基于DSP和交換芯片的中頻軟件無線電接收控制系統設計

楊 彥，韋朝欣

(1.廣西農業職業技術大學 信息工程學院，南寧 530000；2.廣西壯族自治區人力資源和社會保障廳 信息中心，南寧 530000)

0 引言

軟件無線電是基于現代通信原理，以數字信號處理為中心的開放式無線通信結構體系。軟件無線電體系是將模塊化、標準化的硬件部件以總線形式相連，組成一個通用的硬件平臺，再由軟件負載實現多通道、多層次的無線通信功能[1]。軟件無線電具有可編程的RF波段、通道訪問模式、調制解調模式，將從信源基帶信號處理到RF信號的發射與接收均趨于數字化，其目標是使通訊系統脫離硬件架構的限制[2]。由于系統結構比較穩定，因此可以采用軟件來完成各種功能，從而可以進行有效地更新，同時，也可以降低體系之間的交換和兼容性。鑒于上述特點，軟件無線電被廣泛地應用于各個領域。

根據軟件無線電的傳輸頻率，可以將其分為低頻、中頻和高頻3種類型。其中，中頻軟件無線電是指頻段在300～3 000 kHz的無線電，該類型無線電的傳輸需要經過3個過程，分別為發送、傳送和接收，受到諸多因素的影響，中頻軟件無線電在接收環節存在明顯的功能問題，主要體現在無線電信號接收丟失、信噪比低等方面，為此，設計中頻軟件無線電接收控制系統具有重要意義。文獻[3]采用模擬最小化和數字最大化方法，利用芯片內部集成的高速模數轉換器，結合時鐘鎖相環，設計了一種軟件無線電架構的接收機控制模擬前端電路，并完成軟件無線電的接收控制工作。文獻[4]采用本振光梳解調射頻信號，并接收帶寬的子信道，調整了信號的接收方式，根據信號接收原理，實現對接收程序的控制。然而上述方法存在接收控制效果差的問題，無法實現對接收范圍、接收精度的有效控制。

為了提高中頻軟件無線電信號接收控制效果，在DSP和交換芯片的支持下，設計中頻軟件無線電接收控制系統。將DSP芯片、交換芯片、中頻軟件無線電接收機和中頻軟件無線電接收控制器作為控制系統的主要硬件設備，提高數據的讀取速度和同步存取能力。采用A/D、 D/A轉換器對信號進行數字化處理，通過調制樣式識別、解調和分類存儲，解決了中頻軟件無線電信號接收控制效果差的問題。

1 中頻軟件無線電接收控制系統硬件設計

從硬件和軟件兩個方面設計中頻軟件無線電接收控制系統，應用DSP芯片作為無線電信號的處理元件，采用交換芯片，接收控制指令傳輸，利用供電電源電路連接硬件設備，完成中頻軟件無線電接收控制系統硬件設計，為控制程序的運行提供硬件支持，中頻軟件無線電接收控制系統原理如圖1所示。

圖1 中頻軟件無線電接收控制系統原理框圖

圖1中，中頻軟件無線電接收控制系統的核心為數字信號處理部分，信號輸入后，經過A/D轉換器處理為高速數字信號，交由DSP芯片、交換芯片對無線電信號進行進一步的處理，經過D/A轉換器完成信號的采集和處理任務，輸出最終信號。

1.1 數字信號處理芯片

DSP芯片可以為中頻軟件無線電解碼、操作、甚至是在時間和頻率上生成離散信號提供最優的處理器，在DSP芯片中加入了乘法累積運算，因為一般采用卷積運算，所以在DSP中MAC運算被優化處理為單個DSP的單周期指令，使得DSP的工作效率得到了顯著地改善。另外，DSP還通過優化尋址方式，使其能夠有效地讀出或寫出存儲器電路的離散數據。利用哈佛結構，DSP實現了對數據和指令的同步存取，極大地加快了讀寫的速度。在此次設計的中頻軟件無線電接收控制系統中，采用TMS320C6713型號的DSP芯片，其內部結構如圖2所示。

圖2 數字信號處理芯片內部結構圖

TMS320C6713芯片內置1-7 Mb的芯片內存，具有32 bit的存儲空間。片內RAM由兩個部分組成，分別為程序/Cache存儲器和數據/Cache存儲器。二者均使用L1P/L2級緩沖結構。TMS320C6713指令集里的所有命令都是條件指令，根據某種條件決定是否執行。位運算指令，包含位域抽取、設定、清除、位計數、規格化等。也可以進行位元尋址，得到8 bit/16 bit/32 bit的數據。

1.2 交換芯片

交換芯片是千兆通信網絡技術的核心，它能將多個局域網的網絡部分連接起來，擴大網絡的覆蓋范圍，從而實現中頻軟件無線電的遠距離接收，并支持無線電接收控制指令的遠距離傳輸。中頻軟件無線電接收控制系統中加設交換芯片的組成結構如圖3所示。

圖3 交換芯片組成結構圖

在運行過程中，交換芯片采用IEEE802.3協議，在8個不同的千兆位端口間進行MAC幀的交換，主要包括學習和轉發。學習是指在端口收到MAC幀后，從MAC幀中抽取出相應的數據，然后在索引表中搜索相應的數據項，根據搜索結果生成地址索引信息，確定主機地址與端口之間的映射關系[5]。而在轉發過程中，當端口收到請求轉發的MAC幀時，從MAC幀中抽取目標地址，在MAC地址列表中尋找對應的節點，從而獲得對應目標地址的端口號，然后再將MAC幀發送到相應的端口。根據交換芯片所需的100 M網口和1個1 kM網口，選擇BCM53242型交換芯片，它包括24個全雙工10BASE-T/100BASE-TX，并具有通信網絡診斷功能。

1.3 中頻軟件無線電接收機

設計使用的中頻軟件無線電接收機由振蕩器、濾波器、混頻器、數字上/下變頻器等部分組成，其內部連接方式如圖4所示。

圖4 中頻軟件無線電接收機組成元件連接示意圖

中頻軟件無線電接收機中使用的振蕩器單元采用雙鎖相環開關模式，其中一個正常使用時，則另一個進行配置并完成鎖定。兩個鎖相環輪流執行組態鎖相，確保每個時間都能有一臺鎖相環信號源工作。在接收機中，中頻濾波器的作用是選擇中頻，減少頻段干擾，提高信號的信噪比[6]。在此次設計中，選擇了6 MHz的頻帶。它是一種用于接收的濾波器，它包括一個預選擇濾波器和一個鏡頻抑制濾波器。預選擇濾波器通常是在低噪聲放大器前面的射頻前端的一階；鏡頻抑制濾波器是實現對圖像信號的抑制，通常是在低頻放大器后面進行[7]。混頻器[8]的功能主要是由一個倍增電路來實現，將相關設備元件按照圖4表示方式進行連接，即可得出中頻軟件無線電接收機的設計結果。

1.4 中頻軟件無線電接收控制器

中頻軟件無線電接收控制器主要用來生成并執行接收控制指令，控制器內部的邏輯控制電路由CPLD完成，邏輯控制電路如圖5所示。

圖5 中頻軟件無線電接收邏輯控制電路圖

此次設計的無線電接收控制器采用邏輯時序作為驅動原理，其主要包含寬動態范圍信號檢測與處理單元中的數字衰減器驅動、高速ADC采樣驅動以及相關運算，高速振蕩器單元中的PLL器件驅動以及相關頻率運算和切換控制，中頻處理單元中調整中頻AGC增益的DAC驅動[9]。將中頻軟件無線電接收控制器與接收機相連，保證控制器輸出的控制信號能夠直接作用在中頻軟件無線電接收機上，從而執行相應的控制任務。

2 中頻軟件無線電接收控制系統軟件功能設計

在中頻軟件無線電接收控制系統硬件的支持下，采集傳輸的中頻軟件無線電信號，并對其進行預處理，校準信號的不平衡度，經過解調、分類存儲等環節，實現系統的無線電接收控制功能。

2.1 利用DSP技術采集并處理中頻軟件無線電信號

中頻軟件無線電的傳輸原理是：在盡可能接近天線的位置，采用寬帶的 A/D、 D/A預先把接收到的信號進行數字化，然后通過數字信號處理技術，對數字信號進行同步提取、信號調制樣式的識別、信道解碼、信號特征提取，整個無線電控制協議部分全部由軟件編程來完成[10]。利用帶通采樣原理對傳輸的中頻軟件無線電信號進行采集，以此作為接收對象。設中頻軟件無線電信號的頻帶范圍為[flower，fupper]，則中頻軟件無線電信號的采樣速率設置為：

(1)

式中，nradio為中頻軟件無線電信號的采樣量，該變量要求滿足如下條件：

(2)

式中，y[·]整型函數表達式，B為中頻軟件無線電信號帶寬。按照設置的信號采樣速率，得出第i個中頻軟件無線電信號的采樣結果為：

cos[(ωz+ωd)Ts+φ]+n(i)

(3)

式中，P為無線電達到接收機的功率，φ、ψ和φ分別表示的是多普勒頻移影響的碼速率偏移、相位時延的歸一化值和初始相位，Ts為無線電信號的采樣周期，ωz和ωd對應的是載波和多普勒頻移的角頻率，n(i)為無線電信號中的噪聲部分[11]。在A/D帶通采樣之后，在低頻部分仍會產生與原始信號相同的數字信號。在nradio為偶的情況下，取樣后的低頻帶會產生與原始信號頻率一致的頻譜；但是如果nradio是奇數，那么采樣后的基帶頻譜就會發生與它的中心頻率相反的現象，如果在帶通取樣之后，基帶上的頻譜是負的，那么對信號進行正交變換即可。為保證系統中頻軟件無線電信號的接收控制效果，需要對初始采集的無線電信號進行變換處理[12]。另外，數字混頻正交變換過程可以量化表示為：

Sorthogonal(n)=S(n)e-j2πfloadTs

(4)

式中，fload為載頻。按照上述過程，在DSP芯片的支持下，完成中頻軟件無線電信號的采集與處理工作。

2.2 中頻軟件無線電信號不平衡校準

根據采集的中頻軟件無線電信號估計接收機在任意位置上的不平衡度，無線電信號在幅度與相位兩個維度上的不平衡度估計結果可以表示為：

(5)

式中，sI(n)和sQ(n)分別表示初始采集中頻軟件無線電的I、Q分量[13]。在已知不平衡度的情況下，為校正無線電的IQ不平衡，需構建無線電幅值的逆矩陣，通過逆矩陣與無線電信號分量的疊加，得出中頻軟件無線電信號不平衡校準處理結果如下：

(6)

將實時采集的中頻軟件無線電信號以及公式(5)的計算結果代入到公式(6)中，即可輸出中頻軟件無線電信號不平衡的校準結果。

2.3 實現中頻軟件無線電接收控制功能

在控制器的支持下，生成控制信號驅動中頻軟件無線電接收機，完成調制樣式識別、解調以及接收存儲等功能，由此實現系統的無線電信號接收控制功能。

2.3.1 自動識別中頻軟件無線電信號調制樣式

通過對中頻軟件無線電信號調制樣式的識別，確定信號解調方式，從而將無線電模擬信號轉換為數字信號。將所有調制樣式的中頻軟件無線電信號采用統一數學公式來表示，數學表達式如下：

s(t)=A(t)cos[?+ψ(t)]

(7)

式中，A(t)為信號的瞬時包絡，ψ(t)為瞬時相位，?表示的是信號綜合角頻率[14]。調制樣式的自動識別主要根據中頻軟件無線電信號特征參數與不同調制類型標準信號特征的匹配度，提取的部分無線電信號特征參數可以表示為：

(8)

其中：NS和nf分別為無線電的取樣點數及屬于非弱信號的個數，Acn(t)和ψf(i)為零中心歸一化瞬時幅度和相位非線性分量[15]。在考慮特征權重的情況下，對公式(6)提取的特征參數進行融合處理，得出的無線電信號綜合特征標記為τz，最終利用公式(9)計算i類調制標準信號與當前接收無線電信號之間的匹配系數：

(9)

式中，τ(i)為i類調制標準信號的運行特征參數[16]。利用公式(7)實現當前無線電信號與所有調制標準信號的特征匹配，取匹配系數對應的信號調制類型作為當前無線電信號調制樣式的自動識別結果。

2.3.2 中頻軟件無線電信號解調

根據中頻軟件無線電信號調制類型的自動識別結果，對實時傳輸過來的無線電信號進行解調處理。采用數字相干解調原理完成無線電信號解調，解調原理如圖6所示。

圖6 中頻軟件無線電信號解調原理圖

通過正交調制得到的調制信號，可以通過正交解調來還原原始信號[17]。中頻軟件無線電信號的數字相干解調過程可以分為3個步驟，分別為調幅、調頻和調相，其中調幅解調過程可以表示為：

(10)

其中：gI(n)和gQ(n)分別表示的是同相分量和正交分量，將公式(10)的計算結果代入到初始接收到的中頻軟件無線電信號中，替代初始信號的瞬時包絡幅值，從而完成無線電信號的調幅解調結果[18]。同理對無線電信號中的頻率和相位進行解調，通過解調系數的替換，得出中頻軟件無線電信號的解調處理結果。

2.3.3 中頻軟件無線電信號接收與分類存儲

根據中頻軟件無線電信號的接收量，在接收機端預留出相應的存儲空間。利用公式(11)確定中頻軟件無線電接收結果的所屬類型：

ζ(si)=

(11)

式中，nτ為提取的特征參數數量，τ0(i)為當前存儲空間中現有無線電信號的標準特征[19-20]。根據公式(8)的計算結果，選擇ζ(si)取值最大的存儲空間作為無線電接收信號的實際存儲位置，完成該信號的分類存儲。按照上述步驟，反復執行解調與分類存儲過程，并對分類存儲空間進行實時更新，按照接收的時間順序生成無線電信號接收列表，由此完成系統的信號接收與控制任務。

3 系統測試

為了測試此次設計的基于DSP和交換芯片的中頻軟件無線電接收控制系統的有效性，將硬件和軟件的設計結果看作一個整體，接收多組中頻軟件無線電信號，并觀察在控制系統作用下接收信號的精度和數量，通過對接收信號性能的分析，體現出無線電接收控制系統的控制功能。

3.1 配置并調試系統運行環境

系統運行環境配置主要分為兩個步驟，首先將DSP芯片、交換芯片等相關的硬件設備安裝到電路板上，并與主測計算機相連，將所有的硬件設備切換至工作狀態。在此基礎上，利用編程工具實現系統接收控制功能程序的開發，并直接導入到主測計算機中。為保證主測計算機能夠支持此次設計系統的運行工作，在主測計算機內部裝設ARM處理器，操作系統設置為Linux2.6版本。系統運行環境的調試包括3個部分，在硬件設備調試工作中，先對電路板進行目測檢查，即根據圖紙詳細的要求，對每一臺設備的型號和插腳進行檢查，以確保電路板上的電極元件和設備的型號準確。在電路板上電之前，先進行電氣接地狀況的試驗，以避免因過多或設備插腳造成的電氣接地故障。利用萬用表測量電路板上各個供電端的接地電阻，并測量輸入/輸出端的接地電阻，以確保各個電源和接口的接地電阻都在正常范圍之內。軟件驅動調試主要是觀察驅動程序的時序是否符合相關設備的驅動時序，確定了整個軟件驅動的時間控制是否符合設計要求，并對整個控制過程進行了精確、合理地分析。在系統聯合調試環節，驗證控制系統軟件程序是否能夠驅動硬件設備產生控制信號，并作用在接收機上。系統運行環境配置并調試成功后，執行系統測試實驗的下一步操作。

3.2 生成中頻軟件無線電信號樣本

利用中頻軟件無線電信號發射器，生成正余弦波、方波、三角波等多種波形的無線電信號作為傳輸對象，將其量化保存到發射器中，然后通過信號的讀取將其添加到傳輸隊列中。01號中頻軟件無線電信號樣本的生成結果如圖7所示。

圖7 中頻軟件無線電信號樣本波形圖

實驗共生成100組無線電信號樣本，初始生成的信號樣本中存在噪聲，噪聲強度約為3 dB。

3.3 描述系統測試過程

將生成的中頻軟件無線電信號通過無線信道定向傳輸給接收機，同時啟動中頻軟件無線電接收控制系統，得出相應的無線電接收結果。中頻軟件無線電接收控制系統的運行界面如圖8所示。

圖8 中頻軟件無線電接收控制系統運行界面

按照上述方式可以得出所有無線電樣本的接收結果，為了測試此次設計系統在接收控制功能方面的優勢，分別設置文獻[3]系統和文獻[4]系統作為實驗的對比系統，并按照上述方式得出對比控制系統下的中頻軟件無線電接收結果。

3.4 設置系統控制功能測試指標

此次系統測試實驗分別通過對接收無線電質量與數量的度量，證明此次設計系統在接收精度和接收范圍兩個方面的控制效果。設置無線電接收質量的測試指標為無線電信噪比，其數值結果如下：

(12)

其中：Nradio和NNoise分別表示的是接收無線電信號中的有效信號量和噪聲信號量。另外設置中頻軟件無線電接收范圍的量化測試指標為無線電信號接收量，該指標的測試結果為：

(13)

式中，nj為傳輸信道j接收到的無線電信號數量，nchannel為接收區域內包含的信道數量。最終計算得出無線電信號信噪比越高，證明無線電信號的接收質量越好，間接證明對應系統在接收精度控制方面具有明顯優勢，而指標Nreceive越大，說明信號接收數量越多、接收范圍越大，則說明對應系統具有良好的接收范圍控制功能。

3.5 系統測試結果與分析

3.5.1 中頻軟件無線電接收精度控制功能測試結果

在不同控制系統作用下，獲取中頻軟件無線電的接收結果，通過接收無線電信號的分析，反映出系統在接收精度控制功能方面的測試結果如表1所示。

表1 中頻軟件無線電接收精度控制功能測試結果

將表1中的數據代入到公式(12)中，計算得出在兩個對比系統控制下，接收到中頻軟件無線電的平均信噪比分別為16.2 dB和20.4 dB，而在此次設計系統的控制下，得到無線電信號的平均信噪比為47.4 dB。由此可知，此次設計系統的無線電接收信號信噪比較高，具有較好的無線電信號接收質量和接收精度控制。

3.5.2 中頻軟件無線電接收范圍控制功能測試結果

統計不同系統控制下，接收機收到的實際無線電信號量，通過公式(13)的計算，得出反映系統無線電接收范圍控制功能的測試結果如圖9所示。

圖9 系統無線電接收范圍控制功能測試對比結果

從圖9中可以看出，接收機收到的無線電信號更多，在不考慮接收機配置和發送無線電信號差異的情況下，與其他兩種系統相比，此次設計系統接收到的實際無線電信號量更多。由此證明，此次設計系統能夠在一定程度上擴大無線電的接收范圍。

4 結束語

本文設計了基于DSP和交換芯片的中頻軟件無線電接收控制系統，主要針對中頻軟件無線電的接收問題進行分析，通過DSP和交換芯片、振蕩器、濾波器、混頻器等元件，設計系統硬件結構。并在系統硬件的支持下，實現系統的接收控制功能。從系統測試結果中可以看出，此次設計的控制系統能夠有效提高無線電的接收質量，同時擴大接收范圍，達到預期的控制效果。在今后的研究工作中，可以根據低頻和高頻軟件無線電信號特征，對此次設計控制系統的運行系數進行調整，實現對軟件無線電全頻信號的接收控制。