1、基于AD6620和ADSP2191的數(shù)字中頻軟件無線        基于AD6620和ADSP2191的數(shù)字中頻軟件無線電接收系統(tǒng)摘   要：提出了一種通用的數(shù)字中頻軟件無線電接收系統(tǒng)的設(shè)計及應(yīng)用方案。 軟件無線電(Software Radio)是近年來提出的一種全新的無線通信體系結(jié)構(gòu)，它以其極強(qiáng)的靈活性和開放性代表著無線通信的發(fā)展趨勢，已經(jīng)逐漸成為通信領(lǐng)域的一個新的發(fā)展方向。它的基本思想是：構(gòu)造一個開放、標(biāo)準(zhǔn)、模塊化的通用硬件平臺，將無線通信系統(tǒng)的各種功能(如工作頻段、調(diào)制解調(diào)類型、

2、數(shù)據(jù)格式、加密模式、通信協(xié)議等)通過軟件編程來實(shí)現(xiàn)，并使寬帶A/D和D/A轉(zhuǎn)換器盡可能地*近天線。現(xiàn)階段，由于受微電子技術(shù)水平的限制，直接對射頻(RF)進(jìn)行采樣還很難實(shí)現(xiàn)，成本上也很不合算。所以目前的軟件無線電研究，大部分都是在中頻(IF)上進(jìn)行處理。數(shù)字中頻軟件無線電加上少量的高頻模擬前端正成為理想軟件無線電的一種>' target='_blank' class='infotextkey'>經(jīng)濟(jì)實(shí)用的選擇。本文介紹了一種通用的數(shù)字中頻軟件無線電接收系統(tǒng)，它能廣泛地應(yīng)用于各種中頻調(diào)制信號的采樣與解調(diào)，并且通過系統(tǒng)同步互聯(lián)技術(shù)，該系統(tǒng)還能和其它

3、系統(tǒng)一起構(gòu)成一個大型的能同步處理多種調(diào)制信號的多通道多模式多功能接收系統(tǒng)。該系統(tǒng)的核心芯片為數(shù)字信號處理器ADSP2191和數(shù)字下變頻器AD6620。 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計數(shù)字中頻軟件無線電接收系統(tǒng)由信號調(diào)理、數(shù)據(jù)采集、可編程數(shù)字下變頻器AD6620、數(shù)字信號處理器ADSP2191和串行E2PROM構(gòu)成，還包括邏輯控制電路和時鐘電路。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。在本系統(tǒng)中，模擬中頻信號由射頻前置輸入；高性能模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD6640根據(jù)時鐘電路提供的時鐘信號對輸入的信號進(jìn)行高速采樣，并把采集到的數(shù)據(jù)(12bit)送入數(shù)字下變頻器AD6620；AD6620根據(jù)設(shè)置參數(shù)對輸入采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行變頻、濾波

4、和速率轉(zhuǎn)換處理，并通過并行端口將處理后的數(shù)據(jù)傳給高性能數(shù)字信號處理器；最后數(shù)字信號處理器ADSP2191對此基帶數(shù)字信號進(jìn)行信號檢測、同步獲取、匹配濾波、信號解調(diào)和譯碼等處理，最終的分析結(jié)果由ADSP2191通過UART端口傳給PC進(jìn)行存儲或顯示。串行E2PROM是用于存儲用戶程序，在系統(tǒng)上電或DSP復(fù)位時通過SPI接口加載到ADSP2191內(nèi)部的程序存儲區(qū)并啟動運(yùn)行。完成對AD6620的控制和設(shè)置后啟動ADC進(jìn)行通信信號的處理。 關(guān)鍵技術(shù)數(shù)據(jù)采集將寬帶A/D和D/A轉(zhuǎn)換器盡可能地*近天線是軟件無線電體系結(jié)構(gòu)的一個重要特點(diǎn)。無論是采用射頻直接數(shù)字化結(jié)構(gòu)還是中頻數(shù)字化結(jié)構(gòu)，也無論是采用

5、正交采樣技術(shù)、帶通信號采樣技術(shù)還是過采樣技術(shù)，都對A/D轉(zhuǎn)換器的采樣速率、工作帶寬和動態(tài)范圍提出了很高的要求。因此A/D轉(zhuǎn)換器的性能決定了系統(tǒng)的中頻范圍和帶寬，換句話說，選擇什么樣的ADC往往要根據(jù)射頻前置的中頻值和信息速率、帶寬等來確定。在本系統(tǒng)中，我們選用AD6640來進(jìn)行中頻采樣。AD6640內(nèi)含采樣保持電路和基準(zhǔn)源，最高采樣速率可達(dá)65MHz，輸入帶寬250MHz，信噪比68dB。這樣構(gòu)成的系統(tǒng)選用不同的采樣技術(shù)，其工作的中頻值范圍可以到200MHz以上，帶寬可以到30MHz，輸入信號的動態(tài)范圍為2V峰峰值。系統(tǒng)設(shè)計中一般A/D的時鐘信號取自射頻頻綜或本振，這樣有利于系統(tǒng)的同步，為了實(shí)

6、現(xiàn)系統(tǒng)的同步互聯(lián)，系統(tǒng)設(shè)計中DSP的時鐘也來自本振，由DSP內(nèi)部倍頻電路實(shí)現(xiàn)倍頻和鎖相。值得注意的是，要考慮時鐘的走線和干擾，以免對射頻接收部分造成影響。數(shù)字下變頻A/D轉(zhuǎn)換器對輸入的模擬中頻信號直接采樣得到高速數(shù)字序列，如果把這些數(shù)字序列直接傳給DSP處理，將會大大增加DSP的運(yùn)算量，并對DSP的運(yùn)算能力提出過高的要求。因此常使用數(shù)字下變頻器，對采集數(shù)據(jù)作變頻和抽取濾波處理，以提高整個系統(tǒng)的處理速度和運(yùn)算效率。在本系統(tǒng)中，我們選用可編程數(shù)字下變頻器AD6620。它的主要功能有三個：變頻，將感興趣的信號的中心頻率變至零中頻；低通濾波，濾除帶外干擾信號提取有用信號；采樣速率轉(zhuǎn)換，降低采樣速率以利

7、于后續(xù)信號處理。AD6620既能對實(shí)信號進(jìn)行處理又能對復(fù)信號進(jìn)行處理，即支持正交采樣的數(shù)字下變頻。在系統(tǒng)中，設(shè)計采用實(shí)信號進(jìn)行處理，其數(shù)據(jù)輸出選用并行模式(16bit)以提高傳輸效率。數(shù)字信號處理DSP是整個軟件無線電方案的靈魂和核心，軟件無線電的靈活性、開放性和可編程性等特點(diǎn)主要都是通過以DSP為中心的通用硬件平臺以及DSP軟件來實(shí)現(xiàn)的。本系統(tǒng)選用16bit定點(diǎn)ADSP2191。ADSP2191的運(yùn)行速度快，處理速度可達(dá)160MIPS，片內(nèi)包含單周期存取的64K Words RAM。因此ADSP2191能滿足系統(tǒng)設(shè)計中通信信號的處理要求。為減少體積，降低功耗，增加其攜帶靈活性，我們采用SPI

8、引導(dǎo)方式完成DSP的程序加載，系統(tǒng)中的串行E2PROM用于存放用戶程序。系統(tǒng)運(yùn)行后首先對AD6620進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，再啟動ADC采樣，經(jīng)過數(shù)字下變頻和抽取的信號通過并口送到DSP進(jìn)行通信信號的解調(diào)解擴(kuò)和譯碼處理，實(shí)現(xiàn)一個通道的通信信號處理。需要多個通道時可以采用同步互聯(lián)技術(shù)實(shí)現(xiàn)多通道的信號接收與處理。系統(tǒng)同步互聯(lián)由圖1可知，圖中是一個單通道的數(shù)字中頻軟件無線電接收系統(tǒng)，即它在同一時刻只能對一個通道的信號進(jìn)行接收處理。但在很多實(shí)際應(yīng)用中，往往需要系統(tǒng)能夠同時進(jìn)行多通道的信號接收。因此，我們利用ADSP2191的高速同步串口(SPORT)以及時分多路技術(shù)(TDM)，設(shè)計了一個同步數(shù)據(jù)傳輸接口，通過提

9、供統(tǒng)一的時鐘，將多個單通道的接收子系統(tǒng)同步互聯(lián)起來，從而組成一個大型的最多能同步處理128路調(diào)制信號的多通道多模式多功能接收系統(tǒng)。并且為了增強(qiáng)ADSP2191高速同步串口的驅(qū)動能力和數(shù)據(jù)傳輸距離，在硬件設(shè)計中采用RS-485芯片來增強(qiáng)同步互聯(lián)接口的驅(qū)動能力，使其數(shù)據(jù)傳輸速率最高可以達(dá)到5Mbps，最大分布距離為1000米。這種多個通道之間同步互聯(lián)的方案可以有效地解決通道數(shù)與成本之間的矛盾，并且結(jié)構(gòu)簡單且易于實(shí)現(xiàn)。多通道接收系統(tǒng)的同步互聯(lián)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。 軟件設(shè)計數(shù)字下變頻器的參數(shù)設(shè)置AD6620的參數(shù)設(shè)置體現(xiàn)了整個中頻接收系統(tǒng)的工作模式，其根據(jù)不同的中頻值和帶寬，設(shè)置不同的參數(shù)與之

10、相適應(yīng)，體現(xiàn)了軟件無線電的靈活性和可編程性。系統(tǒng)中DSP通過其控制接口對數(shù)字下變頻器設(shè)置，以使同一系統(tǒng)適應(yīng)多種輸入情況下的接收功能。數(shù)控振蕩器頻率值的設(shè)定數(shù)控振蕩器頻率值(NCO_FREQ)的設(shè)定取決于采樣頻率(fSAMP)和信號的中心頻率(fCH)，可由下式確定：              (1)不同的fCH和fSAMP，可得到不同的NCO_FREQ以適應(yīng)不同的中頻值。各級抽取因子的選擇抽取因子的選擇要根據(jù)不同采樣頻率不同數(shù)據(jù)速率進(jìn)行計算得到。AD6620的抽取率

11、是由三級組成的：積分梳狀抽取濾波器CIC2(抽取范圍216)、CIC5(抽取范圍132)和可編系數(shù)抽取濾波器RCF(抽取范圍132)。設(shè)系統(tǒng)總的抽取因子為MSYS，則各級抽取因子必須滿足下式：MSYS=MCIC2×MCIC5×MRCF                 (2)濾波器階數(shù)和系數(shù)的設(shè)計濾波器階數(shù)和系數(shù)的設(shè)計需要根據(jù)信號的頻率和帶寬來確定，應(yīng)用中常先用工具軟件如MATLAB來設(shè)計計算RCF濾波器的系數(shù)。設(shè)計時通常濾波器

12、的階數(shù)越高越好，AD6620提供的RCF濾波器的階數(shù)最高為256階，濾波器階數(shù)由下式?jīng)Q定：              (3)其中fCLK為輸入時鐘頻率，fSAMPS為CIC5數(shù)據(jù)輸出頻率，NCH等于1(單通道)。接收系統(tǒng)的應(yīng)用程序模擬中頻信號經(jīng)A/D采樣和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后，后續(xù)的數(shù)字信號處理任務(wù)都是由DSP軟件完成的，包括：通信進(jìn)程捕獲、中頻提取、起點(diǎn)檢測、匹配濾波(中頻跟蹤、碼頻跟蹤)、碼元判決等。圖3為本接收系統(tǒng)應(yīng)用程序的軟件流程圖。以上這些處理算法都必須進(jìn)行優(yōu)化以提

13、高運(yùn)算效率，同時為了提高處理效率，在DSP編程時針對運(yùn)算密集的算法必須用匯編實(shí)現(xiàn)，同時要盡可能使用多功能指令，以充分發(fā)揮DSP的運(yùn)算效率。在本系統(tǒng)中，為了增強(qiáng)程序的可讀性以及編寫程序的方便，我們采用了匯編語言和C語言相互嵌套的方法，即主程序是由C語言實(shí)現(xiàn)，而運(yùn)算密集的功能函數(shù)都是由ADSP2191的匯編語言來完成。這種編程方式靈活方便、可讀性強(qiáng)，而且執(zhí)行效率也很高。數(shù)字信號處理器的監(jiān)控程序為了方便脫機(jī)工作和調(diào)試，我們還利用了ADSP2191的UART端口和計算機(jī)的RS-232接口，開發(fā)了數(shù)字信號處理器ADSP2191的監(jiān)控軟件。通過監(jiān)控軟件，用戶不但可以從PC機(jī)上讀取、修改、搬移和保存ADSP

14、2191內(nèi)部控制寄存器(REG)、程序存儲區(qū)(PM)和數(shù)據(jù)存儲區(qū)(DM)的值，從而判斷接收系統(tǒng)的運(yùn)行結(jié)果是否正確；還可以裝載、運(yùn)行ADSP2191一些獨(dú)立的應(yīng)用程序，如：FFT、匹配濾波、功率譜分析等等。這些應(yīng)用程序都裝在計算機(jī)內(nèi)，使用時只需從計算機(jī)上下載，通過RS-232接口和UART端口裝入ADSP2191的程序區(qū)內(nèi)運(yùn)行即可。這樣做不但避免了將所有的應(yīng)用程序?qū)懭氪蠩2PROM的麻煩，也節(jié)省了ADSP2191程序存儲區(qū)的空間。另一方面，用戶也可以根據(jù)實(shí)際需要，編寫自己所需的應(yīng)用程序，用ADSP2191提供的匯編工具生成可執(zhí)行文件，便可直接裝入運(yùn)行。監(jiān)控軟件的設(shè)計使得接收系統(tǒng)的調(diào)試周期大大縮短，也使得本系統(tǒng)的應(yīng)用更加靈活和方便。 結(jié)語基于AD6620和ADSP2191的數(shù)字中頻軟件無線電接收系統(tǒng)，作為中頻軟件無線電平臺，適合于