基于AD6623的多路中頻數(shù)字化直擴通信系統(tǒng)

擴頻通信具有抗干擾、抗多徑、低截獲概率等優(yōu)點。20世紀(jì)70年代以來,擴頻通信的理論和方法得到了很大發(fā)展。直接序列擴頻(直擴)作為擴頻通信的一種常用方式,已成功地應(yīng)用于軍事和民用通信中,并已成為第三代移動通信系統(tǒng)的核心技術(shù)之一,充分顯示了其顯著優(yōu)點和強大生命力。

擴頻通信是以增加信息傳輸?shù)膸挒榇鷥r的。而現(xiàn)有的頻帶資源非常有限,為了提高單位帶寬內(nèi)信息傳輸?shù)乃俾?筆者提出采用直接序列擴頻cdma思想。在發(fā)端,將一路串行的數(shù)據(jù)信息經(jīng)串/并轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換為n路并行的數(shù)據(jù)信息,然后分別用n個相互正交的pn碼對每路信息進行調(diào)制完成擴頻,形成n路擴頻的基帶信息,每路基帶信息再經(jīng)過基帶成形濾波,上變頻調(diào)制到同一中頻后再將n路信號合成送給射頻接口完成發(fā)送。在收端,用與發(fā)端相同的n個pn碼分別與接收信號進行互相關(guān)運算,然后與判決門限比較獲取同步信息,比較互相關(guān)值大小獲得用戶數(shù)據(jù),將恢復(fù)的n路數(shù)據(jù)再進行并/串轉(zhuǎn)換即恢復(fù)出原始發(fā)送信息。這樣,整個系統(tǒng)所需的傳輸帶寬就降低為原來的1/n。

多路中頻數(shù)字化直擴系統(tǒng)的原理示意圖如圖1所示。

1 多路中頻數(shù)字化直擴通信系統(tǒng)的總體設(shè)計

系統(tǒng)硬件電路設(shè)計框圖如圖2所示。

a/d轉(zhuǎn)換器采用ad公司的ad6644,它的最高采樣率可達65msps,分辨率為14位。在本系統(tǒng)中,由ad6644直接對6mhz中頻信號進行過采樣,實現(xiàn)系統(tǒng)的中頻數(shù)字化,采樣時鐘為19.6608mhz。

數(shù)字下變頻器選用ad公司的ad6620,它是美國ad公司推出的高性能數(shù)字信號處理芯片,可以完成高速數(shù)字信號的下變頻及抽取濾波工作,功能強大。內(nèi)部信號處理單元由四個部分組成:頻率變換器、二階固定系數(shù)梳狀抽取濾波器(cic2)、五階固定系數(shù)梳狀抽取濾波器(cic5)和一個系數(shù)可編程的抽取濾波器(rcf)。在本系統(tǒng)中,ad6620的初始化由dsp tms320lc31完成,ad6620通過并口向dsp輸出處理后的基帶數(shù)據(jù)。

d/a轉(zhuǎn)換器采用ad公司的ad9772a,它的最高轉(zhuǎn)換速率為160mhz,轉(zhuǎn)換位數(shù)為14位。在本系統(tǒng)中,由ad9772a完成發(fā)射單元的多路合成數(shù)字中頻向模擬中頻的轉(zhuǎn)換,轉(zhuǎn)換時鐘頻率為19.6608mhz。

數(shù)字上變頻器采用ad公司的ad6623,其主要特征有以下幾點:高達104mhz的工作時鐘、單片集成四個獨立的數(shù)字發(fā)射通道、可編程插值濾波器和增益控制。ad6623內(nèi)部的信號處理包括以下四個部分:頻率變換器、二階重插值級聯(lián)積分梳狀濾波器(rcic2)、五階插值級聯(lián)積分梳狀濾波器(cic5)以及一個ram系數(shù)濾波器(rcf)。在本系統(tǒng)中共采用四片ad6623組成16路直接序列擴頻發(fā)射單元,每一路分別從fpga處取得擴頻基帶信息,進行基帶成形濾波、插值和上變頻調(diào)制到6mhz的中頻,最后將16路中頻調(diào)制信號合成為一路,再經(jīng)d/a轉(zhuǎn)換后送給射頻發(fā)射單元接口。

dsp采用ti公司的tms320lc31。tms320lc31采用改進的哈佛結(jié)構(gòu),是一種能進行浮點運算的數(shù)字信號處理芯片,主頻可達60mhz。在本系統(tǒng)中,tms320lc31主要完成的功能是:在發(fā)射過程中,由程序產(chǎn)生模擬的基帶信息,當(dāng)dsp檢測到fpga產(chǎn)生的申請數(shù)據(jù)的中斷信號時就將模擬基帶信息通過數(shù)據(jù)總線送給fpga;在接收過程中,dsp通過fpga產(chǎn)生的中斷信號分別對已完成解擴的各路數(shù)據(jù)進行接收,完成各路信息的解調(diào),并將解調(diào)出的各路信息進行并串轉(zhuǎn)換還原為發(fā)射時的一路串行信息。此外,dsp在系統(tǒng)上電時負責(zé)完成ad6623和ad6620的初始化,在運行過程中,還要負責(zé)ad6620的載波恢復(fù)。

fpga采用的是altera公司的ep1s40b956c7,它內(nèi)部含有41250個邏輯單元,可用的i/o管腳為683個,速度為0.7ns,完全可以滿足系統(tǒng)的各項性能要求。在本系統(tǒng)的發(fā)射過程中,由fpga向dsp發(fā)中斷申請,獲得待發(fā)送的基帶信息。在fpga中,將一路串行的基帶信息轉(zhuǎn)換為16路并行的基帶信息,并分別與16個互相正交的pn碼相乘完成擴頻,然后分別送給四片ad6623的16個數(shù)據(jù)通道。在接收過程中,數(shù)字下變頻器ad6620將下變頻、濾波后的基帶數(shù)據(jù)送給fpga,分別與16個本地正交pn進行匹配,完成16路pn碼的捕獲跟蹤,從而實現(xiàn)16路數(shù)據(jù)的解擴。最后fpga向dsp發(fā)送中斷,由dsp完成16路數(shù)據(jù)的組裝還原。

2 關(guān)鍵技術(shù)

ad6623內(nèi)集成了四個獨立的數(shù)字信號處理器(tsp),每個tsp由可編程內(nèi)插系數(shù)濾波器(rcf)、可編程功率控制單元、可編程五階級聯(lián)積分梳狀濾波器(cic5)、二階重采樣級聯(lián)積分梳狀濾波器(rcic2)和一個數(shù)控振蕩器(nco)等五個級聯(lián)的信號處理單元組成。通過對這五個信號處理單元參數(shù)的不同設(shè)置,可以使系統(tǒng)以同一套硬件實現(xiàn)不同的功能。

2.1 nco頻率值的設(shè)定

ad6623的每一個通道都有一個獨立的調(diào)制器,它可以把從cic濾波器中接收的數(shù)據(jù)上變頻成數(shù)字中頻,并送入多載波合并單元。該調(diào)制器由一個32比特的正交nco和一個正交幅度混頻器(qam)組成,該數(shù)字中頻的計算公式如下:

式中,nco_ frequency是寫入寄存器oxn02中的值;fif是期望的中頻頻率; fnco是nco的頻率,在輸出是實數(shù)時是系統(tǒng)工作時鐘fclk的一半,而在輸出是復(fù)數(shù)時是fclk的四分之一。

在此系統(tǒng)中,輸出為實數(shù)模式,要求上變頻到fif為6mhz的數(shù)字中頻,系統(tǒng)工作時鐘fclk為19.6608mhz,帶入上式可求得nco_ frequency的十六進制表示為4e200000。

2.2 插值系數(shù)的的設(shè)定

在本系統(tǒng)中,ad6623的每個通道要將chip速率為614.4khz的擴頻信息插值到等于系統(tǒng)的工作時鐘頻率19.6608mhz,這樣總的插值系數(shù)為32(19.6608mhz/614.4khz)。利用ad公司提供的filter design軟件可得到一組最佳的各級濾波器插值系數(shù)的分配方案:mcic2=1,lcic2=1,cic5=4,mrcf=8。

2.3 濾波器系數(shù)的設(shè)定

fir濾波器的設(shè)計目標(biāo)是讓614.4khz的低通目標(biāo)信號盡可能地通過,并抑制帶外干擾。從濾波器幅頻特性曲線的角度來看,也就是要求通帶波動盡可能地小,通帶寬度盡可能地與信號帶寬相等,過渡帶盡可能地銳利,阻帶衰減盡可能地大。通常,fir濾波器的階數(shù)越高,幅頻特性越好,ad6623提供的濾波器階數(shù)最高可達255階,具體選擇多少要根據(jù)實際情況而定。

在本系統(tǒng)中使用窗函數(shù)設(shè)計法(或稱傅立葉級數(shù)法)確定濾波器系數(shù),即由理想的濾波器頻率響應(yīng)hd(w)經(jīng)傅立葉反變換導(dǎo)出hd(n),然后用一個有限長窗函數(shù)序列w(n)截取。由于輸入給可編程系數(shù)濾波器的數(shù)據(jù)經(jīng)過了一次插值,且插值系數(shù)mrcf為8,因此此時輸入數(shù)據(jù)的采樣率fs為:

fs=614.4k×8＝4.9152mhz

因為截止頻率fc為614.4khz,所以數(shù)字域截止頻率wc為:

這表明在通帶|w|≤wc范圍內(nèi),hd(ejw)的幅度是均勻的,且其值為1、相位為-wα。
　　由此可得:

取w(n)＝rn(n),按照線性相位濾波器的約束,h(n)必須為偶對稱,對稱中心長度應(yīng)為長度的一半(n-1)/2,且α=(n-1)/2,取n＝255,則α＝127。于是可得濾波器的系數(shù)為:

fir濾波器的幅頻響應(yīng)曲線如圖3所示。

2.4 載波合并單元

ad6623的載波合并單元用來合并各信道的輸出以產(chǎn)生多載波信號,該結(jié)果與18比特寬帶輸入總線上的內(nèi)容相加后,將在高速時鐘的上升沿送至18比特寬帶輸出總線。

3 實驗驗證

在基于圖2的硬件平臺下,dsp將模擬速率為307.2kbps的基帶信息序列送給fpga作為發(fā)送信息序列,經(jīng)串/并轉(zhuǎn)換后每路信息速率降低為19.2kbps, pn碼長為32,所以擴頻后每路chip速率為614.4kbps。在發(fā)射端,發(fā)送信息序列經(jīng)fpga擴頻調(diào)制后送給ad6623上變頻,然后送給ad9772a完成d/a變換;在接收端,中頻信號經(jīng)過ad6644采樣和ad6620下變頻后,再經(jīng)fpga解擴和dsp檢測,解調(diào)出的信息經(jīng)計算機串口送給計算機顯示器顯示解調(diào)結(jié)果。經(jīng)實際電路驗證,dsp能正確解調(diào)出所發(fā)送的擴頻信號。證明利用ad6623等所設(shè)計的中頻數(shù)字化多路直接序列擴頻通信系統(tǒng),具有硬件設(shè)計靈活、資源消耗少、調(diào)試修改方便等優(yōu)點,對軟件進行一定的修改,則可以作為一種通用的多路中頻數(shù)字化直擴通信系統(tǒng)處理平臺。

基于ad6623的多路中頻數(shù)字化直接序列擴頻通信系統(tǒng),可以方便地改變系統(tǒng)的調(diào)制方式和調(diào)制頻率,而且還可以適應(yīng)不同信息速率和各種偽碼碼長的直接序列擴頻通信,關(guān)鍵一點在于它采用了碼分多址的思想,使得帶寬利用率大大提高。實驗測試表明:系統(tǒng)效果良好,控制靈活,適應(yīng)范圍廣,具有較好的應(yīng)用前景。