利用Simulink和Dspbuilder設(shè)計數(shù)字射頻上變頻系統(tǒng)

四川九洲電器集團有限責任公司　江　勇

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利用Simulink和Dspbuilder設(shè)計數(shù)字射頻上變頻系統(tǒng)

四川九洲電器集團有限責任公司江勇

【摘要】主要介紹了一種利用Matlab Simulink和Quartus II Dspbuilder進行數(shù)字射頻上變頻系統(tǒng)的設(shè)計方法，并給出了設(shè)計方案、仿真結(jié)果以及硬件測試結(jié)果。本設(shè)計基于軟件無線電構(gòu)架，通過不同的軟件即可實現(xiàn)多種頻段、多種調(diào)制方式的信號生產(chǎn)，特別適合于應(yīng)用于發(fā)射機、標準信號源等設(shè)備中，具有靈活、高效的特點，在通信、消費電子及工業(yè)等諸多領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

【關(guān)鍵詞】Simulink；Dspbuilder；上變頻

數(shù)字上變頻技術(shù)是軟件無線電的核心技術(shù)之一，它的主要目的是將數(shù)字基帶信號搬移到高頻載波以便于無線傳輸，目前常見的上變頻方式有以下幾種，最常見的方式是將數(shù)字基帶信號調(diào)制到中頻（一般200MHz以內(nèi)），再與模擬高頻本振信號進行模擬混頻從而實現(xiàn)將信號調(diào)制到高頻載波上；另一種方式是采用調(diào)制芯片（可調(diào)制源），直接將數(shù)字基帶信號送入調(diào)制芯片，由調(diào)制芯片實現(xiàn)射頻上變頻；上述兩種上變頻方法目前已較為成熟并有廣泛的應(yīng)用，但它們并不完全符合軟件無線電的思想。1992年5月，MILTRE公司的Jeo Mitola首次提出了軟件無線電的概念，其中心思想是：構(gòu)造一個具有開放性、標準化、模塊化的統(tǒng)一硬件平臺，將各種功能如工作頻段、調(diào)制解調(diào)、數(shù)據(jù)格式、加密模式、通信協(xié)議等用軟件來完成，并使寬帶AD和DA轉(zhuǎn)換器盡可能靠近天線，以確保所構(gòu)建的無線通信系統(tǒng)具有高度靈活性和開放性。因此，對數(shù)字基帶信號進行內(nèi)插、數(shù)字混頻、數(shù)字濾波并送入寬帶DA實現(xiàn)直接射頻輸出的上變頻方式，是符合軟件無線電思想的，并且隨著工藝水平的提高和制造技術(shù)的進步，實現(xiàn)這種上變頻方式的高速硬件也越來越成熟。本文介紹一種利用Matlab Simulink和Altera DspBuilder設(shè)計數(shù)字射頻上變頻系統(tǒng)的方法，并以FPGA（Altera EP3SE110）+AD（ADI AD9739）為基礎(chǔ)對設(shè)計進行硬件驗證。

1　數(shù)字射頻上變頻模型設(shè)計

首先在Matlab Simulink中調(diào)用Altera DSP Builder Advanced Blockset和Altera DSP Builder Blockset工具箱內(nèi)的相關(guān)模塊搭建數(shù)字射頻上變頻模型，本文以將數(shù)字基帶信號調(diào)制到800MHz載波射頻輸出為例，如圖1所示。

圖1　射頻上變頻模型

如圖1所示，射頻上變頻模型主要由四個功能模塊組成，分別是升采樣模塊、數(shù)字跳頻本振模塊、數(shù)字混頻模塊和量化輸出模塊。

1）升采樣模塊

升采樣用于將輸入的低頻數(shù)字基帶信號通過多次內(nèi)插-濾波提高數(shù)據(jù)速率，其實現(xiàn)如圖2所示：

圖2　升采樣模塊

2）數(shù)字跳頻本振模塊

數(shù)字跳頻本振模塊用于產(chǎn)生頻率可控的數(shù)字本振信號，其輸出的本振信號頻率與空間傳輸?shù)妮d波信號頻率一致，其實現(xiàn)如圖3所示：

圖3　數(shù)字跳頻本振模塊

3）數(shù)字混頻模塊

數(shù)字混頻模塊用于將升采樣后的數(shù)字基帶信號和數(shù)字跳頻本振信號進行數(shù)字混頻，其實現(xiàn)如圖4所示：

圖4　數(shù)字混頻模塊

4）量化輸出模塊

量化輸出模塊用于將混頻后輸出的數(shù)據(jù)長度進行截取，以適應(yīng)DA器件的數(shù)據(jù)輸入寬度，其實現(xiàn)如圖4所示：

圖5　量化輸出模塊

模型搭建完畢后進行仿真，觀察經(jīng)量化輸出的數(shù)據(jù)如圖6所示：

圖6　送入DA的數(shù)據(jù)的時域和頻域波形（BPSK調(diào)制）

通過上述波形可見仿真輸出一路BPSK調(diào)制信號，其雜散約為60dB。

2　硬件驗證

當仿真結(jié)果符合需求后，可在Simulink中直接生成硬件代碼。在Control模塊中，勾選圖7中的“Generate Hardware”選項，即可在工程目錄下產(chǎn)生可編譯和硬件實現(xiàn)的Verilog HDL（或VHDL）代碼。

圖7　生成硬件代碼

將生成的硬件代碼作為FPGA工程的一個子模塊，輸入數(shù)字基帶信號即可得到射頻上變頻后的數(shù)據(jù)，再經(jīng)過FPGA的硬件SERDES模塊高速LVDS接口將數(shù)據(jù)發(fā)射給AD9739，即可實現(xiàn)射頻輸出。將硬件工程編譯并下載至FPGA后，用頻譜儀進行測試，實際波形如圖8和圖9所示。

圖8　未調(diào)制的數(shù)字本振信號

圖9　BPSK調(diào)制信號

3　結(jié)論

本文介紹了一種利用Simulink和DspBuilder設(shè)計數(shù)字射頻上變頻的方法，通過該方法可方便快捷的調(diào)整輸出頻段、調(diào)制方式等系統(tǒng)參數(shù)，并可快速將模型轉(zhuǎn)化為硬件實現(xiàn)，并能夠保證模型仿真和硬件實現(xiàn)的正確性和一致性，提高了設(shè)計數(shù)字上變頻系統(tǒng)的工作效率，具有良好的應(yīng)用前景。

參考文獻

[1]楊小牛等著.軟件無線電原理與應(yīng)用[M].電子工業(yè)出版社,2001.

[2]ADI Corporation.AD9739datasheet. http://www. analog.com/zh/digital-to-analog-converters/highspeedda-eonverters/ad9739/products/product.html.2013.

江勇（1983—），男，重慶人，2006年畢業(yè)于北京航空航天大學，主要從事電子信息方面工作。

作者簡介：