一种通用型低成本中频数字化方案的实现❋

宋大凤，姚元飞，吴仡

（中国西南电子技术研究所，成都610036）

一种通用型低成本中频数字化方案的实现❋

宋大凤，姚元飞，吴仡

（中国西南电子技术研究所，成都610036）

根据超短波组合式电台低成本中频数字化的要求，提出了一种低成本的中频数字化方案，采用Xilnx公司的低成本FPGA XC3S4000和AD公司的上变频器AD9857以及模数转换器AD9235-40设计了中频数字化硬件平台，并在该平台上完成了AM、FM模拟信号和MSK数字信号的调制解调。模块级和系统级的测试表明，AM、FM的解调音频信纳比和MSK的误码率均满足系统设计要求。该平台具有很好的通用性，适用于中频频率低于40 MHz的中频数字化设计。在该平台上只需进行软件更改就可以实现其它调制解调方案。

软件无线电；超短波电台；中频数字化；低成本；调制；解调

1 引言

软件无线电技术是未来通信发展的关键技术。中频数字化技术是一种切实可行的软件无线电实现方案［1］。但目前很多超短波电台的中频数字化平台硬件成本较高，无法满足越来越严酷的低成本要求。通过组合式超短波电台的中频数字化研究，经过慎重的中频频率选择，严格的器件挑选，设计了一款低成本的通用型中频数字化平台，并在该平台上实现了AM、FM、MSK三种调制解调方式。

2 通用硬件平台设计

通用硬件平台的设计指导思想是在保证性能指标满足要求的前提下，选择低成本高性能器件，以降低整个模块的生产成本。该中频数字化平台的核心器件包括电源芯片、FPGA、数／模转换器、差分ADC驱动器、中频AD转换器以及音频的数模和模数转换器。硬件原理框图如图1所示。

2.1 电源芯片的选择

电源芯片选择TI公司的TPS75003R，该款芯片是TI公司专门正对Xilinx公司SPARTAN－3系列FPGA设计的高集成度、低成本的三相供电电源。单片芯片提供SPARTAN－3系列芯片工作需要的＋3.3 V、＋1.2 V、＋2.5 V电源。同时＋3.3 V电源还可以给模块内的其它数字和模拟电路供电。

2.2 FPGA的选择

FPGA是中频数字化平台的核心器件，本方案选用Xilinx公司的Spartan－3系列XC3S4000。该芯片系统门数为400万门，其中包含62 208个逻辑单元，172.8万比特块RAM，4个DCM数字时钟管理单元，96个乘法器。芯片的最高速率可达333 Mbit／s［2］，完全满足通用信号处理算法对资源的要求，而该款芯片的价格仅80美元左右，是性价比很高的一款FPGA。

2.3 模数转换器及驱动器的选择

系统中频频率为21.4 MHz，采用带通采样原理，采样速率选择12.8 MHz。40 MHz速率的模数转换器完全满足设计要求，因此模数转换器选用了低成本的AD9235－40，该款芯片的转换位数为12位，SNR为－70 dBc，SFDR为－85 dBc，完全满足设计要求。

为了降低信道带来的差模噪声，数模转换器采用差分工作方式，将接收的中频信号经过AD8137转换为差分信号后送AD转换器。

2.4 数模转换器的选择

本方案选择带数模转换器的上变频器AD9857，该款芯片是一种通用的、高性能的数字正交上变频器件，器件包含了一个14位的DA转换器。芯片具有集成度高、性能好、体积小、功耗低等特点。使用该器件可很容易实现信号的数字正交调制，简化上变频软件的设计。芯片主要包括内插、滤波、上变频器控制、带通滤波等处理过程，其中上变频器是该芯片的核心。功能框图如图2所示［3］。

2.5 音频数模／模数转换器的选择

音频数模／模数转换器选用TI公司的PCM3060，该芯片有两路24位ADC和两路24位DAC，ADC的SNR可达99 dB，DAC的SNR可达104 dB。采样速率16～96 kbit／s可选，完全满足常规音频（300～3 400 Hz）和加密音频（50～10 240 Hz）对采样率的要求。

3 软件算法的实现

目前，在该平台上实现了AM、FM、MSK的调制和解调，由于篇幅有限，本节仅以MSK调制解调为例，描述在该平台上MSK软件算法的实现。

3.1 MSK调制算法

MSK是2FSK的一种特殊情况，其频差Δf是满足两个频率相互正交的最小频差，可表示为［4］

将上式代入频偏指数h的表达式可得：

式中，Ts为码元周期，Rs为码元速率。h＝0.5的频移键控称为最小频移键控即MSK，这是满足正交条件下的最小调制指数。相位连续的频移键控信号在比特间隔之间的转换时刻要保持载波的相位连续，因此MSK的信号可表达为

式中，φ（t）为随时间连续变化的相位，fc为未调制载波。fc和φ（t）可分别表示为

这里φ（0）为初始相位，因此MSK的信号可写为

式中，a（t）＝±1，分别表示二进制信息1和0。因此MSK调制单元的实现框图如图3所示。

3.2 MSK解调算法

当信道中存在高斯白噪声时，MSK信号的表达式如下［5］：

式中，nc（t）和ns（t）是均值为零、方差为σ2的平稳高斯过程。

若频差和初始相差为零，为了便于分析，暂不考虑噪声的影响，接收信号经下变频以后分成I、Q两个支路并使信号无失真通过：

对于差分解调方式，I、Q信号延迟后的表达式如下：

若初始相位为nπ，经过相乘器后上下支路分别为

上下两支路相减为

解调最后要在一个周期内对Z（t）进行积分，积分按以下方式进行：

然后再根据Z的极性判断得到的ak的值。

中频MSK解调的实现框图如图4所示。首先用12.8 MHz的采样率对21.4 MHz的中频MSK信号进行带通采样，通过滤波、内插、数字下变频，得到基带I、Q信号，再通过差分解调、位同步、抽样判决恢复出发端数据。

采样后的数字中频信号需要通过带通滤波器滤除谐波分量，同时通过这个带通滤波器，也需要滤除MSK信号带外的噪声，因此在方案中设计了一个200阶的带通滤波器，其幅频响应如图5所示。

将滤波、内插得到的38.4 MHz的数据流与本地振荡器产生的载波信号混频，然后通过CIC积分梳状滤波器和FIR低通滤波器，便得到了基带I、Q信号，其中FIR低通滤波器的幅频响应如图6所示。

4 测试结果

在该平台上完成的MSK解调指标经过如7图所示的误码测试平台测试，在0～－20 dBm的中频输入范围内，均能达到输入SNR大于30 dB时解调误码率为0、输入SNR为12 dB时解调误码率优于1 ×10－3的要求。测试结果如表1所示。

5 结论

由于采用了低成本设计方案，整个中频数字化平台的硬件成本在1 000元左右。目前，在该平台上实现了中频频率为21.4 MHz的AM、FM、MSK调制解调，说明平台完全满足设计要求。该平台已经在实际项目中使用，完全满足整机指标要求。但3种调制方式的算法同时在一个平台上并存时，FPGA的资源使用率已经达到了80%，硬件资源不能满足再添加新的调制方式的要求。在下一步的设计中，需要增加FPGA的动态加载电路，突破FPGA设计资源不足的瓶颈，以满足多种调制方式在同一平台实现的要求。

［1］杨小牛，楼才义，徐建良.软件无线电原理与应用［M］.北京：电子工业出版社，2001.

YANG Xiao-niu，LOU Cai－yi，XU Jian-liang.Software Defined Radio（SDR）：Communication Principle and Applications［M］.Beijing：Publishing House of Electronic Industry，2001.（in Chinese）

［2］Spatarn－3 FPGA Family：Complish Data Sheet D099－1（V2.1）［Z］.［S.l.］Xilnx Inc.，2006.

［3］CMOS 200 MSPS 14－Bit Quardrature Digital Upconverter［Z］.Norwood，MA：Analog Devices，Inc.，2004.

［4］南利平.通信原理简明教程［M］.北京：清华大学出版社，2000.

NAN Li-ping.Communication Theory Concisely Tutorial［M］. Beijing：Tsinghua University Press，2000.（in Chinese）

［5］田耘，徐文波，张延伟.无线通信FPGA设计［M］.北京：电子工业出版社，2008.

TIAN Yun，XU Wen-bo，ZHANG Yan-wei.Wireless Communication FPGA Design［M］.Beijing：Publishing House of Electronic Industry，2008.（in Chinese）.

SONG Da-feng was born in Sichuan Province，in 1973.She is now an engineer with the M.S.degree.Her research interests include data processing and signal processing.

Email：songxizhou＠tom.com

姚元飞（1980－），男，山东人，工程师，主要研究方式为信号处理；

YAO Yuan-fei was born in Shandong Province，in 1980.He is now an engineer.His research direction is signal processing.

吴仡，男，安徽人，助理工程师，主要研究方式为信号处理。

WU Yi was born in Anhui Province.He is now an assistant engineer.His research direction is signal processing.

Realization of a Universal Low-cost IF Digitalization Scheme

SONG Da-feng，YAO Yuan-fei，WU Yi
（Southwest China Institute of Electronic Technology，Chengdu 610036，China）

According to the low-cost requirement of assembling V／UHF Radio，a low-cost IF digitalization scheme is proposed in this paper.The low-effictive FPGA-XC3S4000 produced by Xilnx，Inc.，digital upconverter（DAC）AD9857 and DAC AD9235－40 produced by AD，Inc.，are used in this hard platform.AM and FM analog signal，MSK digital signal modulation and demodulation algorithms are accomplished based on this platform.The demodulated SINAD of AM and FM satisfies the demand of module and system，as well as the bit error ratio（BER）of MSK.The platform is provided with universality and can be used to realize other IF digitalization algorithms when IF frequency is blow 40 MHz.The other modulation and demodulation schemes can be realized on this platform only by modifying software.

software defined radio（SDR）；VHF／UHF radio；IF digitalization；low-cost；modulation；demodulation

TN924

A

10.3969／j.issn.1001－893x.2010.06.013

宋大凤（1973－），女，四川人，硕士，工程师，主要研究方向为数据处理和信号处理；

1001－893X（2010）06－0059－04

2010－03－04；

2010－05－06