基于软件无线电的通用调制器设计和实现

王 赢

(南京熊猫汉达科技有限公司,江苏 南京 210000)

1 软件无线电的概念

软件无线电是新型无线电通信体系结构形式。软件无线电是将模块化、标准化的硬件单元以总线方式进行链接,将其搭建成平台,通过加载不同的软件波形来传输各种无线通信的功能。构建集开放性、标准化、模块化为一体的通用硬件平台,通过软件作为载体,是思想的整体革新,应对其高度重视。当前,对软件无线电研究还存有局限。软件无线电依托高度数字化得以完成,且器件水平也难以满足标准需求,在软件无线电设计方面也存在缺失,通过软件无线电思维模式,对系统结构进行全方位调整[1]。

软件无线电基本思想是对硬件平台进行整体性构建,充分发挥其功能特点,保证宽带转换器与天线位置相连接,数字上变频作为软件无线电重要技术类型,在受器件规模及速度制约影响下,但实现中频信号进行数字上变频还需天线位置呈现已连接状态,虽作为软件无线电中关键技术形式,但在设备规模和速度作用下,仍然需要数字上变频作为支撑,且需要花费一定时间,还需借助专用集成芯片将相关功能加以体现。高性能、高速率的数字正交上变频器具有集成度高、输出信号稳定等优点,为数字正交上变频器提供了根本保障。芯片融入软件无线电变化中,对基带数字进行排序处理,凸显出数字上变频功能,严格遵照相关设计规范及原则将芯片合成为高速直接数字频率合成器及高速高性能数模转换器设备,已达成完整的数字上变频器。数字上变频器的内部结构如图1所示。

图1 数字上变频器内部结构组成

2 输入数据通道的作用

输入数据通道主要是将串行输入I/Q通道数据转换成为并行数据状态,正常情况下为(4×)滤波器,采用两级半带滤波设备,可起到保证插值倍数的作用,也可有效提升插值速率。在对CIC滤波器及反CIC滤波器进行编程,并对其进行深入探索分析时,应对其合理管控,结合(2×～63×)倍数内插,CIC滤波器自身具备与低通滤波器同样的优势特征,且内波纹幅度相对较大,放置CIC滤波器可以对其做出补偿。DDS内核可以为载波提供数字调制通道,同时DDS内核的输出信号频率也会受特定因素所限制,确保输出信号频率变化在标准可控范围内。数字正交调制器主要是将基带数据频谱载波频率进行调整。载波由DDS内核所供给,因为DAC自身具有零阶保持效应,外部输出信号频谱将由sinc函数加权。前端采用抗正弦滤波器对输入数据预处理,有利于避免失真现象发生。其中输出幅度倍增器可用于控制输出信号幅度标准中,该幅度值由8位数字所组成[2]。

14位DAC主要是以模拟信号为最终目的。当在fsysclk+fcarrier(n=1,2,3,…)处产生干扰信号时,将以n×为单位执行数模转换过程,需要外部RLC滤波器来过滤干扰。AD9857以两个互补电流的形式输出,电流可由外部电阻RSET确定(IOUT=39.936/RSET),输出电流范围为5～20 mA。

参考时钟乘法器所得出的数据信息,基准时钟乘法器可使输入时钟×-20×(4)成为AD9857为主要工作模式。AD9857可接收14位并行数据,借助I/Q以交替输入形式,使其在芯片中完成串并行转换。数据在应用过程中可被分成两个通道,并在正交调制之前保持通道运行正常。

AD9857主要完成数字信号正交上转换过程,所以相关数字信号编码及脉冲形成等操作应保证其在输入前完成。AD9857参考时钟乘法器可以将输入时钟当成是系统时钟。通过fsysclk达到系统所需的定时控制,保证频率可达到200 MHz。由于CIC滤波器输出数据速率与DDS核心产生的数字载波的采样速率一致。所以,AD9857中正交调制器输出信号的采样率中包含与fsysclk的数字信号相同的优势特征。

3 通用调制器工作模式

AD9857工作模式主要分为正交调制模式、单频输出模式及插值DAC模式3种。在正交模式状态下开展工作时,DDS核心可向正交调制器提供正交载波。如果是在单频模式下工作时,可与I/Q通道数据相乘。将难以收取数据通道所传输的信号,而通过DDS核心生成的单频信号,该信号在通过反正弦滤波器后通过DAC输出,其作用与DDS芯片相同。在应用插值DAC模式进行工作时,所输入的14位基带信号并不会受到明显影响。

软件无线电调制算法分析软件无线电具有灵活性和可扩展性的主要特点,这主要是因为软件无线电的所有功能都是由软件定义的。现阶段,AM,FM,DSB,SSB等模拟调制方式被广泛应用,数字调制方式多样化,其中包含ASK,FSK,PSK,QAM等。通常情况下使用常规方法所生成的信号都需要硬件电路作为支撑。当通信机器中包含多个通信信号时,电路布置将会过于复杂,调制模式运行也存在一定难度。软件无线电调制信号主要是由数字信号处理平台作为依托,为软件无线电设备运行提供根本保障。将每个调制算法制成软件模块形式,因此,若生成某个调制信号,只需调用相应模块即可快速实现。在软件无线电设计应用中,应对调制模块软件进行不断优化、革新,使其与调制系统想适配,将软件无线电所具备的灵活性及开放性优势充分发挥。正常情况下,通信信号都可通过正交调制加以实现[3]。

4 硬件平台的应用

基于AD9857在软件无线电中的应用原理和软件无线电调制算法的特点,设计了一个通用的硬件平台,借助AD9857完成相关调制工作。在ADC采样分析后,模拟源可以直接发送到AD9857系统,以加快传统模拟调制的完成。它也可以在FPGA基带处理后发送到AD9857,而数字信号源首先发送到FPGA。其中FPGA主要完成编码、I/Q通道分离、基带形成等工作,在此基础上,将其发送到AD9857完成上变频,且AD9857的配置也需要借助FPGA才可有效完成。

在该硬件平台中,CPU可以选择常用基于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公司推出的专注于通信、音频处理及类似应用的FPGA系列,其主要特点为采用查找表(LUT)与嵌入式阵列块(EAB)相结合的结构,主要适用于实现复杂的逻辑功能与存储器系列,如数字信号处理、多路数据处理、数据传输和通信中的微控制等。典型数量从10 000到100 000不等,最多有49 152位RAM。该器件采用2.5 V核心电压、功耗低、ACEXLK100可提供高达250 MHz双向I/O功能。ACEXLK100具有100 000个典型门、4 992个逻辑单元及12个嵌入式阵列块,可满足各种数字调制系统基带信号处理要求。A/D转换器采用AD公司的AD9215,AD9215是AD公司单通道10位高速低功耗A/D转换器。采用+3 V电源,最大采样速率105 ms/s,模拟量输入带宽可达300 MHz,支持单端或是差分输入。典型应用方案如图2所示。

图2 典型应用方案

利用AD9857调制伪随机信号的频谱图,可将速率为5 MB/s的数据调制到频率为42 MHz的中频。在具体实践检验分析中,可利用FPGA完成待调制数据的I/Q通道分离和基带信号形成步骤,在此基础上将数据发送到AD9857,完成正交调制功能。AD9857的输入参考时钟频率为20 MHz,倍频系数为10,CIC滤波器的内插率为4,从测量分析及结果显示报告来看,系统自身性能较强,且实用价值较为突出,也对基于软件无线电多功能调制器设计方案做出了肯定,为内部软硬件设计提供了方向,使系统所具备的开放性、通用性及可扩展性优势特征得到充分发挥,有利于提高信号强度,结合系统实际工作运行需求,确保处理层参数信息的真实有效性,保证信号处于稳定状态。如果追加一级放大电路,将会从根本上增大信号发射功率,也能够保障输出信号性能不受影响。典型信号如图3所示。

图3 典型信号