基于AD6620和ADSP2191的數(shù)字中頻軟件無(wú)線(xiàn)電接收系統(tǒng)

2004年4月A版

摘  要：提出了一種通用的數(shù)字中頻軟件無(wú)線(xiàn)電接收系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用方案。

關(guān)鍵詞：軟件無(wú)線(xiàn)電；數(shù)字中頻；數(shù)據(jù)采集；數(shù)字下變頻

　　軟件無(wú)線(xiàn)電(Software Radio)是近年來(lái)提出的一種全新的無(wú)線(xiàn)通信體系結(jié)構(gòu)，它以其極強(qiáng)的靈活性和開(kāi)放性代表著無(wú)線(xiàn)通信的發(fā)展趨勢(shì)，已經(jīng)逐漸成為通信領(lǐng)域的一個(gè)新的發(fā)展方向。它的基本思想是：構(gòu)造一個(gè)開(kāi)放、標(biāo)準(zhǔn)、模塊化的通用硬件平臺(tái)，將無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)的各種功能(如工作頻段、調(diào)制解調(diào)類(lèi)型、數(shù)據(jù)格式、加密模式、通信協(xié)議等)通過(guò)軟件編程來(lái)實(shí)現(xiàn)，并使寬帶A/D和D/A轉(zhuǎn)換器盡可能地靠近天線(xiàn)?，F(xiàn)階段，由于受微電子技術(shù)水平的限制，直接對(duì)射頻(RF)進(jìn)行采樣還很難實(shí)現(xiàn)，成本上也很不合算。所以目前的軟件無(wú)線(xiàn)電研究，大部分都是在中頻(IF)上進(jìn)行處理。數(shù)字中頻軟件無(wú)線(xiàn)電加上少量的高頻模擬前端正成為理想軟件無(wú)線(xiàn)電的一種經(jīng)濟(jì)實(shí)用的選擇。

　　本文介紹了一種通用的數(shù)字中頻軟件無(wú)線(xiàn)電接收系統(tǒng)，它能廣泛地應(yīng)用于各種中頻調(diào)制信號(hào)的采樣與解調(diào)，并且通過(guò)系統(tǒng)同步互聯(lián)技術(shù)，該系統(tǒng)還能和其它系統(tǒng)一起構(gòu)成一個(gè)大型的能同步處理多種調(diào)制信號(hào)的多通道多模式多功能接收系統(tǒng)。該系統(tǒng)的核心芯片為數(shù)字信號(hào)處理器ADSP2191和數(shù)字下變頻器AD6620。

總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　數(shù)字中頻軟件無(wú)線(xiàn)電接收系統(tǒng)由信號(hào)調(diào)理、數(shù)據(jù)采集、可編程數(shù)字下變頻器AD6620、數(shù)字信號(hào)處理器ADSP2191和串行E2PROM構(gòu)成，還包括邏輯控制電路和時(shí)鐘電路。

　　系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

　　在本系統(tǒng)中，模擬中頻信號(hào)由射頻前置輸入；高性能模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD6640根據(jù)時(shí)鐘電路提供的時(shí)鐘信號(hào)對(duì)輸入的信號(hào)進(jìn)行高速采樣，并把采集到的數(shù)據(jù)(12bit)送入數(shù)字下變頻器AD6620；AD6620根據(jù)設(shè)置參數(shù)對(duì)輸入采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行變頻、濾波和速率轉(zhuǎn)換處理，并通過(guò)并行端口將處理后的數(shù)據(jù)傳給高性能數(shù)字信號(hào)處理器；最后數(shù)字信號(hào)處理器ADSP2191對(duì)此基帶數(shù)字信號(hào)進(jìn)行信號(hào)檢測(cè)、同步獲取、匹配濾波、信號(hào)解調(diào)和譯碼等處理，最終的分析結(jié)果由ADSP2191通過(guò)UART端口傳給PC進(jìn)行存儲(chǔ)或顯示。串行E2PROM是用于存儲(chǔ)用戶(hù)程序，在系統(tǒng)上電或DSP復(fù)位時(shí)通過(guò)SPI接口加載到ADSP2191內(nèi)部的程序存儲(chǔ)區(qū)并啟動(dòng)運(yùn)行。完成對(duì)AD6620的控制和設(shè)置后啟動(dòng)ADC進(jìn)行通信信號(hào)的處理。

關(guān)鍵技術(shù)

數(shù)據(jù)采集

　　將寬帶A/D和D/A轉(zhuǎn)換器盡可能地靠近天線(xiàn)是軟件無(wú)線(xiàn)電體系結(jié)構(gòu)的一個(gè)重要特點(diǎn)。無(wú)論是采用射頻直接數(shù)字化結(jié)構(gòu)還是中頻數(shù)字化結(jié)構(gòu)，也無(wú)論是采用正交采樣技術(shù)、帶通信號(hào)采樣技術(shù)還是過(guò)采樣技術(shù)，都對(duì)A/D轉(zhuǎn)換器的采樣速率、工作帶寬和動(dòng)態(tài)范圍提出了很高的要求。因此A/D轉(zhuǎn)換器的性能決定了系統(tǒng)的中頻范圍和帶寬，換句話(huà)說(shuō)，選擇什么樣的ADC往往要根據(jù)射頻前置的中頻值和信息速率、帶寬等來(lái)確定。在本系統(tǒng)中，我們選用AD6640來(lái)進(jìn)行中頻采樣。AD6640內(nèi)含采樣保持電路和基準(zhǔn)源，最高采樣速率可達(dá)65MHz，輸入帶寬250MHz，信噪比68dB。這樣構(gòu)成的系統(tǒng)選用不同的采樣技術(shù)，其工作的中頻值范圍可以到200MHz以上，帶寬可以到30MHz，輸入信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍為2V峰峰值。系統(tǒng)設(shè)計(jì)中一般A/D的時(shí)鐘信號(hào)取自射頻頻綜或本振，這樣有利于系統(tǒng)的同步，為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的同步互聯(lián)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)中DSP的時(shí)鐘也來(lái)自本振，由DSP內(nèi)部倍頻電路實(shí)現(xiàn)倍頻和鎖相。值得注意的是，要考慮時(shí)鐘的走線(xiàn)和干擾，以免對(duì)射頻接收部分造成影響。

數(shù)字下變頻

　　A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)輸入的模擬中頻信號(hào)直接采樣得到高速數(shù)字序列，如果把這些數(shù)字序列直接傳給DSP處理，將會(huì)大大增加DSP的運(yùn)算量，并對(duì)DSP的運(yùn)算能力提出過(guò)高的要求。因此常使用數(shù)字下變頻器，對(duì)采集數(shù)據(jù)作變頻和抽取濾波處理，以提高整個(gè)系統(tǒng)的處理速度和運(yùn)算效率。在本系統(tǒng)中，我們選用可編程數(shù)字下變頻器AD6620。它的主要功能有三個(gè)：變頻，將感興趣的信號(hào)的中心頻率變至零中頻；低通濾波，濾除帶外干擾信號(hào)提取有用信號(hào)；采樣速率轉(zhuǎn)換，降低采樣速率以利于后續(xù)信號(hào)處理。AD6620既能對(duì)實(shí)信號(hào)進(jìn)行處理又能對(duì)復(fù)信號(hào)進(jìn)行處理，即支持正交采樣的數(shù)字下變頻。在系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)采用實(shí)信號(hào)進(jìn)行處理，其數(shù)據(jù)輸出選用并行模式(16bit)以提高傳輸效率。

數(shù)字信號(hào)處理

　　DSP是整個(gè)軟件無(wú)線(xiàn)電方案的靈魂和核心，軟件無(wú)線(xiàn)電的靈活性、開(kāi)放性和可編程性等特點(diǎn)主要都是通過(guò)以DSP為中心的通用硬件平臺(tái)以及DSP軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)的。本系統(tǒng)選用16bit定點(diǎn)ADSP2191。ADSP2191的運(yùn)行速度快，處理速度可達(dá)160MIPS，片內(nèi)包含單周期存取的64K Words RAM。因此ADSP2191能滿(mǎn)足系統(tǒng)設(shè)計(jì)中通信信號(hào)的處理要求。為減少體積，降低功耗，增加其攜帶靈活性，我們采用SPI引導(dǎo)方式完成DSP的程序加載，系統(tǒng)中的串行E2PROM用于存放用戶(hù)程序。系統(tǒng)運(yùn)行后首先對(duì)AD6620進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，再啟動(dòng)ADC采樣，經(jīng)過(guò)數(shù)字下變頻和抽取的信號(hào)通過(guò)并口送到DSP進(jìn)行通信信號(hào)的解調(diào)解擴(kuò)和譯碼處理，實(shí)現(xiàn)一個(gè)通道的通信信號(hào)處理。需要多個(gè)通道時(shí)可以采用同步互聯(lián)技術(shù)實(shí)現(xiàn)多通道的信號(hào)接收與處理。

系統(tǒng)同步互聯(lián)

　　由圖1可知，圖中是一個(gè)單通道的數(shù)字中頻軟件無(wú)線(xiàn)電接收系統(tǒng)，即它在同一時(shí)刻只能對(duì)一個(gè)通道的信號(hào)進(jìn)行接收處理。但在很多實(shí)際應(yīng)用中，往往需要系統(tǒng)能夠同時(shí)進(jìn)行多通道的信號(hào)接收。因此，我們利用ADSP2191的高速同步串口(SPORT)以及時(shí)分多路技術(shù)(TDM)，設(shè)計(jì)了一個(gè)同步數(shù)據(jù)傳輸接口，通過(guò)提供統(tǒng)一的時(shí)鐘，將多個(gè)單通道的接收子系統(tǒng)同步互聯(lián)起來(lái)，從而組成一個(gè)大型的最多能同步處理128路調(diào)制信號(hào)的多通道多模式多功能接收系統(tǒng)。并且為了增強(qiáng)ADSP2191高速同步串口的驅(qū)動(dòng)能力和數(shù)據(jù)傳輸距離，在硬件設(shè)計(jì)中采用RS-485芯片來(lái)增強(qiáng)同步互聯(lián)接口的驅(qū)動(dòng)能力，使其數(shù)據(jù)傳輸速率最高可以達(dá)到5Mbps，最大分布距離為1000米。這種多個(gè)通道之間同步互聯(lián)的方案可以有效地解決通道數(shù)與成本之間的矛盾，并且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且易于實(shí)現(xiàn)。多通道接收系統(tǒng)的同步互聯(lián)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

軟件設(shè)計(jì)

數(shù)字下變頻器的參數(shù)設(shè)置

　　AD6620的參數(shù)設(shè)置體現(xiàn)了整個(gè)中頻接收系統(tǒng)的工作模式，其根據(jù)不同的中頻值和帶寬，設(shè)置不同的參數(shù)與之相適應(yīng)，體現(xiàn)了軟件無(wú)線(xiàn)電的靈活性和可編程性。

　　系統(tǒng)中DSP通過(guò)其控制接口對(duì)數(shù)字下變頻器設(shè)置，以使同一系統(tǒng)適應(yīng)多種輸入情況下的接收功能。

數(shù)控振蕩器頻率值的設(shè)定

　　數(shù)控振蕩器頻率值(NCO_FREQ)的設(shè)定取決于采樣頻率(fSAMP)和信號(hào)的中心頻率(fCH)，可由下式確定：

              (1)

　　不同的fCH和fSAMP，可得到不同的NCO_FREQ以適應(yīng)不同的中頻值。

　　各級(jí)抽取因子的選擇

　　抽取因子的選擇要根據(jù)不同采樣頻率不同數(shù)據(jù)速率進(jìn)行計(jì)算得到。AD6620的抽取率是由三級(jí)組成的：積分梳狀抽取濾波器CIC2(抽取范圍2~16)、CIC5(抽取范圍1~32)和可編系數(shù)抽取濾波器RCF(抽取范圍1~32)。設(shè)系統(tǒng)總的抽取因子為MSYS，則各級(jí)抽取因子必須滿(mǎn)足下式：

　MSYS=MCIC2