基于AD6620和TMS320C6x的軟件無(wú)線電接收子系統(tǒng)

軟件無(wú)線電以其極強(qiáng)的靈活性和開(kāi)放性代表著無(wú)線通信系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。其思想是以一個(gè)通用、標(biāo)準(zhǔn)、模塊化的硬件平臺(tái)為依托，通過(guò)軟件編程實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信系統(tǒng)的各種功能。

　　軟件無(wú)線電提倡功能軟件化，要求減少模擬環(huán)節(jié)。對(duì)接收機(jī)而言，則要求模/數(shù)轉(zhuǎn)換器盡可能靠近天線。在現(xiàn)階段，由于各種關(guān)鍵器件發(fā)展水平的限制，高頻信號(hào)的直接數(shù)字化及其數(shù)據(jù)處理在成本上還不合算，因此數(shù)字中頻軟件無(wú)線電加上少量的高頻模擬前端正成為理想軟件無(wú)線電的一種經(jīng)濟(jì)、適用的選擇。本數(shù)字中頻接收子系統(tǒng)是基于數(shù)字下變頻器DDCAD6620和數(shù)字信號(hào)處理器DSPTMS320C6701構(gòu)建的。

1 總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)組成與信號(hào)處理流程

　　系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。單片機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)字下變頻器的引導(dǎo)和初始化;高速ADC根據(jù)頻率源Encode輸入的時(shí)鐘信號(hào)對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行過(guò)采樣，并通過(guò)并行數(shù)據(jù)線向數(shù)字下變頻器輸出采樣結(jié)果;數(shù)字下變頻器根據(jù)單片機(jī)輸入的數(shù)據(jù)設(shè)定數(shù)控振蕩器NCO頻率值、抽樣率以及數(shù)字濾波器系數(shù)，據(jù)此對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行下變頻、降低數(shù)據(jù)率和低通濾波處理，并通過(guò)串口將數(shù)據(jù)提供給DSP進(jìn)行處理。

下面以一個(gè)實(shí)例說(shuō)明信號(hào)處理流程。假設(shè)輸入的中頻信號(hào)的中心頻率為456kHz，帶寬為20kHz，fL、fH分別表示頻率下限和上限，fL為446kHz，fH為466kHz。

　　如果如用Nyquist 帶通采樣定理采樣并設(shè)采樣頻率為fs，則要求:

其中，n的取值應(yīng)滿(mǎn)足fs≥2(fH-fL)時(shí)的n的最大值。

　　取n為20，則帶通取樣頻率為40.53kHz。如圖2所示，(a)表示原始信號(hào)頻譜，(b)表示以40.53kHz的采樣頻率采樣后的信號(hào)頻譜。對(duì)于處理信號(hào)而言，由于實(shí)際的20kHz帶外還存在遞減的干擾信號(hào)，倘若以40.53kHz采樣率進(jìn)行采樣，就會(huì)出現(xiàn)較強(qiáng)的頻譜混疊。

若用ADC對(duì)信號(hào)進(jìn)行20MHz過(guò)采樣，則如圖2(c)所示，相鄰信號(hào)頻譜之間的間隔大大加寬，可充分避免頻譜混疊。

　　本系統(tǒng)采用高速A/D轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行20MHz高速采樣，輸出的數(shù)據(jù)率為20MBPS。在目前的技術(shù)條件下，倘若過(guò)高的數(shù)據(jù)率直接輸出給DSP，會(huì)占用DSP很多不必要的開(kāi)銷(xiāo)，所以需加入數(shù)字下變頻器，在DSP前端將數(shù)據(jù)率降低。數(shù)字下變頻器的主要功能有3個(gè):(1)變頻，將感興趣的信號(hào)的中心頻率變至零中頻;(2)濾波，濾除帶外干擾信號(hào);(3)數(shù)率轉(zhuǎn)換，通過(guò)降低數(shù)率，提供利于后續(xù)電路處理的低速數(shù)據(jù)。

1.2 硬件電路設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)如圖3所示。

數(shù)/模轉(zhuǎn)換器采用的是AD公司生產(chǎn)的AD6600[1]，它具有同時(shí)處理兩路信號(hào)的能力。系統(tǒng)中Main Input向數(shù)/模轉(zhuǎn)換器AD6600輸入中頻模擬信號(hào)，Encode給AD6600提供20MSPS的采樣時(shí)鐘。AD6600采樣后的結(jié)果通過(guò)并行數(shù)據(jù)線輸出給數(shù)字下變頻器，并行數(shù)據(jù)線包括11位數(shù)據(jù)線和3位RSSI信號(hào)線(指數(shù)位)。

　　數(shù)字下變頻器選用AD公司生產(chǎn)的AD6620[2]。如圖3所示，AD6620的時(shí)鐘信號(hào)是通過(guò)CLK由AD6600提供的。AD6600和AD6620都有兩個(gè)數(shù)據(jù)通路A和B，具有同時(shí)處理兩路信號(hào)的能力，它們通過(guò)A/B選擇線協(xié)調(diào)相互間的工作模式。當(dāng)AD6600只有一路信號(hào)需處理時(shí)，A/B選擇線還可以用作輸出數(shù)據(jù)的同步信號(hào)線。本例中僅有一路信號(hào)需要處理，所以只占用AD6600和AD6620的一個(gè)信號(hào)處理通路。由于AD6620的時(shí)鐘信號(hào)CLK由AD6600直接提供，CLK同時(shí)起到了同步的作用，因此無(wú)需A/B用作同步信號(hào)線。在本系統(tǒng)中，本可將A/B拉高(當(dāng)AD6600選擇A通路時(shí))或接地(當(dāng)AD6600的選擇B通路時(shí))。但考慮到系統(tǒng)的通用性，還是將AD6600 A/B和AD6620的A/B相連。AD6620的輸入時(shí)序如圖4所示。

在本例中，由單片機(jī)8031通過(guò)P1、P2口對(duì)AD6620的并行設(shè)置端口microport 進(jìn)行設(shè)置。AD6620通過(guò)串口SDO向DSP輸出處理后的數(shù)據(jù)。由圖3可見(jiàn)，AD6620的SDM接地，此時(shí)同步信號(hào)SCLK是由DSP傳給AD6620的。在這種情況下，用DVout來(lái)提示當(dāng)前信號(hào)有效。SDFS表示數(shù)據(jù)幀的開(kāi)始，在從模式下，該信號(hào)從DSP輸入，AD6620在每個(gè)時(shí)鐘周期的下降沿檢測(cè)它。AD6620的輸出時(shí)序如圖5所示。首先，AD6620的DVout引腳給DSP一個(gè)2～4個(gè)時(shí)鐘周期的高電平信號(hào)通知DSP當(dāng)前數(shù)據(jù)有效，然后DSP發(fā)回一個(gè)確認(rèn)信號(hào)SDFS，表示一幀信號(hào)的開(kāi)始。AD6620檢測(cè)到SDFS為高電平后，在下一個(gè)時(shí)鐘周期的上升沿開(kāi)始輸出信號(hào)。

DSP采用TI公司的TMS320C6701[3]。TMS320C6701包含8個(gè)并行的處理單元，采用甚長(zhǎng)指令字(VLIW)結(jié)構(gòu)，芯片最高時(shí)鐘頻率可達(dá)300MHz，最大處理能力可達(dá)2400MIPS。在本系統(tǒng)中，TMS320C6701的中斷源INT4檢測(cè)到中斷信號(hào)以后，就會(huì)做好接收數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備，由FSR發(fā)出數(shù)據(jù)幀的幀同步信號(hào)，并由SCLK給出同步時(shí)鐘，從DR輸入信號(hào)。TMS320C6701對(duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的程序的前幾條指令放在中斷源INT4在中斷服務(wù)表中的中斷服務(wù)取指包中。如果中斷服務(wù)太長(zhǎng)而不能放到一個(gè)取指包內(nèi)，則加上一條跳轉(zhuǎn)指令跳轉(zhuǎn)到別的位置。

2 關(guān)鍵技術(shù)

　　AD6620內(nèi)含四個(gè)信號(hào)處理單元:一個(gè)頻率轉(zhuǎn)換器、兩個(gè)固定系數(shù)抽樣濾波器CIC2、CIC5(抽樣率可選)和一個(gè)可編系數(shù)抽樣濾波器。通過(guò)對(duì)AD6620這四個(gè)信號(hào)處理單元參數(shù)的不同設(shè)置，能使系統(tǒng)以同一套硬件實(shí)現(xiàn)不同輸入情況下的接收功能。

　　在上面所給的實(shí)例中，AD6620在系統(tǒng)中的作用是把數(shù)據(jù)率降至20kBPS，把456kHz中頻信號(hào)變成零頻信號(hào)，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行低通濾波處理。下面對(duì)實(shí)例中AD6620的重要參數(shù)設(shè)置進(jìn)行討論。

2.1 振蕩器頻率值的設(shè)定

　　AD6620中的頻率轉(zhuǎn)換器接收初始化時(shí)寫(xiě)入的信號(hào)頻率值，并據(jù)此對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行下變頻。實(shí)例中輸入信號(hào)的中心頻率fCH為456kHz，采樣頻率fSAMP為20MHz。寫(xiě)入AD6620的頻率值是一個(gè)32位的無(wú)符號(hào)整型數(shù)，由下式確定:

　代入f_CH和f_SAMP，可得NCO_FREQ的二進(jìn)制表示為101110101100011100010000110。

2.2 抽樣率的選擇

　　在本例中，AD6620需將20MBPS數(shù)據(jù)率降至20kBPS，總的抽取因子為1000。由于第一個(gè)抽樣濾波器的抽樣因子M_CIC2可以設(shè)為2、3...16中的任何一個(gè)，第二個(gè)抽樣濾波器的抽樣因子M_CIC5可以設(shè)為1、2...32中的任何一個(gè)，可編系數(shù)抽樣濾波器RCF的抽樣因子M_RCF可以設(shè)為1、2...32中的任何一個(gè)，所以由:

　　M_CIC2×M_CIC5×M_RCF=1000

　　可取得M_CIC2為10，M_CIC5為25，M_RCF為4。

2.3 濾波器系數(shù)的設(shè)計(jì)

　　經(jīng)過(guò)前面梳狀濾波器的處理，在一定程度上抑制了干擾信號(hào)，但對(duì)于有更高通道要求的應(yīng)用還不夠理想。AD6620內(nèi)部的系數(shù)可編程濾波器FIR可用來(lái)解決這一問(wèn)題。

　　FIR濾波器設(shè)計(jì)的目標(biāo)是:盡可能讓10kHz的低通目標(biāo)信號(hào)通過(guò)，并抑制帶外干擾信號(hào)。從濾波器幅頻特性曲線的角度來(lái)說(shuō)，要求通帶波動(dòng)盡可能小;通帶寬度盡可能與信號(hào)帶寬10kHz相等，過(guò)渡帶盡可能銳利;阻帶衰減盡可能大。通常FIR濾波器的階數(shù)越高，幅頻特性越好。AD6620提供的FIR最高可達(dá)255階，具體選擇多少要根據(jù)具體情況討論決定。

　　實(shí)例中使用窗函數(shù)設(shè)計(jì)法[4](或稱(chēng)傅立葉級(jí)數(shù)法)確定數(shù)字濾波器系數(shù)，即由理想的濾波器頻率響應(yīng)H_d(ω)經(jīng)傅立葉反變換導(dǎo)出h_d(n)，然后用一個(gè)有限長(zhǎng)度窗函數(shù)序列w(n)截取。

　　由于輸入給可編系數(shù)濾波器的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)了CIC2和CIC5兩次抽樣，且抽樣因子M_CIC2為10，M_CIC5為25，因此此時(shí)輸入數(shù)據(jù)的采樣頻率f_S為:

因?yàn)榻刂诡l率為10kHz，所以數(shù)字域截止頻率ω_C為:

這表明在通帶|ω|≤ω_c范圍內(nèi)，H_d(e^jω)的幅度是均勻的且其值為1，相位是-ωα。

　　由此可得

取w(n)=R_N(n)，按照線性相位濾波器的約束，h(n)必須為偶對(duì)稱(chēng)，對(duì)稱(chēng)中心長(zhǎng)度應(yīng)為長(zhǎng)度的一半(N-1)/2，且α=(N-1)/2。取N=255，則α=127。則濾波器的系數(shù)為:

本文介紹的基于AD6620和TMS320C6701的數(shù)字中頻軟件無(wú)線電接收子系統(tǒng)，作為中頻軟件無(wú)線電平臺(tái)，適合于大部分通信和雷達(dá)的窄帶處理。