一種通用型低成本中頻數(shù)字化方案的實(shí)現(xiàn)?

宋大鳳，姚元飛，吳仡

（中國西南電子技術(shù)研究所，成都610036）

一種通用型低成本中頻數(shù)字化方案的實(shí)現(xiàn)?

宋大鳳，姚元飛，吳仡

（中國西南電子技術(shù)研究所，成都610036）

根據(jù)超短波組合式電臺(tái)低成本中頻數(shù)字化的要求，提出了一種低成本的中頻數(shù)字化方案，采用Xilnx公司的低成本FPGA XC3S4000和AD公司的上變頻器AD9857以及模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD9235-40設(shè)計(jì)了中頻數(shù)字化硬件平臺(tái)，并在該平臺(tái)上完成了AM、FM模擬信號(hào)和MSK數(shù)字信號(hào)的調(diào)制解調(diào)。模塊級(jí)和系統(tǒng)級(jí)的測試表明，AM、FM的解調(diào)音頻信納比和MSK的誤碼率均滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。該平臺(tái)具有很好的通用性，適用于中頻頻率低于40 MHz的中頻數(shù)字化設(shè)計(jì)。在該平臺(tái)上只需進(jìn)行軟件更改就可以實(shí)現(xiàn)其它調(diào)制解調(diào)方案。

軟件無線電；超短波電臺(tái)；中頻數(shù)字化；低成本；調(diào)制；解調(diào)

1 引言

軟件無線電技術(shù)是未來通信發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。中頻數(shù)字化技術(shù)是一種切實(shí)可行的軟件無線電實(shí)現(xiàn)方案［1］。但目前很多超短波電臺(tái)的中頻數(shù)字化平臺(tái)硬件成本較高，無法滿足越來越嚴(yán)酷的低成本要求。通過組合式超短波電臺(tái)的中頻數(shù)字化研究，經(jīng)過慎重的中頻頻率選擇，嚴(yán)格的器件挑選，設(shè)計(jì)了一款低成本的通用型中頻數(shù)字化平臺(tái)，并在該平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)了AM、FM、MSK三種調(diào)制解調(diào)方式。

2 通用硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)

通用硬件平臺(tái)的設(shè)計(jì)指導(dǎo)思想是在保證性能指標(biāo)滿足要求的前提下，選擇低成本高性能器件，以降低整個(gè)模塊的生產(chǎn)成本。該中頻數(shù)字化平臺(tái)的核心器件包括電源芯片、FPGA、數(shù)／模轉(zhuǎn)換器、差分ADC驅(qū)動(dòng)器、中頻AD轉(zhuǎn)換器以及音頻的數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換器。硬件原理框圖如圖1所示。

2.1 電源芯片的選擇

電源芯片選擇TI公司的TPS75003R，該款芯片是TI公司專門正對Xilinx公司SPARTAN－3系列FPGA設(shè)計(jì)的高集成度、低成本的三相供電電源。單片芯片提供SPARTAN－3系列芯片工作需要的＋3.3 V、＋1.2 V、＋2.5 V電源。同時(shí)＋3.3 V電源還可以給模塊內(nèi)的其它數(shù)字和模擬電路供電。

2.2 FPGA的選擇

FPGA是中頻數(shù)字化平臺(tái)的核心器件，本方案選用Xilinx公司的Spartan－3系列XC3S4000。該芯片系統(tǒng)門數(shù)為400萬門，其中包含62 208個(gè)邏輯單元，172.8萬比特塊RAM，4個(gè)DCM數(shù)字時(shí)鐘管理單元，96個(gè)乘法器。芯片的最高速率可達(dá)333 Mbit／s［2］，完全滿足通用信號(hào)處理算法對資源的要求，而該款芯片的價(jià)格僅80美元左右，是性價(jià)比很高的一款FPGA。

2.3 模數(shù)轉(zhuǎn)換器及驅(qū)動(dòng)器的選擇

系統(tǒng)中頻頻率為21.4 MHz，采用帶通采樣原理，采樣速率選擇12.8 MHz。40 MHz速率的模數(shù)轉(zhuǎn)換器完全滿足設(shè)計(jì)要求，因此模數(shù)轉(zhuǎn)換器選用了低成本的AD9235－40，該款芯片的轉(zhuǎn)換位數(shù)為12位，SNR為－70 dBc，SFDR為－85 dBc，完全滿足設(shè)計(jì)要求。

為了降低信道帶來的差模噪聲，數(shù)模轉(zhuǎn)換器采用差分工作方式，將接收的中頻信號(hào)經(jīng)過AD8137轉(zhuǎn)換為差分信號(hào)后送AD轉(zhuǎn)換器。

2.4 數(shù)模轉(zhuǎn)換器的選擇

本方案選擇帶數(shù)模轉(zhuǎn)換器的上變頻器AD9857，該款芯片是一種通用的、高性能的數(shù)字正交上變頻器件，器件包含了一個(gè)14位的DA轉(zhuǎn)換器。芯片具有集成度高、性能好、體積小、功耗低等特點(diǎn)。使用該器件可很容易實(shí)現(xiàn)信號(hào)的數(shù)字正交調(diào)制，簡化上變頻軟件的設(shè)計(jì)。芯片主要包括內(nèi)插、濾波、上變頻器控制、帶通濾波等處理過程，其中上變頻器是該芯片的核心。功能框圖如圖2所示［3］。

2.5 音頻數(shù)模／模數(shù)轉(zhuǎn)換器的選擇

音頻數(shù)模／模數(shù)轉(zhuǎn)換器選用TI公司的PCM3060，該芯片有兩路24位ADC和兩路24位DAC，ADC的SNR可達(dá)99 dB，DAC的SNR可達(dá)104 dB。采樣速率16～96 kbit／s可選，完全滿足常規(guī)音頻（300～3 400 Hz）和加密音頻（50～10 240 Hz）對采樣率的要求。

3 軟件算法的實(shí)現(xiàn)

目前，在該平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)了AM、FM、MSK的調(diào)制和解調(diào)，由于篇幅有限，本節(jié)僅以MSK調(diào)制解調(diào)為例，描述在該平臺(tái)上MSK軟件算法的實(shí)現(xiàn)。

3.1 MSK調(diào)制算法

MSK是2FSK的一種特殊情況，其頻差Δf是滿足兩個(gè)頻率相互正交的最小頻差，可表示為［4］

將上式代入頻偏指數(shù)h的表達(dá)式可得：

式中，Ts為碼元周期，Rs為碼元速率。h＝0.5的頻移鍵控稱為最小頻移鍵控即MSK，這是滿足正交條件下的最小調(diào)制指數(shù)。相位連續(xù)的頻移鍵控信號(hào)在比特間隔之間的轉(zhuǎn)換時(shí)刻要保持載波的相位連續(xù)，因此MSK的信號(hào)可表達(dá)為

式中，φ（t）為隨時(shí)間連續(xù)變化的相位，fc為未調(diào)制載波。fc和φ（t）可分別表示為

這里φ（0）為初始相位，因此MSK的信號(hào)可寫為

式中，a（t）＝±1，分別表示二進(jìn)制信息1和0。因此MSK調(diào)制單元的實(shí)現(xiàn)框圖如圖3所示。

3.2 MSK解調(diào)算法

當(dāng)信道中存在高斯白噪聲時(shí)，MSK信號(hào)的表達(dá)式如下［5］：

式中，nc（t）和ns（t）是均值為零、方差為σ2的平穩(wěn)高斯過程。

若頻差和初始相差為零，為了便于分析，暫不考慮噪聲的影響，接收信號(hào)經(jīng)下變頻以后分成I、Q兩個(gè)支路并使信號(hào)無失真通過：

對于差分解調(diào)方式，I、Q信號(hào)延遲后的表達(dá)式如下：

若初始相位為nπ，經(jīng)過相乘器后上下支路分別為

上下兩支路相減為

解調(diào)最后要在一個(gè)周期內(nèi)對Z（t）進(jìn)行積分，積分按以下方式進(jìn)行：

然后再根據(jù)Z的極性判斷得到的ak的值。

中頻MSK解調(diào)的實(shí)現(xiàn)框圖如圖4所示。首先用12.8 MHz的采樣率對21.4 MHz的中頻MSK信號(hào)進(jìn)行帶通采樣，通過濾波、內(nèi)插、數(shù)字下變頻，得到基帶I、Q信號(hào)，再通過差分解調(diào)、位同步、抽樣判決恢復(fù)出發(fā)端數(shù)據(jù)。

采樣后的數(shù)字中頻信號(hào)需要通過帶通濾波器濾除諧波分量，同時(shí)通過這個(gè)帶通濾波器，也需要濾除MSK信號(hào)帶外的噪聲，因此在方案中設(shè)計(jì)了一個(gè)200階的帶通濾波器，其幅頻響應(yīng)如圖5所示。

將濾波、內(nèi)插得到的38.4 MHz的數(shù)據(jù)流與本地振蕩器產(chǎn)生的載波信號(hào)混頻，然后通過CIC積分梳狀濾波器和FIR低通濾波器，便得到了基帶I、Q信號(hào)，其中FIR低通濾波器的幅頻響應(yīng)如圖6所示。

4 測試結(jié)果

在該平臺(tái)上完成的MSK解調(diào)指標(biāo)經(jīng)過如7圖所示的誤碼測試平臺(tái)測試，在0～－20 dBm的中頻輸入范圍內(nèi)，均能達(dá)到輸入SNR大于30 dB時(shí)解調(diào)誤碼率為0、輸入SNR為12 dB時(shí)解調(diào)誤碼率優(yōu)于1 ×10－3的要求。測試結(jié)果如表1所示。

5 結(jié)論

由于采用了低成本設(shè)計(jì)方案，整個(gè)中頻數(shù)字化平臺(tái)的硬件成本在1 000元左右。目前，在該平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)了中頻頻率為21.4 MHz的AM、FM、MSK調(diào)制解調(diào)，說明平臺(tái)完全滿足設(shè)計(jì)要求。該平臺(tái)已經(jīng)在實(shí)際項(xiàng)目中使用，完全滿足整機(jī)指標(biāo)要求。但3種調(diào)制方式的算法同時(shí)在一個(gè)平臺(tái)上并存時(shí)，F(xiàn)PGA的資源使用率已經(jīng)達(dá)到了80%，硬件資源不能滿足再添加新的調(diào)制方式的要求。在下一步的設(shè)計(jì)中，需要增加FPGA的動(dòng)態(tài)加載電路，突破FPGA設(shè)計(jì)資源不足的瓶頸，以滿足多種調(diào)制方式在同一平臺(tái)實(shí)現(xiàn)的要求。

［1］楊小牛，樓才義，徐建良.軟件無線電原理與應(yīng)用［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2001.

YANG Xiao-niu，LOU Cai－yi，XU Jian-liang.Software Defined Radio（SDR）：Communication Principle and Applications［M］.Beijing：Publishing House of Electronic Industry，2001.（in Chinese）

［2］Spatarn－3 FPGA Family：Complish Data Sheet D099－1（V2.1）［Z］.［S.l.］Xilnx Inc.，2006.

［3］CMOS 200 MSPS 14－Bit Quardrature Digital Upconverter［Z］.Norwood，MA：Analog Devices，Inc.，2004.

［4］南利平.通信原理簡明教程［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2000.

NAN Li-ping.Communication Theory Concisely Tutorial［M］. Beijing：Tsinghua University Press，2000.（in Chinese）

［5］田耘，徐文波，張延偉.無線通信FPGA設(shè)計(jì)［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2008.

TIAN Yun，XU Wen-bo，ZHANG Yan-wei.Wireless Communication FPGA Design［M］.Beijing：Publishing House of Electronic Industry，2008.（in Chinese）.

SONG Da-feng was born in Sichuan Province，in 1973.She is now an engineer with the M.S.degree.Her research interests include data processing and signal processing.

Email：songxizhou＠tom.com

姚元飛（1980－），男，山東人，工程師，主要研究方式為信號(hào)處理；

YAO Yuan-fei was born in Shandong Province，in 1980.He is now an engineer.His research direction is signal processing.

吳仡，男，安徽人，助理工程師，主要研究方式為信號(hào)處理。

WU Yi was born in Anhui Province.He is now an assistant engineer.His research direction is signal processing.

Realization of a Universal Low-cost IF Digitalization Scheme

SONG Da-feng，YAO Yuan-fei，WU Yi
（Southwest China Institute of Electronic Technology，Chengdu 610036，China）

According to the low-cost requirement of assembling V／UHF Radio，a low-cost IF digitalization scheme is proposed in this paper.The low-effictive FPGA-XC3S4000 produced by Xilnx，Inc.，digital upconverter（DAC）AD9857 and DAC AD9235－40 produced by AD，Inc.，are used in this hard platform.AM and FM analog signal，MSK digital signal modulation and demodulation algorithms are accomplished based on this platform.The demodulated SINAD of AM and FM satisfies the demand of module and system，as well as the bit error ratio（BER）of MSK.The platform is provided with universality and can be used to realize other IF digitalization algorithms when IF frequency is blow 40 MHz.The other modulation and demodulation schemes can be realized on this platform only by modifying software.

software defined radio（SDR）；VHF／UHF radio；IF digitalization；low-cost；modulation；demodulation

TN924

A

10.3969／j.issn.1001－893x.2010.06.013

宋大鳳（1973－），女，四川人，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)閿?shù)據(jù)處理和信號(hào)處理；

1001－893X（2010）06－0059－04

2010－03－04；

2010－05－06