基于軟件無(wú)線電的中短波接收機(jī)設(shè)計(jì)

徐明義，周鳴籟

（蘇州大學(xué) 電子信息學(xué)院，江蘇 蘇州 215006）

0 引言

傳統(tǒng) AM廣播具有調(diào)制技術(shù)簡(jiǎn)單、覆蓋范圍廣、傳播距離遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)，但隨著數(shù)字技術(shù)的飛速發(fā)展，調(diào)幅廣播的數(shù)字化成為必然趨勢(shì)。DRM系統(tǒng)就是世界范圍內(nèi)針對(duì) 30 MHz以下長(zhǎng)、中、短波波段的數(shù)字廣播標(biāo)準(zhǔn)[1]。它在保持AM體制的信號(hào)帶寬下，實(shí)現(xiàn)接近FM廣播的聲音質(zhì)量。目前，全球已有超過(guò)50個(gè)廣播電臺(tái)播出 DRM制式的節(jié)目，可以說(shuō)現(xiàn)在是模擬 AM廣播向數(shù)字化廣播的過(guò)渡階段。美國(guó) Silicon Laboratories公司的 Si473X芯片是業(yè)界首款涵蓋短波與長(zhǎng)波頻帶的集成式 AM/FM 收音機(jī)芯片，采用內(nèi)置DSP的數(shù)字低中頻架構(gòu)，對(duì)模擬調(diào)頻和調(diào)幅廣播信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化轉(zhuǎn)換，利用軟件無(wú)線電原理對(duì)其進(jìn)行處理和解調(diào)，實(shí)現(xiàn)從天線輸入到音頻輸出等所有功能。

為實(shí)現(xiàn)模擬廣播數(shù)字化接收，同時(shí)兼容未來(lái)的數(shù)字廣播標(biāo)準(zhǔn)，軟件無(wú)線電技術(shù)無(wú)疑是絕佳的選擇。理想的軟件無(wú)線電[2]要求對(duì)天線接收的模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)放大后直接采樣數(shù)字化，這對(duì)后續(xù)器件要求很高，目前難以實(shí)現(xiàn)。然而無(wú)線電信號(hào)大都是窄帶信號(hào),如調(diào)幅廣播的帶寬僅為9 kHz或10 kHz,若單獨(dú)對(duì)某一信號(hào)進(jìn)行接收解調(diào)時(shí)就完全可以應(yīng)用帶通信號(hào)采樣定理對(duì)其進(jìn)行數(shù)字化。即可以先由窄帶電調(diào)濾波器選擇所需的信號(hào)，進(jìn)行放大后再采樣數(shù)字化。這種基于帶通采樣的軟件無(wú)線電結(jié)構(gòu)稱為射頻直接帶通采樣，它實(shí)現(xiàn)起來(lái)容易得多，從硬件結(jié)構(gòu)來(lái)看也非常接近于理想軟件無(wú)線電。在這種結(jié)構(gòu)中電調(diào)濾波器是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，為此，在介紹接收機(jī)硬件結(jié)構(gòu)后，重點(diǎn)研究了電調(diào)濾波器的設(shè)計(jì)。

1 接收機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)

圖 1為接收機(jī)的硬件框圖，其中上半部分為接收機(jī)的模擬前端。AM接收系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)單，主要包括接收：射頻接收、A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)字解調(diào)和 D/A輸出。DRM接收系統(tǒng)包括：射頻接收、A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)字解調(diào)、幀解碼、正交頻分復(fù)用解調(diào)、解交織、信道解碼、信源解碼、D/A轉(zhuǎn)換等。圖 1中模擬前端接收到的模擬信號(hào)通過(guò) A/D轉(zhuǎn)變數(shù)字信號(hào)，再通過(guò)處理器運(yùn)行接收軟件程序。處理器現(xiàn)在多采用FPGA，這是因?yàn)?FPGA是多流并行處理，處理比特流信號(hào)速度非?？?，很適合做高速數(shù)字信號(hào)處理。在設(shè)計(jì)時(shí)多采用經(jīng)過(guò)嚴(yán)格測(cè)試和優(yōu)化的 IP核，這樣可以大大減少設(shè)計(jì)和調(diào)試時(shí)間[3]。AM的基帶處理用FPGA很容易實(shí)現(xiàn),具體而言 FPGA要實(shí)現(xiàn)信號(hào)抽取濾波器，乘法器，開(kāi)方運(yùn)算（Cordic旋轉(zhuǎn)）和FIR低通濾波器。DRM基帶處理部分若只用 FPGA，芯片資源會(huì)占用很多，難以完整實(shí)現(xiàn)。為此,對(duì)于比特流信號(hào)的處理采用 FPGA實(shí)現(xiàn)，而對(duì)于控制單元?jiǎng)t放在ARM中實(shí)現(xiàn)。

接收機(jī)工作時(shí)，由 FPGA產(chǎn)生一個(gè)跳頻數(shù)控信號(hào)，通過(guò)D/A將其轉(zhuǎn)換為一個(gè)模擬信號(hào)，再通過(guò)運(yùn)放部分進(jìn)行信號(hào)調(diào)整，最后得出的模擬信號(hào)即為電調(diào)濾波器的調(diào)諧電壓[4]，其中D/A芯片采用TLV5636。FPGA采用Xilinx Spartan-3A系列的XC3S1400A芯片，該芯片資源為140萬(wàn)門，主要實(shí)現(xiàn)一些可以并行運(yùn)算并且對(duì)速度要求比較高的功能模塊，如信號(hào)采樣率變換、碼元開(kāi)窗、信道解碼等功能模塊。XC3S1400A芯片的配置信息斷電后消失，上電時(shí)必須重新配置，因此系統(tǒng)中添加了一塊FLASH芯片，用以存放配置信息。A/D芯片采用 ADI公司的 AD6640,其最高采樣頻率為 65MHz，輸入帶寬為 300 MHz。A/D之前的驅(qū)動(dòng)放大器把信號(hào)源和A/D隔離開(kāi)，給ADC提供低阻驅(qū)動(dòng)，同時(shí)給A/D提供所需增益，放大器采用 AD9631，AD9631具有出色的建立時(shí)間、帶寬和低失真性能。D/A芯片采用AD1934，實(shí)現(xiàn)音頻數(shù)模轉(zhuǎn)換。ARM微處理器采用AT91SAM9G45芯片，其配套的SDRAM和FLASH分別為K4S561632和K9F2G08U0A-P。ARM系統(tǒng)主要完成軟件控制、系統(tǒng)同步、均衡、MSC解復(fù)接等功能模塊[5]。

2 電調(diào)濾波器的設(shè)計(jì)

接收機(jī)的模擬前端電路是由電調(diào)濾波器、高增益放大器組成。電調(diào)濾波器是通過(guò)改變?yōu)V波網(wǎng)絡(luò)中的可變電容，來(lái)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)頻率響應(yīng)的變化，利用電壓改變可變電容的容量，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)濾波器的帶寬及中心頻率等性能，滿足系統(tǒng)需要的頻率響應(yīng)。電調(diào)濾波器是射頻帶通采樣的核心部件，目前生產(chǎn)電調(diào)濾波器的公司很少，且價(jià)格昂貴。LC濾波器由于具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低廉，性能穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)，考慮到接收系統(tǒng)工作在中短波頻率，要求調(diào)諧速度快，采用LC電調(diào)濾波方案設(shè)計(jì)濾波器。

電調(diào)諧濾波器實(shí)際上就是電容耦合式同步調(diào)諧濾波器，由若干個(gè)并聯(lián)諧振回路組成。在這里選擇電容耦合式諧振濾波器[6]，是因?yàn)樗m用于設(shè)計(jì)窄帶濾波器（即 Q值高的濾波器），用并聯(lián)形式是由于串聯(lián)時(shí)偏置回路復(fù)雜，至少需要一個(gè)電阻且電感的雜散電容不易被吸收[7]。選擇同步調(diào)諧濾波器的一個(gè)關(guān)鍵要素在于 這種濾波器能夠以簡(jiǎn)單的電路形式實(shí)現(xiàn)電調(diào)諧，同時(shí)使得構(gòu)成的濾波器線圈的電感量相等，有利于濾波器的制作。設(shè)計(jì)電調(diào)濾波器主要的目的是使整個(gè)窄帶濾波系統(tǒng)的響應(yīng)速度快，所以在對(duì)濾波器模型的選擇上面，階數(shù)不能太高，以免影響濾波器的建立時(shí)間，建立時(shí)間過(guò)長(zhǎng)的話，即使控制端的時(shí)間再短也會(huì)對(duì)整機(jī)響應(yīng)時(shí)間影響很大。為此選取如圖 2的 2階電容耦合諧振器式濾波器。

圖2為一個(gè)2階諧振器耦合式帶通濾波器，其中L1和C1, L2與C2 分別組成諧振回路,它們決定著濾波器的中心頻率，C0是耦合電容, 決定著濾波器的相對(duì)帶寬，如果希望濾波器相對(duì)帶寬不變, 只調(diào)節(jié)中心頻率,則 C0可采用固定容值的電容器實(shí)現(xiàn)[8]。為了達(dá)到電調(diào)目的，在設(shè)計(jì)時(shí)用變?nèi)荻O管取代調(diào)諧回路中的電容，變?nèi)荻O管的結(jié)電容會(huì)隨溫度變化而變化，使用時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生失調(diào)和頻率漂移，因此，一般將兩個(gè)變?nèi)荻O管反相串聯(lián)使用（見(jiàn)圖 3），這樣可使失調(diào)降低15～20 dB。在圖3所示電路中，調(diào)諧電壓通過(guò)扼流電感和偏置電阻加到變?nèi)荻O管，通過(guò)改變調(diào)諧電壓改變變?nèi)荻O管的結(jié)電容，即可改變調(diào)諧頻率。

圖2 2階諧振器耦合式帶通濾波器

圖3 電調(diào)濾波原理

如果固定電感的電感量，要實(shí)現(xiàn) 500 kHz～30 MHz頻段的電調(diào)濾波，變?nèi)荻O管的電容容量變化范圍要達(dá)到幾千倍，很顯然變?nèi)荻O管的參數(shù)是達(dá)不到的。所以在具體設(shè)計(jì)時(shí)，要對(duì) 500 kHz～30 MHz分段實(shí)現(xiàn)電調(diào)濾波。電調(diào)濾波器的頻段劃分成 3個(gè)頻率段,分別為∶500 kHz～2 MHz,2～8 MHz，8～30 MHz。此時(shí)各頻段中心頻率的變化比率約為 4，變?nèi)荻O管的電容比率均約為 16。變?nèi)荻O管可采用 1SV149，1SV149是一款高 Q值、低電壓控制的變?nèi)荻O管，在外加反向偏壓 1 V和 8 V，其電容量比值高達(dá)20。各頻段的轉(zhuǎn)換通過(guò)開(kāi)關(guān)二極管進(jìn)行，圖 4為濾波器的頻段切換圖，其中VD1、VD2和VD3為PIN二極管，PIN二極管采用HSMP-386Z。通過(guò)頻段轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān) S選擇所需的頻率段，直流電壓V通過(guò)電阻 R加到開(kāi)關(guān)二極管正極，使該段導(dǎo)通。

圖4 頻段切換電路

3 電路仿真

基于圖 3，建立仿真模型和設(shè)計(jì)各種參數(shù)，利用Multisim軟件對(duì)電調(diào)濾波器進(jìn)行電路設(shè)計(jì)和仿真。當(dāng)設(shè)置電感線圈值為 250 uH,設(shè)置變?nèi)荻O管的調(diào)諧電壓為 4 V,其容量值約為 100 pF，得到如圖 5的幅頻特性仿真圖，此時(shí)電調(diào)濾波器中心頻率為1 MHz，帶寬為10 kHz。將調(diào)諧電壓設(shè)置為6 V，變?nèi)荻O管的容量值約為45 pF，就可得到如圖 6的幅頻特性仿真圖，此時(shí)電調(diào)濾波器中心頻率約為 1.5 MHz，帶寬為 10 kHz。通過(guò)仿真發(fā)現(xiàn)該濾波器達(dá)到電調(diào)效果。

圖5 L=250 uH,調(diào)諧電壓為4 V

圖6 L=250 uH, 調(diào)諧電壓為6 V

4 結(jié)語(yǔ)

電調(diào)濾波器是射頻直接帶通采樣軟件無(wú)線電結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵部件，射頻直接帶通采樣結(jié)構(gòu)可以較好地解決軟件無(wú)線電接收機(jī)的高速率與器件處理速度的矛盾，同時(shí)這種結(jié)構(gòu)可擴(kuò)展性和靈活性較好。將軟件無(wú)線電技術(shù)與數(shù)字廣播技術(shù)結(jié)合在一起，對(duì)于數(shù)字廣播技術(shù)發(fā)展和數(shù)字廣播設(shè)備的推廣具有巨大的推動(dòng)作用。

[1] ETSI.ETSI ES 201 980 V2.1.1.Digital Radio Mondiale (DRM);System Specification[S].Paris:ETSI,2004.

[2] 陶玉柱,胡建旺,崔佩璋.軟件無(wú)線電技術(shù)綜述[J].通信技術(shù),2011,44(02):38-39.

[3] 趙兵,徐家品.一種基于優(yōu)化IP核的數(shù)字中頻接收機(jī)[J].通信技術(shù),2010,43(11):6-8.

[4] 魏煒.P波段電調(diào)濾波器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].成都:電子科技大學(xué), 2008.

[5] 陳旭東,徐淑正.DRM硬件接收機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電聲技術(shù),2009,33(02):36-40.

[6] 森榮二.LC濾波器設(shè)計(jì)與制作[M].北京:科技出版社,2006.

[7] 林彬,張玉興.電調(diào)諧LC濾波器的研究與設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2008(04)107-112.

[8] 楊赤如.LC電調(diào)帶通濾波器的設(shè)計(jì)[J].真空電子技術(shù),2009(06):44-47.