利用Simulink和Dspbuilder设计数字射频上变频系统

四川九洲电器集团有限责任公司　江　勇



利用Simulink和Dspbuilder设计数字射频上变频系统

四川九洲电器集团有限责任公司江勇

【摘要】主要介绍了一种利用Matlab Simulink和Quartus II Dspbuilder进行数字射频上变频系统的设计方法，并给出了设计方案、仿真结果以及硬件测试结果。本设计基于软件无线电构架，通过不同的软件即可实现多种频段、多种调制方式的信号生产，特别适合于应用于发射机、标准信号源等设备中，具有灵活、高效的特点，在通信、消费电子及工业等诸多领域具有广阔的应用前景。

【关键词】Simulink；Dspbuilder；上变频

数字上变频技术是软件无线电的核心技术之一，它的主要目的是将数字基带信号搬移到高频载波以便于无线传输，目前常见的上变频方式有以下几种，最常见的方式是将数字基带信号调制到中频（一般200MHz以内），再与模拟高频本振信号进行模拟混频从而实现将信号调制到高频载波上；另一种方式是采用调制芯片（可调制源），直接将数字基带信号送入调制芯片，由调制芯片实现射频上变频；上述两种上变频方法目前已较为成熟并有广泛的应用，但它们并不完全符合软件无线电的思想。1992年5月，MILTRE公司的Jeo Mitola首次提出了软件无线电的概念，其中心思想是：构造一个具有开放性、标准化、模块化的统一硬件平台，将各种功能如工作频段、调制解调、数据格式、加密模式、通信协议等用软件来完成，并使宽带AD和DA转换器尽可能靠近天线，以确保所构建的无线通信系统具有高度灵活性和开放性。因此，对数字基带信号进行内插、数字混频、数字滤波并送入宽带DA实现直接射频输出的上变频方式，是符合软件无线电思想的，并且随着工艺水平的提高和制造技术的进步，实现这种上变频方式的高速硬件也越来越成熟。本文介绍一种利用Matlab Simulink和Altera DspBuilder设计数字射频上变频系统的方法，并以FPGA（Altera EP3SE110）+AD（ADI AD9739）为基础对设计进行硬件验证。

1　数字射频上变频模型设计

首先在Matlab Simulink中调用Altera DSP Builder Advanced Blockset和Altera DSP Builder Blockset工具箱内的相关模块搭建数字射频上变频模型，本文以将数字基带信号调制到800MHz载波射频输出为例，如图1所示。

图1　射频上变频模型

如图1所示，射频上变频模型主要由四个功能模块组成，分别是升采样模块、数字跳频本振模块、数字混频模块和量化输出模块。

1）升采样模块

升采样用于将输入的低频数字基带信号通过多次内插-滤波提高数据速率，其实现如图2所示：

图2　升采样模块

2）数字跳频本振模块

数字跳频本振模块用于产生频率可控的数字本振信号，其输出的本振信号频率与空间传输的载波信号频率一致，其实现如图3所示：

图3　数字跳频本振模块

3）数字混频模块

数字混频模块用于将升采样后的数字基带信号和数字跳频本振信号进行数字混频，其实现如图4所示：

图4　数字混频模块

4）量化输出模块

量化输出模块用于将混频后输出的数据长度进行截取，以适应DA器件的数据输入宽度，其实现如图4所示：

图5　量化输出模块

模型搭建完毕后进行仿真，观察经量化输出的数据如图6所示：

图6　送入DA的数据的时域和频域波形（BPSK调制）

通过上述波形可见仿真输出一路BPSK调制信号，其杂散约为60dB。

2　硬件验证

当仿真结果符合需求后，可在Simulink中直接生成硬件代码。在Control模块中，勾选图7中的“Generate Hardware”选项，即可在工程目录下产生可编译和硬件实现的Verilog HDL（或VHDL）代码。

图7　生成硬件代码

将生成的硬件代码作为FPGA工程的一个子模块，输入数字基带信号即可得到射频上变频后的数据，再经过FPGA的硬件SERDES模块高速LVDS接口将数据发射给AD9739，即可实现射频输出。将硬件工程编译并下载至FPGA后，用频谱仪进行测试，实际波形如图8和图9所示。

图8　未调制的数字本振信号

图9　BPSK调制信号

3　结论

本文介绍了一种利用Simulink和DspBuilder设计数字射频上变频的方法，通过该方法可方便快捷的调整输出频段、调制方式等系统参数，并可快速将模型转化为硬件实现，并能够保证模型仿真和硬件实现的正确性和一致性，提高了设计数字上变频系统的工作效率，具有良好的应用前景。

参考文献

[1]杨小牛等著.软件无线电原理与应用[M].电子工业出版社,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，重庆人，2006年毕业于北京航空航天大学，主要从事电子信息方面工作。

作者简介：