一種寬帶中頻數字化處理平臺

2010-04-12 00:00:00彭勃

現代電子技術 2010年3期

摘要:為解決軟件無線電領域無法實時處理寬帶中頻信號的問題，研究了軟件無線電中頻數字化處理技術的基礎理論和關鍵技術。設計實現了基于CPCI架構的中頻數字化處理平臺，介紹該平臺的設計原理，并給出平臺所用器件的原理框圖。借助摩托羅拉超短波電臺調制信號，通過該平臺上實現的數字下變頻和基于正交解調的FM算法對該信號的成功處理，驗證了該設計平臺能夠實時處理寬帶中頻信號。

關鍵詞:軟件無線電;中頻數字化;數字下變頻;正交解調

中圖分類號:TP274 文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)03-013-04

A Wide Band IF Digital Platform

PENG Bo

(No.30 Institute，China Electronic Technology Croup Corporation，Chengdu，610041，China)

Abstract:In order to solve the problems that the wide band intermediate frequency signal can′t be processed in the field of software radio timely，several key technologies and basic theories in the field of software radio focused on digital intermediate frequency technology are studied and discussed.An intermediate frequency digital processing platform built on CPCI architecture is designed and realized，the theory of the platform and the principle scheme are presented.With the signal of Motorola RF radio，the platform is validated by digital down frequency conversion and orthogonal FM demodulation on the actual signal.

Keywords:software radio;digital intermediate frequency;digital down frequency conversion;orthogonal demodulation

收稿日期:2009-08-11

0 引言

自20 世紀90年代以來，無線通信在全球范圍內取得了突飛猛進的發展。軟件無線電(Software Radio)是以開放體系結構為基礎，在硬件平臺上應用軟件工程技術來實現各種無線通信方式的系統，受到人們的青睞。有關軍事技術于1992年被首次提出，美國國防遠景規劃局的易通話第一期發起者于1995年對軟件無線電的軍事應用進行了更全面的介紹[1]。

在歐洲的先進通信技術與業務計劃中，有三項計劃是將軟件無線電技術應用在第三代移動通信系統中的:FIRST(靈活的綜合無線電系統和技術)計劃將軟件無線電技術應用到設計多頻/多模可編程手機;FRAMES(未來的無線寬帶多址系統)計劃中方法之一是采用軟件無線電技術; SORT(軟件無線電技術)計劃是演示靈活的有效的軟件可編程電臺，并符合UMTS的標準[2] 。國外通信界對軟件無線電概念的提出，引起了國內同行的高度重視，1996年軟件無線電技術被列入國家“863”計劃通信主題的研究項目，1999年被列為國家自然科學基金的重點資助項目[3]。軟件無線電已成為當前新一代無線通信系統的發展潮流。

1 軟件無線電的結構

1.1 理想的軟件無線電結構

理想的軟件無線電是一種純軟件和數字化的模式。它是在一個通用的硬件平臺上通過標準的空間接口加載不同的軟件來實現多種通信制式，其理想的結構框圖如圖1所示。它包括寬帶、多波段的智能天線;寬帶高精度的A/D，D/A轉換器，以及高速可編程的硬件平臺[4]。

圖1 理想軟件無線電結構

1.2 可實現的軟件無線電結構

當前由于微電子等方面的發展限制，理想的軟件無線電是無法完全實現的。這樣就存在一種可實現的軟件無線電結構，它可以通過軟件設置為多種無線電系統，能夠提供實時的操作和靈活的配置。這種可實現的軟件無線電包括四個部分，如圖2所示[5]。

圖2 可實現的軟件無線電結構

這種結構遵循了一個趨勢，就是模擬部分和數字部分的接口向天線靠近。這種結構與傳統的無線電相比較，優點在于整個系統的可編程性。目前的寬帶中頻帶通采樣軟件無線電結構就是這樣的實現方式，采用了多次混頻的超外差體制，其特點是中頻帶寬更寬，所有的調制解調編解碼等功能全部由軟件實現。因此，中頻數字化處理平臺處理速度要求高是實現軟件無線電的關鍵技術[6]。軟件無線電的硬件具有開放性，其硬件必將采用總線式的結構[7]。工業控制總線的標準很多，例如ISA，PCI，EISA，VESA，VME，CPCI等。目前，用于軟件無線電平臺中最多的是VME和CPCI總線[5]。

2 中頻數字化平臺設計

軟件無線電的靈活性和可重構性依賴于一個開放的、可擴展的和強大的硬件平臺。傳統的無線電臺，雖然在邏輯功能上也按不同模塊進行獨立劃分，但實際系統中它們之間用電路前后緊密相連，缺乏獨立性，當電臺功能改變時往往需要對整個接收機做改動。顯然，這樣的結構和軟件無線電的目標相差甚遠。為了保證硬件平臺的開放性、靈活性和可擴展性，總線方式的平臺構架是一個較好的選擇。根據目前的總線技術，CPCI標準總線是一個非常理想的選擇。

CompactPCI(簡稱CPCI)，是由Ziatech公司在1994年開發的一種高性能總線標準，在PICMG(PCI Industrial Computer Manufacturer's Group)的大力推動下，這一標準在包括電信在內的整個工業計算機領域都得以普遍應用，并隨之產生了一批CPCI系統的網絡通信服務器[8]。這一標準的各種版本定義是一種基于背板連接的計算機系統和I/O系統的標準，包括物理規格、電器特性、各種通信總線、可靠性、可管理性等一系列特性。它與VME總線相比，具有更寬數據總線帶寬，可以支持64 b/66 MHz的總線速度，并且價格相對VME總線的計算機更便宜，可應用于很多惡劣的環境中。

中頻處理平臺使用高速ADC 和DAC 直接將中頻信號數字化，然后使用專用信道處理芯片將處理后的基帶數字信號送入DSP 。這種方法通過對中頻信號進行高速采樣，使用專用信道處理芯片對數字化信號進行預處理，包括多級濾波、降采樣、幅度控制等，相對模擬方式有很大的提高。另外，數字方式實現的模塊化和靈活性也相當高。任何模塊的改動基本上不需要對其他模塊進行相應調整，因此中頻數字化是目前軟件無線電的核心技術。但是，高速采樣會使其后的預處理單元的信號處理量增加，因此整個系統的處理速度要求很高。本文設計的中頻數字化處理平臺其示意圖如圖3所示。

圖3 中頻數字化處理平臺示意圖

為了得到開放、靈活和可擴展的硬件平臺，在系統結構上，采用分層的總線互連結構，將高速數據總線與低速控制總線分開，把模擬器件、DSP處理器、FPGA 等按射頻信號、數據、控制信號等再進一步細分，在保證靈活性和可控性的條件下，簡化總線互連，提高系統傳輸帶寬，降低時延。在實現上，采用所有數字信號處理和控制軟件可通過計算機操作系統的CPCI總線進行下載和配置，盡最大可能地實現軟件無線電處理的平臺通用化和軟件的配置靈活化的實現方式。整個中頻數字化硬件處理系統的整體結構示意圖如圖4所示。根據這種架構設計的系統，既可以單路處理，也可以根據需要插入多板卡同時處理多路中頻信號，由工控機實現系統管理，有效解決了對寬帶中頻信號的處理問題。

圖4 中頻數字化處理系統

為了保證硬件平臺的開放性、靈活性和可擴展性，把模擬器件、DSP處理器、FPGA等按中頻信號、數據信號、控制信號等進一步細分。中頻數字化處理平臺主要包括CPCI總線及熱插拔電路、電源轉換電路、DSP及其外圍電路、FPGA及其外圍電路、時鐘管理電路、ADC和DAC轉換器及相關電路等，其器件原理框圖如圖5所示。

軟件無線電系統中可能需要寬帶多通道波束成形、超高采樣率和基帶速率間的轉換等，目前的DSP還無法滿足要求，必須依靠FPGA或ASIC來完成[9] 。FPGA在本設計中處于核心控制和數據預先處理、傳輸樞紐的作用。它是可編程器件，可靈活配置，在本設計中主要用于完成軟件數字上下變頻處理以及計算機上層軟件與底層處理平臺的數據通信。圖6給出了本設計中在FPGA內部實現的功能模塊框圖。

圖5 中頻數字化平臺框圖

圖6 FPGA內部功能模塊框圖

中頻部分采用了全數字化處理技術，系統的模擬部分占的比例相對較少。中頻數字化處理平臺又可以按功能分成幾個部分:DSP處理單元、FPGA橋接單元、數字中頻處理單元和模擬部分。從圖6中可以看到，本設計平臺擁有獨立的發送接收通道，可以全雙工模式工作。所有信號在FPGA中進行轉接，然后進入DSP完成處理。除了完成普通的收發通信，平臺還可以以數字中繼模式工作，將信號接收下來之后再發送出去(錄入重放)，達到多跳運作，以增加傳輸距離。無失真的中繼是數字中繼相對模擬系統非常明顯的優點。

3 中頻數字化平臺實現FM解調

為驗證該設計的可用性，使用MOTOROLA的GM950i電臺模擬了一個FM調制信號，電臺基帶送入一個雙音(600 Hz和1 800 Hz)的連續波。接收端通過RF模塊輸出10.7 MHz，帶寬4 MHz的信號與中頻數字化處理平臺接口。軟件無線電的解調一般采用數字正交解調法，該方法從理論上說，可以對所有的調制樣式進行解調[10]，它的通用模型如圖7所示。

對FM信號進行正交分解得:

同相分量:

XI(n)=A0cos[k∑m(n)+φ0]

(1)

正交分量:

XQ(n)=A0sin[k∑m(n)+φ0]

(2)

對正交與同相分量之比值反正切運算，然后對相位差分，即可求得調制信號:

arctgXQ(n)XI(n)-arctgXQ(n-1)XI(n-1)=

[Δω#8226;n+Δφ+k∑m(n)]-[Δω#8226;(n-1)+

Δφ+k∑m(n-1)]=Δω#8226;n+m(n)

(3)

圖7 數字正交解調的通用模型

根據以上解調原理，要實現FM解調首先要在FPGA中實現數字下變頻。本設計中，實現FPGA的數字下變頻器主要包括:DDS模塊、混頻器、CIC濾波器、半帶濾波器、數據截取器、FIR濾波器等部分。實現的數字下變頻處理流程為板載40 MHz的采樣時鐘通過ADC器件對10.7 MHz的中頻信號實施全采樣，將采樣后的信息送入FPGA中;FPGA內部的DDS產生10.625 MHz正交I/Q兩路混頻信號，混頻后得到75 kHz的第二中頻信號;信號通過25倍抽取的4級CIC濾波器得到1.6 MHz采樣率信號;信號通過兩個半帶濾波器4倍抽取變為400 kHz采樣率信號;通過FPGA內部的DDS產生75 kHz信號，再次混頻得零中頻信號;最后通過5倍抽取的FIR濾波器得到最終的80 kHz采樣率信號，通過FIFO送入DSP中進行后續信號的處理。FPGA中實現的數字下變頻處理流程如圖8所示。

圖8 數字下變頻處理流程

經過數字下變頻之后，在DSP中實現FM解調算法。處理過程為:10.7 MHz的中頻信號，在FPGA中經過數字下變頻后變為80 kHz采樣率的信號，然后對I/Q數據流求反正切和差分，計算得到解調后的信號，再對信號做降采樣率到9 600 kHz，波形如圖9所示。從圖中可以確定，這是個周期的調制信號，雖然有噪聲疊加，但波形較清晰。

圖9 FM解調之后的基帶信號波形

對基帶信號做功率譜分析得到圖10。可以看到，600 Hz和1 800 Hz上出現明顯的譜峰。經過計算，此時接收的信噪比大于20 dB。

圖10 FM解調之后信號頻譜圖

從圖10上也可以看到，在600 Hz和1 800 Hz附近沒有臨近頻率的干擾信號，信道條件較好，與電臺發射端輸入的雙音調制信號基本一致。至此，在設計的中頻數字化平臺上實現基于軟件無線電通用模型的正交解調FM信號基本成功，從而驗證了該平臺的實際可用性。

4 結語

軟件無線電處理技術的出現已經有了一段時間，但是目前非常缺少能夠真正實現這些技術的應用平臺，而國外的高速處理平臺價格十分昂貴。這里所提供的設計方法也只是眾多方法中的一種，希望可以起到拋磚引玉的作用。軟件無線電系統的最佳實現還有待硬件水平的更進一步發展，在軍、民方面的全面應用還將有一段路要走。

參考文獻

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