基于AD6620和ADSP2191的數(shù)字中頻軟件無線電接收系統(tǒng)

2004年4月A版

摘  要：提出了一種通用的數(shù)字中頻軟件無線電接收系統(tǒng)的設(shè)計及應(yīng)用方案。

關(guān)鍵詞：軟件無線電；數(shù)字中頻；數(shù)據(jù)采集；數(shù)字下變頻

　　軟件無線電(Software Radio)是近年來提出的一種全新的無線通信體系結(jié)構(gòu)，它以其極強的靈活性和開放性代表著無線通信的發(fā)展趨勢，已經(jīng)逐漸成為通信領(lǐng)域的一個新的發(fā)展方向。它的基本思想是：構(gòu)造一個開放、標準、模塊化的通用硬件平臺，將無線通信系統(tǒng)的各種功能(如工作頻段、調(diào)制解調(diào)類型、數(shù)據(jù)格式、加密模式、通信協(xié)議等)通過軟件編程來實現(xiàn)，并使寬帶A/D和D/A轉(zhuǎn)換器盡可能地靠近天線?，F(xiàn)階段，由于受微電子技術(shù)水平的限制，直接對射頻(RF)進行采樣還很難實現(xiàn)，成本上也很不合算。所以目前的軟件無線電研究，大部分都是在中頻(IF)上進行處理。數(shù)字中頻軟件無線電加上少量的高頻模擬前端正成為理想軟件無線電的一種經(jīng)濟實用的選擇。

　　本文介紹了一種通用的數(shù)字中頻軟件無線電接收系統(tǒng)，它能廣泛地應(yīng)用于各種中頻調(diào)制信號的采樣與解調(diào)，并且通過系統(tǒng)同步互聯(lián)技術(shù)，該系統(tǒng)還能和其它系統(tǒng)一起構(gòu)成一個大型的能同步處理多種調(diào)制信號的多通道多模式多功能接收系統(tǒng)。該系統(tǒng)的核心芯片為數(shù)字信號處理器ADSP2191和數(shù)字下變頻器AD6620。

總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

　　數(shù)字中頻軟件無線電接收系統(tǒng)由信號調(diào)理、數(shù)據(jù)采集、可編程數(shù)字下變頻器AD6620、數(shù)字信號處理器ADSP2191和串行E2PROM構(gòu)成，還包括邏輯控制電路和時鐘電路。

　　系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

　　在本系統(tǒng)中，模擬中頻信號由射頻前置輸入；高性能模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD6640根據(jù)時鐘電路提供的時鐘信號對輸入的信號進行高速采樣，并把采集到的數(shù)據(jù)(12bit)送入數(shù)字下變頻器AD6620；AD6620根據(jù)設(shè)置參數(shù)對輸入采樣數(shù)據(jù)進行變頻、濾波和速率轉(zhuǎn)換處理，并通過并行端口將處理后的數(shù)據(jù)傳給高性能數(shù)字信號處理器；最后數(shù)字信號處理器ADSP2191對此基帶數(shù)字信號進行信號檢測、同步獲取、匹配濾波、信號解調(diào)和譯碼等處理，最終的分析結(jié)果由ADSP2191通過UART端口傳給PC進行存儲或顯示。串行E2PROM是用于存儲用戶程序，在系統(tǒng)上電或DSP復(fù)位時通過SPI接口加載到ADSP2191內(nèi)部的程序存儲區(qū)并啟動運行。完成對AD6620的控制和設(shè)置后啟動ADC進行通信信號的處理。

關(guān)鍵技術(shù)

數(shù)據(jù)采集

　　將寬帶A/D和D/A轉(zhuǎn)換器盡可能地靠近天線是軟件無線電體系結(jié)構(gòu)的一個重要特點。無論是采用射頻直接數(shù)字化結(jié)構(gòu)還是中頻數(shù)字化結(jié)構(gòu)，也無論是采用正交采樣技術(shù)、帶通信號采樣技術(shù)還是過采樣技術(shù)，都對A/D轉(zhuǎn)換器的采樣速率、工作帶寬和動態(tài)范圍提出了很高的要求。因此A/D轉(zhuǎn)換器的性能決定了系統(tǒng)的中頻范圍和帶寬，換句話說，選擇什么樣的ADC往往要根據(jù)射頻前置的中頻值和信息速率、帶寬等來確定。在本系統(tǒng)中，我們選用AD6640來進行中頻采樣。AD6640內(nèi)含采樣保持電路和基準源，最高采樣速率可達65MHz，輸入帶寬250MHz，信噪比68dB。這樣構(gòu)成的系統(tǒng)選用不同的采樣技術(shù)，其工作的中頻值范圍可以到200MHz以上，帶寬可以到30MHz，輸入信號的動態(tài)范圍為2V峰峰值。系統(tǒng)設(shè)計中一般A/D的時鐘信號取自射頻頻綜或本振，這樣有利于系統(tǒng)的同步，為了實現(xiàn)系統(tǒng)的同步互聯(lián)，系統(tǒng)設(shè)計中DSP的時鐘也來自本振，由DSP內(nèi)部倍頻電路實現(xiàn)倍頻和鎖相。值得注意的是，要考慮時鐘的走線和干擾，以免對射頻接收部分造成影響。

數(shù)字下變頻

　　A/D轉(zhuǎn)換器對輸入的模擬中頻信號直接采樣得到高速數(shù)字序列，如果把這些數(shù)字序列直接傳給DSP處理，將會大大增加DSP的運算量，并對DSP的運算能力提出過高的要求。因此常使用數(shù)字下變頻器，對采集數(shù)據(jù)作變頻和抽取濾波處理，以提高整個系統(tǒng)的處理速度和運算效率。在本系統(tǒng)中，我們選用可編程數(shù)字下變頻器AD6620。它的主要功能有三個：變頻，將感興趣的信號的中心頻率變至零中頻；低通濾波，濾除帶外干擾信號提取有用信號；采樣速率轉(zhuǎn)換，降低采樣速率以利于后續(xù)信號處理。AD6620既能對實信號進行處理又能對復(fù)信號進行處理，即支持正交采樣的數(shù)字下變頻。在系統(tǒng)中，設(shè)計采用實信號進行處理，其數(shù)據(jù)輸出選用并行模式(16bit)以提高傳輸效率。

數(shù)字信號處理

　　DSP是整個軟件無線電方案的靈魂和核心，軟件無線電的靈活性、開放性和可編程性等特點主要都是通過以DSP為中心的通用硬件平臺以及DSP軟件來實現(xiàn)的。本系統(tǒng)選用16bit定點ADSP2191。ADSP2191的運行速度快，處理速度可達160MIPS，片內(nèi)包含單周期存取的64K Words RAM。因此ADSP2191能滿足系統(tǒng)設(shè)計中通信信號的處理要求。為減少體積，降低功耗，增加其攜帶靈活性，我們采用SPI引導(dǎo)方式完成DSP的程序加載，系統(tǒng)中的串行E2PROM用于存放用戶程序。系統(tǒng)運行后首先對AD6620進行參數(shù)設(shè)置，再啟動ADC采樣，經(jīng)過數(shù)字下變頻和抽取的信號通過并口送到DSP進行通信信號的解調(diào)解擴和譯碼處理，實現(xiàn)一個通道的通信信號處理。需要多個通道時可以采用同步互聯(lián)技術(shù)實現(xiàn)多通道的信號接收與處理。

系統(tǒng)同步互聯(lián)

　　由圖1可知，圖中是一個單通道的數(shù)字中頻軟件無線電接收系統(tǒng)，即它在同一時刻只能對一個通道的信號進行接收處理。但在很多實際應(yīng)用中，往往需要系統(tǒng)能夠同時進行多通道的信號接收。因此，我們利用ADSP2191的高速同步串口(SPORT)以及時分多路技術(shù)(TDM)，設(shè)計了一個同步數(shù)據(jù)傳輸接口，通過提供統(tǒng)一的時鐘，將多個單通道的接收子系統(tǒng)同步互聯(lián)起來，從而組成一個大型的最多能同步處理128路調(diào)制信號的多通道多模式多功能接收系統(tǒng)。并且為了增強ADSP2191高速同步串口的驅(qū)動能力和數(shù)據(jù)傳輸距離，在硬件設(shè)計中采用RS-485芯片來增強同步互聯(lián)接口的驅(qū)動能力，使其數(shù)據(jù)傳輸速率最高可以達到5Mbps，最大分布距離為1000米。這種多個通道之間同步互聯(lián)的方案可以有效地解決通道數(shù)與成本之間的矛盾，并且結(jié)構(gòu)簡單且易于實現(xiàn)。多通道接收系統(tǒng)的同步互聯(lián)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

軟件設(shè)計

數(shù)字下變頻器的參數(shù)設(shè)置

　　AD6620的參數(shù)設(shè)置體現(xiàn)了整個中頻接收系統(tǒng)的工作模式，其根據(jù)不同的中頻值和帶寬，設(shè)置不同的參數(shù)與之相適應(yīng)，體現(xiàn)了軟件無線電的靈活性和可編程性。

　　系統(tǒng)中DSP通過其控制接口對數(shù)字下變頻器設(shè)置，以使同一系統(tǒng)適應(yīng)多種輸入情況下的接收功能。

數(shù)控振蕩器頻率值的設(shè)定

　　數(shù)控振蕩器頻率值(NCO_FREQ)的設(shè)定取決于采樣頻率(fSAMP)和信號的中心頻率(fCH)，可由下式確定：

              (1)

　　不同的fCH和fSAMP，可得到不同的NCO_FREQ以適應(yīng)不同的中頻值。

　　各級抽取因子的選擇

　　抽取因子的選擇要根據(jù)不同采樣頻率不同數(shù)據(jù)速率進行計算得到。AD6620的抽取率是由三級組成的：積分梳狀抽取濾波器CIC2(抽取范圍2~16)、CIC5(抽取范圍1~32)和可編系數(shù)抽取濾波器RCF(抽取范圍1~32)。設(shè)系統(tǒng)總的抽取因子為MSYS，則各級抽取因子必須滿足下式：

　MSYS=MCIC2