎(chǔ)上,將其發(fā)送到AD9857完成上變頻,且AD9857的配置也需要借助FPGA才可有效完成。

在該硬件平臺(tái)中,CPU可以選擇常用基于ARM的:PXA255或者基于POWER PC的:MPC8270。FPGA芯片采用Altera公司ACEX系列的EPLK100或者EP3C系列的EP3CLS200F780。ACEX系列器件是Altera公司推出的專注于通信、音頻處理及類似應(yīng)用的FPGA系列,其主要特點(diǎn)為采用查找表(LUT)與嵌入式陣列塊(EAB)相結(jié)合的結(jié)構(gòu),主要適用于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的邏輯功能與存儲(chǔ)器系列,如數(shù)字信號(hào)處理、多路數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)傳輸和通信中的微控制等。典型數(shù)量從10 000到100 000不等,最多有49 152位RAM。該器件采用2.5 V核心電壓、功耗低、ACEXLK100可提供高達(dá)250 MHz雙向I/O功能。ACEXLK100具有100 000個(gè)典型門、4 992個(gè)邏輯單元及12個(gè)嵌入式陣列塊,可滿足各種數(shù)字調(diào)制系統(tǒng)基帶信號(hào)處理要求。A/D轉(zhuǎn)換器采用AD公司的AD9215,AD9215是AD公司單通道10位高速低功耗A/D轉(zhuǎn)換器。采用+3 V電源,最大采樣速率105 ms/s,模擬量輸入帶寬可達(dá)300 MHz,支持單端或是差分輸入。典型應(yīng)用方案如圖2所示。

圖2 典型應(yīng)用方案

利用AD9857調(diào)制偽隨機(jī)信號(hào)的頻譜圖,可將速率為5 MB/s的數(shù)據(jù)調(diào)制到頻率為42 MHz的中頻。在具體實(shí)踐檢驗(yàn)分析中,可利用FPGA完成待調(diào)制數(shù)據(jù)的I/Q通道分離和基帶信號(hào)形成步驟,在此基礎(chǔ)上將數(shù)據(jù)發(fā)送到AD9857,完成正交調(diào)制功能。AD9857的輸入?yún)⒖紩r(shí)鐘頻率為20 MHz,倍頻系數(shù)為10,CIC濾波器的內(nèi)插率為4,從測(cè)量分析及結(jié)果顯示報(bào)告來看,系統(tǒng)自身性能較強(qiáng),且實(shí)用價(jià)值較為突出,也對(duì)基于軟件無線電多功能調(diào)制器設(shè)計(jì)方案做出了肯定,為內(nèi)部軟硬件設(shè)計(jì)提供了方向,使系統(tǒng)所具備的開放性、通用性及可擴(kuò)展性優(yōu)勢(shì)特征得到充分發(fā)揮,有利于提高信號(hào)強(qiáng)度,結(jié)合系統(tǒng)實(shí)際工作運(yùn)行需求,確保處理層參數(shù)信息的真實(shí)有效性,保證信號(hào)處于穩(wěn)定狀態(tài)。如果追加一級(jí)放大電路,將會(huì)從根本上增大信號(hào)發(fā)射功率,也能夠保障輸出信號(hào)性能不受影響。典型信號(hào)如圖3所示。

圖3 典型信號(hào)