基于A(yíng)D6620和TMS320C6x的軟件無(wú)線(xiàn)電接收子系統

軟件無(wú)線(xiàn)電以其極強的靈活性和開(kāi)放性代表著(zhù)無(wú)線(xiàn)通信系統的發(fā)展趨勢。其思想是以一個(gè)通用、標準、模塊化的硬件平臺為依托，通過(guò)軟件編程實(shí)現無(wú)線(xiàn)通信系統的各種功能。

　　軟件無(wú)線(xiàn)電提倡功能軟件化，要求減少模擬環(huán)節。對接收機而言，則要求模/數轉換器盡可能靠近天線(xiàn)。在現階段，由于各種關(guān)鍵器件發(fā)展水平的限制，高頻信號的直接數字化及其數據處理在成本上還不合算，因此數字中頻軟件無(wú)線(xiàn)電加上少量的高頻模擬前端正成為理想軟件無(wú)線(xiàn)電的一種經(jīng)濟、適用的選擇。本數字中頻接收子系統是基于數字下變頻器DDCAD6620和數字信號處理器DSPTMS320C6701構建的。

1 總體設計

1.1 系統組成與信號處理流程

　　系統基本結構如圖1所示。單片機實(shí)現數字下變頻器的引導和初始化;高速ADC根據頻率源Encode輸入的時(shí)鐘信號對輸入信號進(jìn)行過(guò)采樣，并通過(guò)并行數據線(xiàn)向數字下變頻器輸出采樣結果;數字下變頻器根據單片機輸入的數據設定數控振蕩器NCO頻率值、抽樣率以及數字濾波器系數，據此對采樣數據進(jìn)行下變頻、降低數據率和低通濾波處理，并通過(guò)串口將數據提供給DSP進(jìn)行處理。

下面以一個(gè)實(shí)例說(shuō)明信號處理流程。假設輸入的中頻信號的中心頻率為456kHz，帶寬為20kHz，fL、fH分別表示頻率下限和上限，fL為446kHz，fH為466kHz。

　　如果如用Nyquist 帶通采樣定理采樣并設采樣頻率為fs，則要求:

其中，n的取值應滿(mǎn)足fs≥2(fH-fL)時(shí)的n的最大值。

　　取n為20，則帶通取樣頻率為40.53kHz。如圖2所示，(a)表示原始信號頻譜，(b)表示以40.53kHz的采樣頻率采樣后的信號頻譜。對于處理信號而言，由于實(shí)際的20kHz帶外還存在遞減的干擾信號，倘若以40.53kHz采樣率進(jìn)行采樣，就會(huì )出現較強的頻譜混疊。

若用ADC對信號進(jìn)行20MHz過(guò)采樣，則如圖2(c)所示，相鄰信號頻譜之間的間隔大大加寬，可充分避免頻譜混疊。

　　本系統采用高速A/D轉換芯片進(jìn)行20MHz高速采樣，輸出的數據率為20MBPS。在目前的技術(shù)條件下，倘若過(guò)高的數據率直接輸出給DSP，會(huì )占用DSP很多不必要的開(kāi)銷(xiāo)，所以需加入數字下變頻器，在DSP前端將數據率降低。數字下變頻器的主要功能有3個(gè):(1)變頻，將感興趣的信號的中心頻率變至零中頻;(2)濾波，濾除帶外干擾信號;(3)數率轉換，通過(guò)降低數率，提供利于后續電路處理的低速數據。

1.2 硬件電路設計

　　系統的硬件電路設計如圖3所示。

數/模轉換器采用的是AD公司生產(chǎn)的AD6600[1]，它具有同時(shí)處理兩路信號的能力。系統中Main Input向數/模轉換器AD6600輸入中頻模擬信號，Encode給AD6600提供20MSPS的采樣時(shí)鐘。AD6600采樣后的結果通過(guò)并行數據線(xiàn)輸出給數字下變頻器，并行數據線(xiàn)包括11位數據線(xiàn)和3位RSSI信號線(xiàn)(指數位)。

　　數字下變頻器選用AD公司生產(chǎn)的AD6620[2]。如圖3所示，AD6620的時(shí)鐘信號是通過(guò)CLK由AD6600提供的。AD6600和AD6620都有兩個(gè)數據通路A和B，具有同時(shí)處理兩路信號的能力，它們通過(guò)A/B選擇線(xiàn)協(xié)調相互間的工作模式。當AD6600只有一路信號需處理時(shí)，A/B選擇線(xiàn)還可以用作輸出數據的同步信號線(xiàn)。本例中僅有一路信號需要處理，所以只占用AD6600和AD6620的一個(gè)信號處理通路。由于A(yíng)D6620的時(shí)鐘信號CLK由AD6600直接提供，CLK同時(shí)起到了同步的作用，因此無(wú)需A/B用作同步信號線(xiàn)。在本系統中，本可將A/B拉高(當AD6600選擇A通路時(shí))或接地(當AD6600的選擇B通路時(shí))。但考慮到系統的通用性，還是將AD6600 A/B和AD6620的A/B相連。AD6620的輸入時(shí)序如圖4所示。

在本例中，由單片機8031通過(guò)P1、P2口對AD6620的并行設置端口microport 進(jìn)行設置。AD6620通過(guò)串口SDO向DSP輸出處理后的數據。由圖3可見(jiàn)，AD6620的SDM接地，此時(shí)同步信號SCLK是由DSP傳給AD6620的。在這種情況下，用DVout來(lái)提示當前信號有效。SDFS表示數據幀的開(kāi)始，在從模式下，該信號從DSP輸入，AD6620在每個(gè)時(shí)鐘周期的下降沿檢測它。AD6620的輸出時(shí)序如圖5所示。首先，AD6620的DVout引腳給DSP一個(gè)2～4個(gè)時(shí)鐘周期的高電平信號通知DSP當前數據有效，然后DSP發(fā)回一個(gè)確認信號SDFS，表示一幀信號的開(kāi)始。AD6620檢測到SDFS為高電平后，在下一個(gè)時(shí)鐘周期的上升沿開(kāi)始輸出信號。

DSP采用TI公司的TMS320C6701[3]。TMS320C6701包含8個(gè)并行的處理單元，采用甚長(cháng)指令字(VLIW)結構，芯片最高時(shí)鐘頻率可達300MHz，最大處理能力可達2400MIPS。在本系統中，TMS320C6701的中斷源INT4檢測到中斷信號以后，就會(huì )做好接收數據的準備，由FSR發(fā)出數據幀的幀同步信號，并由SCLK給出同步時(shí)鐘，從DR輸入信號。TMS320C6701對輸入數據進(jìn)行處理的程序的前幾條指令放在中斷源INT4在中斷服務(wù)表中的中斷服務(wù)取指包中。如果中斷服務(wù)太長(cháng)而不能放到一個(gè)取指包內，則加上一條跳轉指令跳轉到別的位置。

2 關(guān)鍵技術(shù)

　　AD6620內含四個(gè)信號處理單元:一個(gè)頻率轉換器、兩個(gè)固定系數抽樣濾波器CIC2、CIC5(抽樣率可選)和一個(gè)可編系數抽樣濾波器。通過(guò)對AD6620這四個(gè)信號處理單元參數的不同設置，能使系統以同一套硬件實(shí)現不同輸入情況下的接收功能。

　　在上面所給的實(shí)例中，AD6620在系統中的作用是把數據率降至20kBPS，把456kHz中頻信號變成零頻信號，并對信號進(jìn)行低通濾波處理。下面對實(shí)例中AD6620的重要參數設置進(jìn)行討論。

2.1 振蕩器頻率值的設定

　　AD6620中的頻率轉換器接收初始化時(shí)寫(xiě)入的信號頻率值，并據此對輸入信號進(jìn)行下變頻。實(shí)例中輸入信號的中心頻率fCH為456kHz，采樣頻率fSAMP為20MHz。寫(xiě)入AD6620的頻率值是一個(gè)32位的無(wú)符號整型數，由下式確定:

　代入f_CH和f_SAMP，可得NCO_FREQ的二進(jìn)制表示為101110101100011100010000110。

2.2 抽樣率的選擇

　　在本例中，AD6620需將20MBPS數據率降至20kBPS，總的抽取因子為1000。由于第一個(gè)抽樣濾波器的抽樣因子M_CIC2可以設為2、3...16中的任何一個(gè)，第二個(gè)抽樣濾波器的抽樣因子M_CIC5可以設為1、2...32中的任何一個(gè)，可編系數抽樣濾波器RCF的抽樣因子M_RCF可以設為1、2...32中的任何一個(gè)，所以由:

　　M_CIC2×M_CIC5×M_RCF=1000

　　可取得M_CIC2為10，M_CIC5為25，M_RCF為4。

2.3 濾波器系數的設計

　　經(jīng)過(guò)前面梳狀濾波器的處理，在一定程度上抑制了干擾信號，但對于有更高通道要求的應用還不夠理想。AD6620內部的系數可編程濾波器FIR可用來(lái)解決這一問(wèn)題。

　　FIR濾波器設計的目標是:盡可能讓10kHz的低通目標信號通過(guò)，并抑制帶外干擾信號。從濾波器幅頻特性曲線(xiàn)的角度來(lái)說(shuō)，要求通帶波動(dòng)盡可能小;通帶寬度盡可能與信號帶寬10kHz相等，過(guò)渡帶盡可能銳利;阻帶衰減盡可能大。通常FIR濾波器的階數越高，幅頻特性越好。AD6620提供的FIR最高可達255階，具體選擇多少要根據具體情況討論決定。

　　實(shí)例中使用窗函數設計法[4](或稱(chēng)傅立葉級數法)確定數字濾波器系數，即由理想的濾波器頻率響應H_d(ω)經(jīng)傅立葉反變換導出h_d(n)，然后用一個(gè)有限長(cháng)度窗函數序列w(n)截取。

　　由于輸入給可編系數濾波器的數據經(jīng)過(guò)了CIC2和CIC5兩次抽樣，且抽樣因子M_CIC2為10，M_CIC5為25，因此此時(shí)輸入數據的采樣頻率f_S為:

因為截止頻率為10kHz，所以數字域截止頻率ω_C為:

這表明在通帶|ω|≤ω_c范圍內，H_d(e^jω)的幅度是均勻的且其值為1，相位是-ωα。

　　由此可得

取w(n)=R_N(n)，按照線(xiàn)性相位濾波器的約束，h(n)必須為偶對稱(chēng)，對稱(chēng)中心長(cháng)度應為長(cháng)度的一半(N-1)/2，且α=(N-1)/2。取N=255，則α=127。則濾波器的系數為:

本文介紹的基于AD6620和TMS320C6701的數字中頻軟件無(wú)線(xiàn)電接收子系統，作為中頻軟件無(wú)線(xiàn)電平臺，適合于大部分通信和雷達的窄帶處理。