基于軟件無線電的通用調制器設計和實現

王 贏

(南京熊貓漢達科技有限公司,江蘇 南京 210000)

1 軟件無線電的概念

軟件無線電是新型無線電通信體系結構形式。軟件無線電是將模塊化、標準化的硬件單元以總線方式進行鏈接,將其搭建成平臺,通過加載不同的軟件波形來傳輸各種無線通信的功能。構建集開放性、標準化、模塊化為一體的通用硬件平臺,通過軟件作為載體,是思想的整體革新,應對其高度重視。當前,對軟件無線電研究還存有局限。軟件無線電依托高度數字化得以完成,且器件水平也難以滿足標準需求,在軟件無線電設計方面也存在缺失,通過軟件無線電思維模式,對系統結構進行全方位調整[1]。

軟件無線電基本思想是對硬件平臺進行整體性構建,充分發揮其功能特點,保證寬帶轉換器與天線位置相連接,數字上變頻作為軟件無線電重要技術類型,在受器件規模及速度制約影響下,但實現中頻信號進行數字上變頻還需天線位置呈現已連接狀態,雖作為軟件無線電中關鍵技術形式,但在設備規模和速度作用下,仍然需要數字上變頻作為支撐,且需要花費一定時間,還需借助專用集成芯片將相關功能加以體現。高性能、高速率的數字正交上變頻器具有集成度高、輸出信號穩定等優點,為數字正交上變頻器提供了根本保障。芯片融入軟件無線電變化中,對基帶數字進行排序處理,凸顯出數字上變頻功能,嚴格遵照相關設計規范及原則將芯片合成為高速直接數字頻率合成器及高速高性能數模轉換器設備,已達成完整的數字上變頻器。數字上變頻器的內部結構如圖1所示。

圖1 數字上變頻器內部結構組成

2 輸入數據通道的作用

輸入數據通道主要是將串行輸入I/Q通道數據轉換成為并行數據狀態,正常情況下為(4×)濾波器,采用兩級半帶濾波設備,可起到保證插值倍數的作用,也可有效提升插值速率。在對CIC濾波器及反CIC濾波器進行編程,并對其進行深入探索分析時,應對其合理管控,結合(2×～63×)倍數內插,CIC濾波器自身具備與低通濾波器同樣的優勢特征,且內波紋幅度相對較大,放置CIC濾波器可以對其做出補償。DDS內核可以為載波提供數字調制通道,同時DDS內核的輸出信號頻率也會受特定因素所限制,確保輸出信號頻率變化在標準可控范圍內。數字正交調制器主要是將基帶數據頻譜載波頻率進行調整。載波由DDS內核所供給,因為DAC自身具有零階保持效應,外部輸出信號頻譜將由sinc函數加權。前端采用抗正弦濾波器對輸入數據預處理,有利于避免失真現象發生。其中輸出幅度倍增器可用于控制輸出信號幅度標準中,該幅度值由8位數字所組成[2]。

14位DAC主要是以模擬信號為最終目的。當在fsysclk+fcarrier(n=1,2,3,…)處產生干擾信號時,將以n×為單位執行數模轉換過程,需要外部RLC濾波器來過濾干擾。AD9857以兩個互補電流的形式輸出,電流可由外部電阻RSET確定(IOUT=39.936/RSET),輸出電流范圍為5～20 mA。

參考時鐘乘法器所得出的數據信息,基準時鐘乘法器可使輸入時鐘×-20×(4)成為AD9857為主要工作模式。AD9857可接收14位并行數據,借助I/Q以交替輸入形式,使其在芯片中完成串并行轉換。數據在應用過程中可被分成兩個通道,并在正交調制之前保持通道運行正常。

AD9857主要完成數字信號正交上轉換過程,所以相關數字信號編碼及脈沖形成等操作應保證其在輸入前完成。AD9857參考時鐘乘法器可以將輸入時鐘當成是系統時鐘。通過fsysclk達到系統所需的定時控制,保證頻率可達到200 MHz。由于CIC濾波器輸出數據速率與DDS核心產生的數字載波的采樣速率一致。所以,AD9857中正交調制器輸出信號的采樣率中包含與fsysclk的數字信號相同的優勢特征。

3 通用調制器工作模式

AD9857工作模式主要分為正交調制模式、單頻輸出模式及插值DAC模式3種。在正交模式狀態下開展工作時,DDS核心可向正交調制器提供正交載波。如果是在單頻模式下工作時,可與I/Q通道數據相乘。將難以收取數據通道所傳輸的信號,而通過DDS核心生成的單頻信號,該信號在通過反正弦濾波器后通過DAC輸出,其作用與DDS芯片相同。在應用插值DAC模式進行工作時,所輸入的14位基帶信號并不會受到明顯影響。

軟件無線電調制算法分析軟件無線電具有靈活性和可擴展性的主要特點,這主要是因為軟件無線電的所有功能都是由軟件定義的。現階段,AM,FM,DSB,SSB等模擬調制方式被廣泛應用,數字調制方式多樣化,其中包含ASK,FSK,PSK,QAM等。通常情況下使用常規方法所生成的信號都需要硬件電路作為支撐。當通信機器中包含多個通信信號時,電路布置將會過于復雜,調制模式運行也存在一定難度。軟件無線電調制信號主要是由數字信號處理平臺作為依托,為軟件無線電設備運行提供根本保障。將每個調制算法制成軟件模塊形式,因此,若生成某個調制信號,只需調用相應模塊即可快速實現。在軟件無線電設計應用中,應對調制模塊軟件進行不斷優化、革新,使其與調制系統想適配,將軟件無線電所具備的靈活性及開放性優勢充分發揮。正常情況下,通信信號都可通過正交調制加以實現[3]。

4 硬件平臺的應用

基于AD9857在軟件無線電中的應用原理和軟件無線電調制算法的特點,設計了一個通用的硬件平臺,借助AD9857完成相關調制工作。在ADC采樣分析后,模擬源可以直接發送到AD9857系統,以加快傳統模擬調制的完成。它也可以在FPGA基帶處理后發送到AD9857,而數字信號源首先發送到FPGA。其中FPGA主要完成編碼、I/Q通道分離、基帶形成等工作,在此基礎上,將其發送到AD9857完成上變頻,且AD9857的配置也需要借助FPGA才可有效完成。

在該硬件平臺中,CPU可以選擇常用基于ARM的:PXA255或者基于POWER PC的:MPC8270。FPGA芯片采用Altera公司ACEX系列的EPLK100或者EP3C系列的EP3CLS200F780。ACEX系列器件是Altera公司推出的專注于通信、音頻處理及類似應用的FPGA系列,其主要特點為采用查找表(LUT)與嵌入式陣列塊(EAB)相結合的結構,主要適用于實現復雜的邏輯功能與存儲器系列,如數字信號處理、多路數據處理、數據傳輸和通信中的微控制等。典型數量從10 000到100 000不等,最多有49 152位RAM。該器件采用2.5 V核心電壓、功耗低、ACEXLK100可提供高達250 MHz雙向I/O功能。ACEXLK100具有100 000個典型門、4 992個邏輯單元及12個嵌入式陣列塊,可滿足各種數字調制系統基帶信號處理要求。A/D轉換器采用AD公司的AD9215,AD9215是AD公司單通道10位高速低功耗A/D轉換器。采用+3 V電源,最大采樣速率105 ms/s,模擬量輸入帶寬可達300 MHz,支持單端或是差分輸入。典型應用方案如圖2所示。

圖2 典型應用方案

利用AD9857調制偽隨機信號的頻譜圖,可將速率為5 MB/s的數據調制到頻率為42 MHz的中頻。在具體實踐檢驗分析中,可利用FPGA完成待調制數據的I/Q通道分離和基帶信號形成步驟,在此基礎上將數據發送到AD9857,完成正交調制功能。AD9857的輸入參考時鐘頻率為20 MHz,倍頻系數為10,CIC濾波器的內插率為4,從測量分析及結果顯示報告來看,系統自身性能較強,且實用價值較為突出,也對基于軟件無線電多功能調制器設計方案做出了肯定,為內部軟硬件設計提供了方向,使系統所具備的開放性、通用性及可擴展性優勢特征得到充分發揮,有利于提高信號強度,結合系統實際工作運行需求,確保處理層參數信息的真實有效性,保證信號處于穩定狀態。如果追加一級放大電路,將會從根本上增大信號發射功率,也能夠保障輸出信號性能不受影響。典型信號如圖3所示。

圖3 典型信號