摘? 要: 介紹了一種基于軟件無線電思想的中頻數字化接收機系統設計方案。它采用數字下變頻器HSP50214B、數字科斯塔司環HSP50210、TMS320C542構成核心單元,通過配置不同軟件實現對多種類型信號的解調接收。
關鍵詞: 軟件無線電? 中頻數字化接收機
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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字化,盡量通過軟件來實現電臺的各種功能。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、信道調制、加密算法等無線電通信業務。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、混頻產生的虛假信號、放大時產生的諧波以及互調、機內噪聲等問題。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。在數字化之后,本振、混頻、放大、濾波都僅僅是數字運算,不會產生諧波、互調等虛假信號。與傳統的模擬方式相比,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采用數字鎖相環產生所需頻率,通過預置,可產生正弦信號頻率范圍:1360～2350MHz,步進值10Hz,電調諧濾波器與一本振互動聯調。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字化單元提供:信號類型、中頻帶寬、AGC時間常數、BFO值、PSK信號波特率等控制命令。中頻數字化處理單元硬件系統大體構成如圖2所示[1]。
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2.1? 數據采集部分
該部分電路主要由數控放大器和模/數轉換器AD6640構成,負責完成數據采集工作。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公司生產的新一代模數轉換器件,分辨率12bit,輸入動態范圍±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 數字下變頻單元
數字下變頻單元由美國Harris生產的專用可編程下變頻器HSP50214B和專用可編程數字科斯塔司環電路HSP50210構成。HSP50214B大體可分成13個部分[3](見圖3),主要功能是將IF數據下變頻成基帶數據。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字長的數據并行輸入,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據輸出又能選擇極坐標數據輸出,可選擇輸出幅度、瞬時相位和頻率等參數。另外,HSP50214B還內帶電平檢測器,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AM、FM、FSK信號。與HSP50210一起使用,還可以解調SSB和PSK信號。
HSP50210是Harris公司生產的數字科斯塔司環專用電路,其功能也很強大。時鐘處理速率高達52MHz,內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)數據質量和信號電平檢測電路;(7)直角坐標向極坐標轉化電路;(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。其內部的AGC環路、內部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提供兩路正交數據,而其每一路數據長度只有10bits,因此要注意數據匹配問題。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必須采用統一時鐘才能保證同步傳送數據不出問題。
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2.3 DSP單元
DSP單元采用美國TI公司生產的TMS320C542專用數字信號處理芯片和外部程序擴展存儲器以及數據擴展存儲器組成。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個數據,做必要的處理后根據信號類型送出。程序定期查詢8031有無新命令送過來,如有則根據新命令重新設置214B和210的相關參數,否則繼續執行原來的接收程序。根據AGC時間常數,從214B讀取電平檢測值和頻率偏移送8031,作為模擬部分的調整依據。
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,硬件連接非常簡單(見圖5)。
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圖5中,XF腳用于發送數據,
腳和INT0腳用于接收數據。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:
·數據位數(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,以保護電路的靈活性。與8031通信采用串口通信方式,優點是接口簡單,調試方便,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。數字輸出端口負責輸出B/QPSK信號(I,Q兩路數據和同步時鐘)。
由于該接收機從中頻21.4MHz后采用了全數字設計,在模擬前端采用了電調諧預選濾波器與一本振之間的互動聯調(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的范圍內實現對AM、FM、SSB、CW、FSK、BPSK、QPSK的解調。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字化單元系統設計方案.
2 胡延平，李廣森.TMS320C54x軟件模擬實現UART技術.
3?HSP50214B數據手冊.Harris corporation 1998
4 HSP50210數據手冊.Harris corporation 1998