摘? 要: 介紹了一種基于軟件無線電思想的中頻數(shù)字化接收機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。它采用數(shù)字下變頻器HSP50214B,、數(shù)字科斯塔司環(huán)HSP50210、TMS320C542構(gòu)成核心單元,通過配置不同軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)多種類型信號(hào)的解調(diào)接收,。

　　關(guān)鍵詞: 軟件無線電? 中頻數(shù)字化接收機(jī)

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　　軟件無線電是一種基于寬帶A/D器件、高速DSP芯片,以軟件為核心(Software-Oriented)的嶄新的體系結(jié)構(gòu)。其基本思想就是將寬帶A/D盡可能地靠近射頻天線以便將接收到的模擬信號(hào)盡可能早地?cái)?shù)字化,盡量通過軟件來實(shí)現(xiàn)電臺(tái)的各種功能。通過運(yùn)行不同的算法,軟件無線電可以實(shí)時(shí)地配置信號(hào)波形,使它能夠提供各種話音編碼,、信道調(diào)制、加密算法等無線電通信業(yè)務(wù),。我們知道信號(hào)失真是長期困擾模擬處理的難題,如本振頻率漂移,、相位噪聲、混頻產(chǎn)生的虛假信號(hào),、放大時(shí)產(chǎn)生的諧波以及互調(diào)、機(jī)內(nèi)噪聲等問題,。盡管設(shè)計(jì)人員想方設(shè)法,但結(jié)果并不能令人滿意,而軟件無線電技術(shù)簡單有效地解決了這些問題,。在數(shù)字化之后,本振、混頻,、放大,、濾波都僅僅是數(shù)字運(yùn)算,不會(huì)產(chǎn)生諧波、互調(diào)等虛假信號(hào),。與傳統(tǒng)的模擬方式相比,軟件無線電具有靈活性,、適應(yīng)性和開放性等特點(diǎn),被譽(yù)為無線電領(lǐng)域的又一次革命。

1 接收機(jī)總體設(shè)計(jì)

　　由于受器件水平的制約,直接對(duì)射頻采樣處理還有一定難度,。在保留軟件無線電通用,、靈活、開放的前提下,采用了中頻數(shù)化方案^[1],整個(gè)接收機(jī)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示,。

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　　該接收機(jī)接收信號(hào)頻率范圍:10～100MHz,為防止頻譜混疊,前端電調(diào)諧濾波器分為8段濾波器,由8031控制選用,。第一本振LO1采用數(shù)字鎖相環(huán)產(chǎn)生所需頻率,通過預(yù)置,可產(chǎn)生正弦信號(hào)頻率范圍:1360～2350MHz,步進(jìn)值10Hz,電調(diào)諧濾波器與一本振互動(dòng)聯(lián)調(diào)?；祛l后,將信號(hào)通過一中心頻率為1350MHz的帶通濾波器后,進(jìn)行二次混頻,。第二本振LO2產(chǎn)生信號(hào)的頻率固定設(shè)置為:1371.4MHz,因此中頻信號(hào)為:21.4MHz,通過AGC控制輸出信號(hào)強(qiáng)度范圍為:-50～-10dBm/50Ω。

2 中頻數(shù)字化單元設(shè)計(jì)

　　該單元是接收機(jī)的核心部件,主要完成幾種信號(hào)(AM,、FM,、SSB、CW,、FSK,、BPSK,QPSK)的解調(diào)工作,同時(shí)負(fù)責(zé)對(duì)模擬前端提供AGC控制用電平強(qiáng)度值和AFC控制用載波頻率誤差值,。8031主控電路板則要為中頻數(shù)字化單元提供:信號(hào)類型、中頻帶寬,、AGC時(shí)間常數(shù),、BFO值、PSK信號(hào)波特率等控制命令,。中頻數(shù)字化處理單元硬件系統(tǒng)大體構(gòu)成如圖2所示^[1],。

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2.1? 數(shù)據(jù)采集部分

　　該部分電路主要由數(shù)控放大器和模/數(shù)轉(zhuǎn)換器AD6640構(gòu)成,負(fù)責(zé)完成數(shù)據(jù)采集工作。固定增益放大器(18dB)的中頻輸入信號(hào)為:21.4MHz,-50～-10dBm/50Ω(0.7mV～70mV),輸出為-38dBm～+2dBm/50Ω(2.8mV～0.4V),。AD6640是AD公司生產(chǎn)的新一代模數(shù)轉(zhuǎn)換器件,分辨率12bit,輸入動(dòng)態(tài)范圍±1V,采樣速率可達(dá)65Msps,在5V供電時(shí)功耗僅為710mW,。注意A/D前采用固定增益放大電路,并不影響對(duì)模擬接收機(jī)的AGC輸出。因該放大電路的增益是已知的,檢測(cè)出信號(hào)電平后可以倒推出放大前的電平變化情況,。至于采樣速率的確定,此處既可以采用過采樣又可以采用欠采樣技術(shù),。所謂欠采樣技術(shù)就是對(duì)于帶通信號(hào)(頻率范圍:f_LH)而言,抽樣頻率只要滿足:

2.2 數(shù)字下變頻單元

　　數(shù)字下變頻單元由美國Harris生產(chǎn)的專用可編程下變頻器HSP50214B和專用可編程數(shù)字科斯塔司環(huán)電路HSP50210構(gòu)成。HSP50214B大體可分成13個(gè)部分^[3](見圖3),主要功能是將IF數(shù)據(jù)下變頻成基帶數(shù)據(jù),。其前端處理速度高達(dá)65Msps,后端處理速度最高達(dá)55Msps,。總的抽取因子范圍:4～16384,輸出采樣速率可達(dá)12.94Msps,輸出低通帶寬最寬為982kHz(IF帶寬1.96MHz),。最高支持14bits字長的數(shù)據(jù)并行輸入,輸出形式靈活多樣,既可并行輸出又可串行輸出,既可選擇直角坐標(biāo)數(shù)據(jù)輸出又能選擇極坐標(biāo)數(shù)據(jù)輸出,可選擇輸出幅度,、瞬時(shí)相位和頻率等參數(shù)。另外,HSP50214B還內(nèi)帶電平檢測(cè)器,可為IF自動(dòng)增益控制提供支持,?？傊?HSP50214B功能非常強(qiáng)大,使用相當(dāng)靈活,可以解調(diào)AM、FM,、FSK信號(hào),。與HSP50210一起使用,還可以解調(diào)SSB和PSK信號(hào)。

HSP50210是Harris公司生產(chǎn)的數(shù)字科斯塔司環(huán)專用電路,其功能也很強(qiáng)大,。時(shí)鐘處理速率高達(dá)52MHz,內(nèi)部具有以下功能模塊^[4](見圖4):(1)可選升余弦匹配濾波器/積分和去除濾波器(I/D濾波器);(2)二階載波和碼元跟蹤濾波器;(3)自動(dòng)增益控制電路;(4)鑒頻器;(5)鎖定檢測(cè)器;(6)數(shù)據(jù)質(zhì)量和信號(hào)電平檢測(cè)電路;(7)直角坐標(biāo)向極坐標(biāo)轉(zhuǎn)化電路;(8)8-Bits微機(jī)控制接口,。

主要用HSP50210來提取相干載波、碼元同步信號(hào)和載波跟蹤情況指示,。其內(nèi)部的AGC環(huán)路,、內(nèi)部NCO載波跟蹤、混頻電路及RRC濾波器等均旁路不用,。由于HSP50210需要HSP50214B提供兩路正交數(shù)據(jù),而其每一路數(shù)據(jù)長度只有10bits,因此要注意數(shù)據(jù)匹配問題,。注意:載波跟蹤誤差COF利用同步信號(hào)COFSYNC串行送給214B的NCO,碼元跟蹤誤差SOF利用同步信號(hào)SOFSYNC串行送給214B的重采樣NCO,所以214B和210必須采用統(tǒng)一時(shí)鐘才能保證同步傳送數(shù)據(jù)不出問題。

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2.3 DSP單元

　　DSP單元采用美國TI公司生產(chǎn)的TMS320C542專用數(shù)字信號(hào)處理芯片和外部程序擴(kuò)展存儲(chǔ)器以及數(shù)據(jù)擴(kuò)展存儲(chǔ)器組成,。C542定點(diǎn)DSP芯片,處理速度最高可達(dá)40MIPS,可以滿足實(shí)時(shí)處理要求,。主要完成工作:接收8031送過來的命令,根據(jù)命令完成對(duì)HSP50214B和HSP50210的初始化設(shè)置工作。當(dāng)FIFO半滿時(shí)申請(qǐng)DSP的/INT1中斷,DSP響應(yīng)中斷讀入1024個(gè)數(shù)據(jù),做必要的處理后根據(jù)信號(hào)類型送出。程序定期查詢8031有無新命令送過來,如有則根據(jù)新命令重新設(shè)置214B和210的相關(guān)參數(shù),否則繼續(xù)執(zhí)行原來的接收程序,。根據(jù)AGC時(shí)間常數(shù),從214B讀取電平檢測(cè)值和頻率偏移送8031,作為模擬部分的調(diào)整依據(jù),。

　　TMS320C54x只有高速同步串行通信接口,無法直接與8031進(jìn)行異步通信。采用軟件模擬UART方式較好地解決了這個(gè)問題^[2],。該方法無需額外硬件開銷,僅僅需要兩個(gè)通用I/O腳(BIO和XF),、外部中斷INT0以及一個(gè)定時(shí)器就可實(shí)現(xiàn),硬件連接非常簡單(見圖5)。

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　　圖5中,XF腳用于發(fā)送數(shù)據(jù),腳和INT0腳用于接收數(shù)據(jù),。此方法可以模擬半雙工通信與全雙工通信,。軟件模擬UART技術(shù)允許用戶設(shè)置:

　　·數(shù)據(jù)位數(shù)(1～16);

　　·奇偶校驗(yàn)(奇校驗(yàn)或偶校驗(yàn))或無奇偶校驗(yàn);

　　·停止位(1～2);

　　·波特率。

2.4 控制單元

　　控制單元主要包括:地址譯碼電路和與主控電路板上的8031單片機(jī)通信控制接口,。譯碼電路采用EPLD(EPM7128SQC-7)實(shí)現(xiàn),以保護(hù)電路的靈活性,。與8031通信采用串口通信方式,優(yōu)點(diǎn)是接口簡單,調(diào)試方便,傳輸速率(采用RS-232C接口串行總線標(biāo)準(zhǔn))20kb/s。

2.5 輸出單元

　　輸出單元主要包括模擬信號(hào)輸出和數(shù)字信號(hào)輸出兩部分,。模擬輸出電路主要負(fù)責(zé)AM,、SSB、FM,、FSK信號(hào)的輸出,。數(shù)字輸出端口負(fù)責(zé)輸出B/QPSK信號(hào)(I,Q兩路數(shù)據(jù)和同步時(shí)鐘)。

　　由于該接收機(jī)從中頻21.4MHz后采用了全數(shù)字設(shè)計(jì),在模擬前端采用了電調(diào)諧預(yù)選濾波器與一本振之間的互動(dòng)聯(lián)調(diào)(二者可通過8031設(shè)置),因而具有極大的靈活性,。通過加載不同軟件,對(duì)模擬部分進(jìn)行相應(yīng)控制,本接收機(jī)可在10～1000MHz的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)AM,、FM、SSB,、CW、FSK,、BPSK,、QPSK的解調(diào)。實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明:接收效果良好,控制靈活,適應(yīng)范圍廣,具有較好的開放性,。

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參考文獻(xiàn)

1 胡延平,孫增軍.軟件無線電接收機(jī)中頻數(shù)字化單元系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案.

2 胡延平,，李廣森.TMS320C54x軟件模擬實(shí)現(xiàn)UART技術(shù).

3?HSP50214B數(shù)據(jù)手冊(cè).Harris corporation 1998