唐俊1,范紅1,，2,嚴杰3,倪林1,，2,曹愛玲1

　　（1. 東華大學 信息科學與技術學院,，上海 201620；2.東華大學 數(shù)字化紡織服裝技術教育部工程研究中心,，上海 201620,；3.東方明珠傳輸有限公司，上海 200052）

　　摘要：利用射頻捷變收發(fā)器AD9361接收調頻廣播信號,，將射頻信號轉化為數(shù)字信號進行處理,。處理后的廣播信號按所要求的頻段進行發(fā)射，實現(xiàn)廣播信號更廣泛的傳播,。較傳統(tǒng)通信系統(tǒng)中頻段的改變是利用模擬電路來實現(xiàn)的,，每個電路只能對應固定的頻段，無線通信數(shù)字中繼器則具有更好的靈活性和通用性,。

　　關鍵詞：調頻廣播; 數(shù)字中繼器,；軟件無線電; AD9361

0引言

　　隨著地下軌道交通的日益擴大，地下隧道中對廣播信號的傳輸質量的要求越來越高,，同時隧道也會對廣播信號產(chǎn)生衰減和隔絕的作用,。在現(xiàn)有技術中，地下廣播信號采用光纖覆蓋傳輸方式,，成本高,、建設周期長且布線有很大的局限性。隨著無線通信與芯片技術的迅猛發(fā)展,，軟件無線電的概念開始廣泛流行,。ADI公司推出一款面向軟件無線電應用的革命性解決方案——AD9361射頻捷變收發(fā)器，支持多種可編程無線電應用［1］,。本文采用一種基于SoC和AD9361的無線數(shù)字中繼傳輸系統(tǒng),，具有很強的可重新編程和可重構的能力，實現(xiàn)了對射頻信號轉化為數(shù)字信號的處理和傳輸,。

1AD9361的結構和工作原理

　　本文所述的無線射頻收發(fā)機關鍵部分是AD9361射頻（RF）捷變收發(fā)器,，工作頻率范圍為70 MHz~6.0 GHz，支持的通道帶寬范圍為200 kHz~56 MHz，涵蓋大部分特許執(zhí)照和免執(zhí)照頻段,；在單個器件中集成了提供所有收發(fā)器功能的所有必要RF,、混合信號和數(shù)字模塊［2］。

　　AD9361芯片內部結構如圖1所示,。AD9361有兩個獨立的接收器和發(fā)射器：接收器含有一個低噪聲放大器(LNA),，其后是相內(I)和正交(Q)放大器、混頻器和頻帶整形濾波器,，該濾波器可以將接收到的信號下變頻為基帶,；數(shù)圖1AD9361捷變收發(fā)器字化信號可以通過一系列抽取濾波器和一個完全可編程的128抽頭FIR濾波器進行進一步調整。各個數(shù)字濾波器模塊的采樣速率可以通過更改抽取系數(shù)來進行調整,，從而產(chǎn)生需要的輸出數(shù)據(jù)速率,；接收器擁有兩個獨立控制的通道I和Q，每個通道含有3個輸入RX(A,、B,、C)。

　　圖3數(shù)字下變頻結構圖發(fā)射器與接收器相同,，都含有兩個獨立控制的通道I和Q,，每個通道含有兩個輸出通道TX(A、B),，通道提供了所需的數(shù)字處理,、混合信號和射頻模塊，能夠形成一個直接變頻系統(tǒng),，同時共用一個通用型頻率合成器,。從基帶處理器收到的數(shù)字數(shù)據(jù)進入FIR濾波器，經(jīng)濾波器后發(fā)送到插值濾波器中,，實現(xiàn)細致的濾波和數(shù)據(jù)速率插值處理,，然后進入DAC；每個DAC都擁有可調的采樣速率,，最后信號通過I,、Q兩路通道進入射頻模塊進行上變頻。

　　射頻收發(fā)機結構如圖2所示,。AD9361芯片板卡ADFMCOMMS3通過FMC插口與基于Xilinx ZynqTM7000擴展式處理平臺連接［3］,，完成硬件的搭建。同時通過搭建一個在ARM芯片上的嵌入式Linux系統(tǒng),，用SD卡驅動,，調試完成后，射頻收發(fā)機完成,，能夠實現(xiàn)對信號的接收,、處理,、發(fā)射。

2數(shù)字變頻

　　在無線通信系統(tǒng)中,，為了信道的復用,，信號的頻率一般都很高，所以要進行頻率的轉換后才能進行信號的處理,。頻率的轉換無非是兩種,，一種是頻率的增加，叫上變頻,；另一種則是頻率的減小,，叫下變頻。廣播信號在收發(fā)信機中分別經(jīng)過下變頻和上變頻,，實現(xiàn)對信號的數(shù)字變頻,。

　　本系統(tǒng)采用了寬帶中頻帶通采樣軟件無線電結構，將前端接收到的射頻信號通過高放,、混頻,、中放、分段濾波,，從高頻降到中頻，經(jīng)過模數(shù)轉換和帶通采樣后進入數(shù)字信號處理器件中,。數(shù)字下變頻（DDC）原理框圖如圖3所示,，可以看出本振信號（LO）由NCO(數(shù)字控制振蕩器)產(chǎn)生，數(shù)字混頻器對其進行正交解調,，將接收到的中頻信號下變頻到零中頻,；接著經(jīng)過數(shù)字低通濾波器進行抗混疊濾波和信號提取,；最后經(jīng)抽取器,，降低采樣率，以利于后期基帶信號處理［4］,。

　　數(shù)字上變頻（DUC）原理框圖如圖4所示,。在無線通信發(fā)射機中它是核心物理模塊，主要部件為內插器以及數(shù)字振蕩器［5］,?；鶐?shù)字信號經(jīng)FIR濾波后再進入插值濾波器中，實現(xiàn)細致的濾波和數(shù)據(jù)速率插值處理,；其中內插器通過在原始的采樣間隔內增加新的采樣點,，從而提高信號的采樣率；完成采樣率的變換后,，進行數(shù)字上變頻,，它是用數(shù)字振蕩器（NCO）實現(xiàn)的,。

　　本文利用AD9361接收部分中將接收到的調頻廣播信號通過數(shù)字下變頻將射頻信號變頻到零中頻0~21 MHz上，信號通過一個不帶插值的128抽頭FIR濾波器和一系列的插值濾波器,，實現(xiàn)信號濾波和數(shù)據(jù)速率插值處理,，再進行數(shù)模轉換。當基帶模擬信號轉換為基帶數(shù)字信號時,，這里的信號分別是I和Q兩路信號,，二者又經(jīng)過基帶低通濾波，以移除采樣偽像［6］,，然后進入上變頻混頻器,，實現(xiàn)I和Q信號的重新組合，并在載波頻率下進行調制,，調制到需要傳輸?shù)念l率上［7］,。I、Q組合信號通過二級低通濾波器,，由它們提供額外的頻帶整形處理,，然后再將信號傳輸至輸出放大器，實現(xiàn)信號發(fā)送［8］,。

　　在Linux系統(tǒng)終端中確定發(fā)射信號的本振,、帶寬和采樣率之后，實現(xiàn)信號頻段搬移,。操作如下：

　　對本振頻率的設定：

　　root:/##>cat out_altvoltage0_TX_LO_frequency//查看當前本振頻率

　　root:/##>echo 97000000

　　>out_altvoltage0_TX_LO_frequency//設定發(fā)射信號的本振頻率從87 MHz搬到97 MHz

　　對帶寬的設置：

　　root:/##>cat out_voltage_rf_bandwidth//查看當前帶寬頻率

　　root:/## >echo 21000000 >

　　out_voltage_rf_bandwidth//設置帶寬頻率為21 MHz,，調頻廣播信號從87 MHz~108 MHz

　　采樣頻率的設定：

　　root:/##>cat out_voltage_sampling_frequency//查看當前采樣頻率

　　root:/##>echo 50000000>out_voltage_sampling_frequency//設置采樣頻率為50 MHz，采樣頻率至少是帶寬的兩倍

3實現(xiàn)結果分析

　　實驗實際效果的觀測,，本文分別利用收發(fā)信機和頻譜分析儀對搬移后的信號進行接收和分析,。收發(fā)信機接收空中87 MHz~108 MHz的所有調頻廣播信號，如圖5所示,。圖中從左下角窗口可以讀出接收到的廣播信號頻點,，分別為P0:87.9MHz；P1:99MHz,；P2:97.7 MHz,；P3：91.4 MHz；P4：94.0 MHz,；P5：93.4 MHz,；P6:90.9 MHz；P7:89.9MHz,；P8:94.7MHz,；P9:101.7 MHz；P10:107.7MHz,。通過數(shù)字變頻將信號頻率由原來的87 MHz搬移到97 MHz,，控制數(shù)字模擬轉換器信道和改變信道狀態(tài),，實現(xiàn)接收到的信號的再發(fā)射。

　　收發(fā)信機接收97 MHz~118 MHz信號如圖6所示,，從圖中可以看出,，收發(fā)信機接收到了97 MHz~118 MHz內的廣播信號，而如果頻段沒有改變,，廣播信號超過108 MHz以后是不能接收到的,，因此說明信號的頻段通過數(shù)字變頻后實現(xiàn)了搬移。

　　頻譜分析儀接收到的信號如圖7所示,，接收的信號起始頻率為97 MHz,，截止頻率為119 MHz，中心頻率為108 MHz,，通過移動Mark光標讀出接收到的信號,，也可以看出信號頻段實現(xiàn)了搬移。最后在發(fā)射端口接上發(fā)射天線,，用收音機分別接收原有頻段87 MHz~108 MHz中所有廣播頻道,，并且將這些頻道上調10 MHz，例如將上海廣播調頻信號87.9上調至沒有節(jié)目的97.9頻道,，97.7頻道的節(jié)目內容與87.9頻道中的一致,，切換頻道沒有停滯和延時，證明頻段搬移成功,。

4結論

　　通過具體的實踐操作,，利用AD9361芯片接收調頻廣播信號，將射頻信號轉化為數(shù)字信號進行處理,。處理后的廣播信號按所要求的頻段進行發(fā)射,，實現(xiàn)了廣播信號更廣泛的傳播,。以處理器為中心的FPGA平臺——Zyng平臺的應用和嵌入式Linux操作系統(tǒng)的運用,，提高了集成度和降低操作難度。AD9361將其他平臺的分立式器件集成到一塊芯片上,，大大提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和集成度,。

　　本文采用的數(shù)字中繼技術不僅僅局限于對調頻廣播的應用，只要在AD9361的工作頻率范圍70 MHz~6 GHz內的任意信號,，都可以進行接收,、發(fā)射和數(shù)字處理，具有廣泛的應用前景,。

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