摘? 要: 介紹了一種基于軟件無線電思想的中頻數(shù)字化接收機系統(tǒng)設計方案。它采用數(shù)字下變頻器HSP50214B、數(shù)字科斯塔司環(huán)HSP50210、TMS320C542構成核心單元,通過配置不同軟件實現(xiàn)對多種類型信號的解調(diào)接收。
關鍵詞: 軟件無線電? 中頻數(shù)字化接收機
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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)的嶄新的體系結構。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盡可能早地數(shù)字化,盡量通過軟件來實現(xiàn)電臺的各種功能。通過運行不同的算法,軟件無線電可以實時地配置信號波形,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。我們知道信號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、放大時產(chǎn)生的諧波以及互調(diào)、機內(nèi)噪聲等問題。盡管設計人員想方設法,但結果并不能令人滿意,而軟件無線電技術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)字運算,不會產(chǎn)生諧波、互調(diào)等虛假信號。與傳統(tǒng)的模擬方式相比,軟件無線電具有靈活性、適應性和開放性等特點,被譽為無線電領域的又一次革命。
1 接收機總體設計
由于受器件水平的制約,直接對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],整個接收機的結構框圖如圖1所示。
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該接收機接收信號頻率范圍: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,通過預置,可產(chǎn)生正弦信號頻率范圍:1360～2350MHz,步進值10Hz,電調(diào)諧濾波器與一本振互動聯(lián)調(diào)。混頻后,將信號通過一中心頻率為1350MHz的帶通濾波器后,進行二次混頻。第二本振LO2產(chǎn)生信號的頻率固定設置為:1371.4MHz,因此中頻信號為:21.4MHz,通過AGC控制輸出信號強度范圍為:-50～-10dBm/50Ω。
2 中頻數(shù)字化單元設計
該單元是接收機的核心部件,主要完成幾種信號(AM、FM、SSB、CW、FSK、BPSK,QPSK)的解調(diào)工作,同時負責對模擬前端提供AGC控制用電平強度值和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:信號類型、中頻帶寬、AGC時間常數(shù)、BFO值、PSK信號波特率等控制命令。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構成,負責完成數(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,輸入動態(tài)范圍±1V,采樣速率可達65Msps,在5V供電時功耗僅為710mW。注意A/D前采用固定增益放大電路,并不影響對模擬接收機的AGC輸出。因該放大電路的增益是已知的,檢測出信號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。所謂欠采樣技術就是對于帶通信號(頻率范圍:fL
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構成。HSP50214B大體可分成13個部分[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65Msps,后端處理速度最高達55Msps。總的抽取因子范圍:4～16384,輸出采樣速率可達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,既可選擇直角坐標數(shù)據(jù)輸出又能選擇極坐標數(shù)據(jù)輸出,可選擇輸出幅度、瞬時相位和頻率等參數(shù)。另外,HSP50214B還內(nèi)帶電平檢測器,可為IF自動增益控制提供支持。總之,HSP50214B功能非常強大,使用相當靈活,可以解調(diào)AM、FM、FSK信號。與HSP50210一起使用,還可以解調(diào)SSB和PSK信號。
HSP50210是Harris公司生產(chǎn)的數(shù)字科斯塔司環(huán)專用電路,其功能也很強大。時鐘處理速率高達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)自動增益控制電路;(4)鑒頻器;(5)鎖定檢測器;(6)數(shù)據(jù)質(zhì)量和信號電平檢測電路;(7)直角坐標向極坐標轉(zhuǎn)化電路;(8)8-Bits微機控制接口。
主要用HSP50210來提取相干載波、碼元同步信號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COFSYNC串行送給214B的NCO,碼元跟蹤誤差SOF利用同步信號SOFSYNC串行送給214B的重采樣NCO,所以214B和210必須采用統(tǒng)一時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)字信號處理芯片和外部程序擴展存儲器以及數(shù)據(jù)擴展存儲器組成。C542定點DSP芯片,處理速度最高可達40MIPS,可以滿足實時處理要求。主要完成工作:接收8031送過來的命令,根據(jù)命令完成對HSP50214B和HSP50210的初始化設置工作。當FIFO半滿時申請DSP的/INT1中斷,DSP響應中斷讀入1024個數(shù)據(jù),做必要的處理后根據(jù)信號類型送出。程序定期查詢8031有無新命令送過來,如有則根據(jù)新命令重新設置214B和210的相關參數(shù),否則繼續(xù)執(zhí)行原來的接收程序。根據(jù)AGC時間常數(shù),從214B讀取電平檢測值和頻率偏移送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進行異步通信。采用軟件模擬UART方式較好地解決了這個問題[2]。該方法無需額外硬件開銷,僅僅需要兩個通用I/O腳(BIO和XF)、外部中斷INT0以及一個定時器就可實現(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技術允許用戶設置:
·數(shù)據(jù)位數(shù)(1～16);
·奇偶校驗(奇校驗或偶校驗)或無奇偶校驗;
·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單片機通信控制接口。譯碼電路采用EPLD(EPM7128SQC-7)實現(xiàn),以保護電路的靈活性。與8031通信采用串口通信方式,優(yōu)點是接口簡單,調(diào)試方便,傳輸速率(采用RS-232C接口串行總線標準)20kb/s。
2.5 輸出單元
輸出單元主要包括模擬信號輸出和數(shù)字信號輸出兩部分。模擬輸出電路主要負責AM、SSB、FM、FSK信號的輸出。數(shù)字輸出端口負責輸出B/QPSK信號(I,Q兩路數(shù)據(jù)和同步時鐘)。
由于該接收機從中頻21.4MHz后采用了全數(shù)字設計,在模擬前端采用了電調(diào)諧預選濾波器與一本振之間的互動聯(lián)調(diào)(二者可通過8031設置),因而具有極大的靈活性。通過加載不同軟件,對模擬部分進行相應控制,本接收機可在10～1000MHz的范圍內(nèi)實現(xiàn)對AM、FM、SSB、CW、FSK、BPSK、QPSK的解調(diào)。實驗測試表明:接收效果良好,控制靈活,適應范圍廣,具有較好的開放性。
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參考文獻
1 胡延平,孫增軍.軟件無線電接收機中頻數(shù)字化單元系統(tǒng)設計方案.
2 胡延平，李廣森.TMS320C54x軟件模擬實現(xiàn)UART技術.
3?HSP50214B數(shù)據(jù)手冊.Harris corporation 1998
4 HSP50210數(shù)據(jù)手冊.Harris corporation 1998