AD9361在無線通信數字中繼器中的應用

唐 俊,范 紅，2,嚴 杰,倪 林，2,曹愛玲

(1. 東華大學 信息科學與技術學院，上海 201620；2.東華大學 數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)

AD9361在無線通信數字中繼器中的應用

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)

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

調頻廣播; 數字中繼器；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生衰減和隔絕的作用。在現有技術中，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的無線數字中繼傳輸系統，具有很強的可重新編程和可重構的能力，實現了對射頻信號轉化為數字信號的處理和傳輸。

1 AD9361的結構和工作原理

本文所述的無線射頻收發機關鍵部分是AD9361射頻(RF)捷變收發器，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，涵蓋大部分特許執照和免執照頻段；在單個器件中集成了提供所有收發器功能的所有必要RF、混合信號和數字模塊[2]。

圖1 AD9361捷變收發器

AD9361芯片內部結構如圖1所示。AD9361有兩個獨立的接收器和發射器：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。各個數字濾波器模塊的采樣速率可以通過更改抽取系數來進行調整，從而產生需要的輸出數據速率；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)。

發射器與接收器相同，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字處理、混合信號和射頻模塊，能夠形成一個直接變頻系統，同時共用一個通用型頻率合成器。從基帶處理器收到的數字數據進入FIR濾波器，經濾波器后發送到插值濾波器中，實現細致的濾波和數據速率插值處理，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，用SD卡驅動，調試完成后，射頻收發機完成，能夠實現對信號的接收、處理、發射。

圖2 射頻收發機結構圖

圖3 數字下變頻結構圖

2 數字變頻

在無線通信系統中，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。廣播信號在收發信機中分別經過下變頻和上變頻，實現對信號的數字變頻。

本系統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，經過模數轉換和帶通采樣后進入數字信號處理器件中。數字下變頻(DDC)原理框圖如圖3所示，可以看出本振信號(LO)由NCO(數字控制振蕩器)產生，數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；接著經過數字低通濾波器進行抗混疊濾波和信號提取；最后經抽取器，降低采樣率，以利于后期基帶信號處理[4]。

數字上變頻(DUC)原理框圖如圖4所示。在無線通信發射機中它是核心物理模塊，主要部件為內插器以及數字振蕩器[5]。基帶數字信號經FIR濾波后再進入插值濾波器中，實現細致的濾波和數據速率插值處理；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，進行數字上變頻，它是用數字振蕩器(NCO)實現的。

圖4 數字上變頻結構圖

本文利用AD9361接收部分中將接收到的調頻廣播信號通過數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，實現信號濾波和數據速率插值處理，再進行數模轉換。當基帶模擬信號轉換為基帶數字信號時，這里的信號分別是I和Q兩路信號，二者又經過基帶低通濾波，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，調制到需要傳輸的頻率上[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，實現信號發送[8]。

在Linux系統終端中確定發射信號的本振、帶寬和采樣率之后，實現信號頻段搬移。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 實現結果分析

實驗實際效果的觀測，本文分別利用收發信機和頻譜分析儀對搬移后的信號進行接收和分析。收發信機接收空中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。通過數字變頻將信號頻率由原來的87 MHz搬移到97 MHz，控制數字模擬轉換器信道和改變信道狀態，實現接收到的信號的再發射。

圖5 收發信機接收空中87MHz～108MHz的所有調頻廣播信號

收發信機接收97 MHz～118 MHz信號如圖6所示，從圖中可以看出，收發信機接收到了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字變頻后實現了搬移。

圖6 收發信機接收97MHz～118MHz信號

圖7 頻譜分析儀接收到的信號

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了搬移。最后在發射端口接上發射天線，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上調至沒有節目的97.9頻道，97.7頻道的節目內容與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射，實現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，大大提高了系統的穩定性和集成度。

本文采用的數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、發射和數字處理，具有廣泛的應用前景。

[1] 余蓮. AD9361:基于突破性技術促進軟件定義無線電應用[J]. 電子技術應用，2013, 39(11)：1.

[2] ADI.RF捷變收發器[EB/OL].[2014-11-6](2015-09-01).http://www.analog.com/static/importedfiles/zh/data_sheets/AD9361_cn.pdf.

[3] 陸佳華，潘祖龍，鵬競宇.嵌入式系統硬件協同設計實戰指南：基于Xilinx ZYNQ[M].北京:機械工業出版社，2014.

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[5] 閻毅，賀鵬飛.軟件無線電與認知無線電概論[M].北京:電子工業出版社，2013.

[6] AD9361 RF and BB PLL Synthesizer User Guide[EB/OL].[2014-11-6](2015-09-01).http://www.analog.com/media/en/technical-documentation/user-guides/AD9361_Reference_Manual_UG-570.pdf.

[7] 張從力,史記征.擴頻技術在礦井透地通信系統中的應用與仿真[J].微型機與應用,2013,32(1):51-53,56.

[8] 蓋鵬翱,鄭世剛.基于AD9957的通用數字調制器[J].微型機與應用,2013,32(2):23-26.

唐俊(1990-),男，碩士，主要研究方向：軟件無線電和現代通信技術。

范紅(1976-)，女，博士，副教授，主要研究方向：光電信息獲取與處理。

嚴杰(1972-)，男，學士，高級工程師，主要研究方向：廣播信號中繼傳輸的數字化處理。

The application of wireless FM radio signal digital repeater based on AD9361

Tang Jun1, Fan Hong1,2, Yan Jie3, Ni Lin1,2, Cao Ailing1

(1.College of Information Science and Technology, Donghua University, Shanghai 201620,China;2.Engineering Research Center of Digitized Textile & Fashion Technology, Ministry of Education, Donghua University, Shanghai 201620, China;3.Oriental Pearl Co., Ltd., Shanghai 200052, China)

This paper uses radio frequency agile transceivers AD9361 to receive FM radio signals, and RF signal can be converted to digital signal to process. After processing the broadcast signal, in accordance with the requirements of the emission spectrum, it realizes radio signal more widely spread. Compared with traditional communication system that the change of the spectrum is the use of analog circuits, and each circuit can only correspond to a fixed band, wireless digital repeater has better flexibility and versatility.

FM broadcasting; digital repeater; SDR; AD9361

TN93

A

1674-7720(2016)04-0098-03

唐俊,范紅,嚴杰，等．AD9361在無線通信數字中繼器中的應用[J] .微型機與應用，2016，35(4)：98-100，103.

2015-09-22)