利用Simulink和Dspbuilder設計數字射頻上變頻系統

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設計數字射頻上變頻系統

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進行數字射頻上變頻系統的設計方法，并給出了設計方案、仿真結果以及硬件測試結果。本設計基于軟件無線電構架，通過不同的軟件即可實現多種頻段、多種調制方式的信號生產，特別適合于應用于發射機、標準信號源等設備中，具有靈活、高效的特點，在通信、消費電子及工業等諸多領域具有廣闊的應用前景。

【關鍵詞】Simulink；Dspbuilder；上變頻

數字上變頻技術是軟件無線電的核心技術之一，它的主要目的是將數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字基帶信號調制到中頻（一般200MHz以內），再與模擬高頻本振信號進行模擬混頻從而實現將信號調制到高頻載波上；另一種方式是采用調制芯片（可調制源），直接將數字基帶信號送入調制芯片，由調制芯片實現射頻上變頻；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：構造一個具有開放性、標準化、模塊化的統一硬件平臺，將各種功能如工作頻段、調制解調、數據格式、加密模式、通信協議等用軟件來完成，并使寬帶AD和DA轉換器盡可能靠近天線，以確保所構建的無線通信系統具有高度靈活性和開放性。因此，對數字基帶信號進行內插、數字混頻、數字濾波并送入寬帶DA實現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的進步，實現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設計數字射頻上變頻系統的方法，并以FPGA（Altera EP3SE110）+AD（ADI AD9739）為基礎對設計進行硬件驗證。

1　數字射頻上變頻模型設計

首先在Matlab Simulink中調用Altera DSP Builder Advanced Blockset和Altera DSP Builder Blockset工具箱內的相關模塊搭建數字射頻上變頻模型，本文以將數字基帶信號調制到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、數字跳頻本振模塊、數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字基帶信號通過多次內插-濾波提高數據速率，其實現如圖2所示：

圖2　升采樣模塊

2）數字跳頻本振模塊

數字跳頻本振模塊用于產生頻率可控的數字本振信號，其輸出的本振信號頻率與空間傳輸的載波信號頻率一致，其實現如圖3所示：

圖3　數字跳頻本振模塊

3）數字混頻模塊

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

圖4　數字混頻模塊

4）量化輸出模塊

量化輸出模塊用于將混頻后輸出的數據長度進行截取，以適應DA器件的數據輸入寬度，其實現如圖4所示：

圖5　量化輸出模塊

模型搭建完畢后進行仿真，觀察經量化輸出的數據如圖6所示：

圖6　送入DA的數據的時域和頻域波形（BPSK調制）

通過上述波形可見仿真輸出一路BPSK調制信號，其雜散約為60dB。

2　硬件驗證

當仿真結果符合需求后，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生可編譯和硬件實現的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，輸入數字基帶信號即可得到射頻上變頻后的數據，再經過FPGA的硬件SERDES模塊高速LVDS接口將數據發射給AD9739，即可實現射頻輸出。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　未調制的數字本振信號

圖9　BPSK調制信號

3　結論

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

參考文獻

[1]楊小牛等著.軟件無線電原理與應用[M].電子工業出版社,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：