AD9361在無線通信數(shù)字中繼器中的應(yīng)用

唐 俊,范 紅，2,嚴(yán) 杰,倪 林，2,曹愛玲

(1. 東華大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，上海 201620；2.東華大學(xué) 數(shù)字化紡織服裝技術(shù)教育部工程研究中心，上海 201620；3.東方明珠傳輸有限公司，上海 200052)

AD9361在無線通信數(shù)字中繼器中的應(yīng)用

唐 俊1,范 紅1，2,嚴(yán) 杰3,倪 林1，2,曹愛玲1

(1. 東華大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，上海 201620；2.東華大學(xué) 數(shù)字化紡織服裝技術(shù)教育部工程研究中心，上海 201620；3.東方明珠傳輸有限公司，上海 200052)

利用射頻捷變收發(fā)器AD9361接收調(diào)頻廣播信號，將射頻信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號進行處理。處理后的廣播信號按所要求的頻段進行發(fā)射，實現(xiàn)廣播信號更廣泛的傳播。較傳統(tǒng)通信系統(tǒng)中頻段的改變是利用模擬電路來實現(xiàn)的，每個電路只能對應(yīng)固定的頻段，無線通信數(shù)字中繼器則具有更好的靈活性和通用性。

調(diào)頻廣播; 數(shù)字中繼器；軟件無線電; AD9361

0 引言

隨著地下軌道交通的日益擴大，地下隧道中對廣播信號的傳輸質(zhì)量的要求越來越高，同時隧道也會對廣播信號產(chǎn)生衰減和隔絕的作用。在現(xiàn)有技術(shù)中，地下廣播信號采用光纖覆蓋傳輸方式，成本高、建設(shè)周期長且布線有很大的局限性。隨著無線通信與芯片技術(shù)的迅猛發(fā)展，軟件無線電的概念開始廣泛流行。ADI公司推出一款面向軟件無線電應(yīng)用的革命性解決方案——AD9361射頻捷變收發(fā)器，支持多種可編程無線電應(yīng)用[1]。本文采用一種基于SoC和AD9361的無線數(shù)字中繼傳輸系統(tǒng)，具有很強的可重新編程和可重構(gòu)的能力，實現(xiàn)了對射頻信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號的處理和傳輸。

1 AD9361的結(jié)構(gòu)和工作原理

本文所述的無線射頻收發(fā)機關(guān)鍵部分是AD9361射頻(RF)捷變收發(fā)器，工作頻率范圍為70 MHz～6.0 GHz，支持的通道帶寬范圍為200 kHz～56 MHz，涵蓋大部分特許執(zhí)照和免執(zhí)照頻段；在單個器件中集成了提供所有收發(fā)器功能的所有必要RF、混合信號和數(shù)字模塊[2]。

圖1 AD9361捷變收發(fā)器

AD9361芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。AD9361有兩個獨立的接收器和發(fā)射器：接收器含有一個低噪聲放大器(LNA)，其后是相內(nèi)(I)和正交(Q)放大器、混頻器和頻帶整形濾波器，該濾波器可以將接收到的信號下變頻為基帶；數(shù)字化信號可以通過一系列抽取濾波器和一個完全可編程的128抽頭FIR濾波器進行進一步調(diào)整。各個數(shù)字濾波器模塊的采樣速率可以通過更改抽取系數(shù)來進行調(diào)整，從而產(chǎn)生需要的輸出數(shù)據(jù)速率；接收器擁有兩個獨立控制的通道I和Q，每個通道含有3個輸入RX(A、B、C)。

發(fā)射器與接收器相同，都含有兩個獨立控制的通道I和Q，每個通道含有兩個輸出通道TX(A、B)，通道提供了所需的數(shù)字處理、混合信號和射頻模塊，能夠形成一個直接變頻系統(tǒng)，同時共用一個通用型頻率合成器。從基帶處理器收到的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)進入FIR濾波器，經(jīng)濾波器后發(fā)送到插值濾波器中，實現(xiàn)細(xì)致的濾波和數(shù)據(jù)速率插值處理，然后進入DAC；每個DAC都擁有可調(diào)的采樣速率，最后信號通過I、Q兩路通道進入射頻模塊進行上變頻。

射頻收發(fā)機結(jié)構(gòu)如圖2所示。AD9361芯片板卡AD-FMCOMMS3通過FMC插口與基于Xilinx ZynqTM-7000擴展式處理平臺連接[3]，完成硬件的搭建。同時通過搭建一個在ARM芯片上的嵌入式Linux系統(tǒng)，用SD卡驅(qū)動，調(diào)試完成后，射頻收發(fā)機完成，能夠?qū)崿F(xiàn)對信號的接收、處理、發(fā)射。

圖2 射頻收發(fā)機結(jié)構(gòu)圖

圖3 數(shù)字下變頻結(jié)構(gòu)圖

2 數(shù)字變頻

在無線通信系統(tǒng)中，為了信道的復(fù)用，信號的頻率一般都很高，所以要進行頻率的轉(zhuǎn)換后才能進行信號的處理。頻率的轉(zhuǎn)換無非是兩種，一種是頻率的增加，叫上變頻；另一種則是頻率的減小，叫下變頻。廣播信號在收發(fā)信機中分別經(jīng)過下變頻和上變頻，實現(xiàn)對信號的數(shù)字變頻。

本系統(tǒng)采用了寬帶中頻帶通采樣軟件無線電結(jié)構(gòu)，將前端接收到的射頻信號通過高放、混頻、中放、分段濾波，從高頻降到中頻，經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換和帶通采樣后進入數(shù)字信號處理器件中。數(shù)字下變頻(DDC)原理框圖如圖3所示，可以看出本振信號(LO)由NCO(數(shù)字控制振蕩器)產(chǎn)生，數(shù)字混頻器對其進行正交解調(diào)，將接收到的中頻信號下變頻到零中頻；接著經(jīng)過數(shù)字低通濾波器進行抗混疊濾波和信號提??；最后經(jīng)抽取器，降低采樣率，以利于后期基帶信號處理[4]。

數(shù)字上變頻(DUC)原理框圖如圖4所示。在無線通信發(fā)射機中它是核心物理模塊，主要部件為內(nèi)插器以及數(shù)字振蕩器[5]?；鶐?shù)字信號經(jīng)FIR濾波后再進入插值濾波器中，實現(xiàn)細(xì)致的濾波和數(shù)據(jù)速率插值處理；其中內(nèi)插器通過在原始的采樣間隔內(nèi)增加新的采樣點，從而提高信號的采樣率；完成采樣率的變換后，進行數(shù)字上變頻，它是用數(shù)字振蕩器(NCO)實現(xiàn)的。

圖4 數(shù)字上變頻結(jié)構(gòu)圖

本文利用AD9361接收部分中將接收到的調(diào)頻廣播信號通過數(shù)字下變頻將射頻信號變頻到零中頻0～21 MHz上，信號通過一個不帶插值的128抽頭FIR濾波器和一系列的插值濾波器，實現(xiàn)信號濾波和數(shù)據(jù)速率插值處理，再進行數(shù)模轉(zhuǎn)換。當(dāng)基帶模擬信號轉(zhuǎn)換為基帶數(shù)字信號時，這里的信號分別是I和Q兩路信號，二者又經(jīng)過基帶低通濾波，以移除采樣偽像[6]，然后進入上變頻混頻器，實現(xiàn)I和Q信號的重新組合，并在載波頻率下進行調(diào)制，調(diào)制到需要傳輸?shù)念l率上[7]。I、Q組合信號通過二級低通濾波器，由它們提供額外的頻帶整形處理，然后再將信號傳輸至輸出放大器，實現(xiàn)信號發(fā)送[8]。

在Linux系統(tǒng)終端中確定發(fā)射信號的本振、帶寬和采樣率之后，實現(xiàn)信號頻段搬移。操作如下：

對本振頻率的設(shè)定：

root:/##>cat out_altvoltage0_TX_LO_frequency //查看當(dāng)前本振頻率

root:/##>echo 97000000

>out_altvoltage0_TX_LO_frequency //設(shè)定發(fā)射信號的本振頻率從87 MHz搬到97 MHz

對帶寬的設(shè)置：

root:/##>cat out_voltage_rf_bandwidth //查看當(dāng)前帶寬頻率

root:/## >echo 21000000 >

out_voltage_rf_bandwidth //設(shè)置帶寬頻率為21 MHz，調(diào)頻廣播信號從87 MHz～108 MHz

采樣頻率的設(shè)定：

root:/##>cat out_voltage_sampling_frequency

//查看當(dāng)前采樣頻率

root:/##>echo 50000000> out_voltage_sampling_frequency

//設(shè)置采樣頻率為50 MHz，采樣頻率至少是帶寬的兩倍

3 實現(xiàn)結(jié)果分析

實驗實際效果的觀測，本文分別利用收發(fā)信機和頻譜分析儀對搬移后的信號進行接收和分析。收發(fā)信機接收空中87 MHz～108 MHz的所有調(diào)頻廣播信號，如圖5所示。圖中從左下角窗口可以讀出接收到的廣播信號頻點，分別為P0:87.9MHz；P1:99MHz；P2:97.7 MHz；P3：91.4 MHz；P4：94.0 MHz；P5：93.4 MHz；P6:90.9 MHz；P7:89.9MHz；P8:94.7MHz；P9:101.7 MHz；P10:107.7MHz。通過數(shù)字變頻將信號頻率由原來的87 MHz搬移到97 MHz，控制數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器信道和改變信道狀態(tài)，實現(xiàn)接收到的信號的再發(fā)射。

圖5 收發(fā)信機接收空中87MHz～108MHz的所有調(diào)頻廣播信號

收發(fā)信機接收97 MHz～118 MHz信號如圖6所示，從圖中可以看出，收發(fā)信機接收到了97 MHz～118 MHz內(nèi)的廣播信號，而如果頻段沒有改變，廣播信號超過108 MHz以后是不能接收到的，因此說明信號的頻段通過數(shù)字變頻后實現(xiàn)了搬移。

圖6 收發(fā)信機接收97MHz～118MHz信號

圖7 頻譜分析儀接收到的信號

頻譜分析儀接收到的信號如圖7所示，接收的信號起始頻率為97 MHz，截止頻率為119 MHz，中心頻率為108 MHz，通過移動Mark光標(biāo)讀出接收到的信號，也可以看出信號頻段實現(xiàn)了搬移。最后在發(fā)射端口接上發(fā)射天線，用收音機分別接收原有頻段87 MHz～108 MHz中所有廣播頻道，并且將這些頻道上調(diào)10 MHz，例如將上海廣播調(diào)頻信號87.9上調(diào)至沒有節(jié)目的97.9頻道，97.7頻道的節(jié)目內(nèi)容與87.9頻道中的一致，切換頻道沒有停滯和延時，證明頻段搬移成功。

4 結(jié)論

通過具體的實踐操作，利用AD9361芯片接收調(diào)頻廣播信號，將射頻信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號進行處理。處理后的廣播信號按所要求的頻段進行發(fā)射，實現(xiàn)了廣播信號更廣泛的傳播。以處理器為中心的FPGA平臺——Zyng平臺的應(yīng)用和嵌入式Linux操作系統(tǒng)的運用，提高了集成度和降低操作難度。AD9361將其他平臺的分立式器件集成到一塊芯片上，大大提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和集成度。

本文采用的數(shù)字中繼技術(shù)不僅僅局限于對調(diào)頻廣播的應(yīng)用，只要在AD9361的工作頻率范圍70 MHz～6 GHz內(nèi)的任意信號，都可以進行接收、發(fā)射和數(shù)字處理，具有廣泛的應(yīng)用前景。

[1] 余蓮. AD9361:基于突破性技術(shù)促進軟件定義無線電應(yīng)用[J]. 電子技術(shù)應(yīng)用，2013, 39(11)：1.

[2] ADI.RF捷變收發(fā)器[EB/OL].[2014-11-6](2015-09-01).http://www.analog.com/static/importedfiles/zh/data_sheets/AD9361_cn.pdf.

[3] 陸佳華，潘祖龍，鵬競宇.嵌入式系統(tǒng)硬件協(xié)同設(shè)計實戰(zhàn)指南：基于Xilinx ZYNQ[M].北京:機械工業(yè)出版社，2014.

[4] 宋飛.基于 FPGA 的數(shù)字中頻處理技術(shù)研究[D].西安：西安電子科技大學(xué)，2007.

[5] 閻毅，賀鵬飛.軟件無線電與認(rèn)知無線電概論[M].北京:電子工業(yè)出版社，2013.

[6] AD9361 RF and BB PLL Synthesizer User Guide[EB/OL].[2014-11-6](2015-09-01).http://www.analog.com/media/en/technical-documentation/user-guides/AD9361_Reference_Manual_UG-570.pdf.

[7] 張從力,史記征.擴頻技術(shù)在礦井透地通信系統(tǒng)中的應(yīng)用與仿真[J].微型機與應(yīng)用,2013,32(1):51-53,56.

[8] 蓋鵬翱,鄭世剛.基于AD9957的通用數(shù)字調(diào)制器[J].微型機與應(yīng)用,2013,32(2):23-26.

唐俊(1990-),男，碩士，主要研究方向：軟件無線電和現(xiàn)代通信技術(shù)。

范紅(1976-)，女，博士，副教授，主要研究方向：光電信息獲取與處理。

嚴(yán)杰(1972-)，男，學(xué)士，高級工程師，主要研究方向：廣播信號中繼傳輸?shù)臄?shù)字化處理。

The application of wireless FM radio signal digital repeater based on AD9361

Tang Jun1, Fan Hong1,2, Yan Jie3, Ni Lin1,2, Cao Ailing1

(1.College of Information Science and Technology, Donghua University, Shanghai 201620,China;2.Engineering Research Center of Digitized Textile & Fashion Technology, Ministry of Education, Donghua University, Shanghai 201620, China;3.Oriental Pearl Co., Ltd., Shanghai 200052, China)

This paper uses radio frequency agile transceivers AD9361 to receive FM radio signals, and RF signal can be converted to digital signal to process. After processing the broadcast signal, in accordance with the requirements of the emission spectrum, it realizes radio signal more widely spread. Compared with traditional communication system that the change of the spectrum is the use of analog circuits, and each circuit can only correspond to a fixed band, wireless digital repeater has better flexibility and versatility.

FM broadcasting; digital repeater; SDR; AD9361

TN93

A

1674-7720(2016)04-0098-03

唐俊,范紅,嚴(yán)杰，等．AD9361在無線通信數(shù)字中繼器中的應(yīng)用[J] .微型機與應(yīng)用，2016，35(4)：98-100，103.

2015-09-22)