基于A(yíng)D6620和ADSP2191的數字中頻軟件無(wú)線(xiàn)電接收系統

2004年4月A版

摘  要：提出了一種通用的數字中頻軟件無(wú)線(xiàn)電接收系統的設計及應用方案。

關(guān)鍵詞：軟件無(wú)線(xiàn)電；數字中頻；數據采集；數字下變頻

　　軟件無(wú)線(xiàn)電(Software Radio)是近年來(lái)提出的一種全新的無(wú)線(xiàn)通信體系結構，它以其極強的靈活性和開(kāi)放性代表著(zhù)無(wú)線(xiàn)通信的發(fā)展趨勢，已經(jīng)逐漸成為通信領(lǐng)域的一個(gè)新的發(fā)展方向。它的基本思想是：構造一個(gè)開(kāi)放、標準、模塊化的通用硬件平臺，將無(wú)線(xiàn)通信系統的各種功能(如工作頻段、調制解調類(lèi)型、數據格式、加密模式、通信協(xié)議等)通過(guò)軟件編程來(lái)實(shí)現，并使寬帶A/D和D/A轉換器盡可能地靠近天線(xiàn)?，F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，成本上也很不合算。所以目前的軟件無(wú)線(xiàn)電研究，大部分都是在中頻(IF)上進(jìn)行處理。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)濟實(shí)用的選擇。

　　本文介紹了一種通用的數字中頻軟件無(wú)線(xiàn)電接收系統，它能廣泛地應用于各種中頻調制信號的采樣與解調，并且通過(guò)系統同步互聯(lián)技術(shù)，該系統還能和其它系統一起構成一個(gè)大型的能同步處理多種調制信號的多通道多模式多功能接收系統。該系統的核心芯片為數字信號處理器ADSP2191和數字下變頻器AD6620。

總體結構設計

　　數字中頻軟件無(wú)線(xiàn)電接收系統由信號調理、數據采集、可編程數字下變頻器AD6620、數字信號處理器ADSP2191和串行E2PROM構成，還包括邏輯控制電路和時(shí)鐘電路。

　　系統的總體結構框圖如圖1所示。

　　在本系統中，模擬中頻信號由射頻前置輸入；高性能模數轉換器AD6640根據時(shí)鐘電路提供的時(shí)鐘信號對輸入的信號進(jìn)行高速采樣，并把采集到的數據(12bit)送入數字下變頻器AD6620；AD6620根據設置參數對輸入采樣數據進(jìn)行變頻、濾波和速率轉換處理，并通過(guò)并行端口將處理后的數據傳給高性能數字信號處理器；最后數字信號處理器ADSP2191對此基帶數字信號進(jìn)行信號檢測、同步獲取、匹配濾波、信號解調和譯碼等處理，最終的分析結果由ADSP2191通過(guò)UART端口傳給PC進(jìn)行存儲或顯示。串行E2PROM是用于存儲用戶(hù)程序，在系統上電或DSP復位時(shí)通過(guò)SPI接口加載到ADSP2191內部的程序存儲區并啟動(dòng)運行。完成對AD6620的控制和設置后啟動(dòng)ADC進(jìn)行通信信號的處理。

關(guān)鍵技術(shù)

數據采集

　　將寬帶A/D和D/A轉換器盡可能地靠近天線(xiàn)是軟件無(wú)線(xiàn)電體系結構的一個(gè)重要特點(diǎn)。無(wú)論是采用射頻直接數字化結構還是中頻數字化結構，也無(wú)論是采用正交采樣技術(shù)、帶通信號采樣技術(shù)還是過(guò)采樣技術(shù)，都對A/D轉換器的采樣速率、工作帶寬和動(dòng)態(tài)范圍提出了很高的要求。因此A/D轉換器的性能決定了系統的中頻范圍和帶寬，換句話(huà)說(shuō)，選擇什么樣的ADC往往要根據射頻前置的中頻值和信息速率、帶寬等來(lái)確定。在本系統中，我們選用AD6640來(lái)進(jìn)行中頻采樣。AD6640內含采樣保持電路和基準源，最高采樣速率可達65MHz，輸入帶寬250MHz，信噪比68dB。這樣構成的系統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(dòng)態(tài)范圍為2V峰峰值。系統設計中一般A/D的時(shí)鐘信號取自射頻頻綜或本振，這樣有利于系統的同步，為了實(shí)現系統的同步互聯(lián)，系統設計中DSP的時(shí)鐘也來(lái)自本振，由DSP內部倍頻電路實(shí)現倍頻和鎖相。值得注意的是，要考慮時(shí)鐘的走線(xiàn)和干擾，以免對射頻接收部分造成影響。

數字下變頻

　　A/D轉換器對輸入的模擬中頻信號直接采樣得到高速數字序列，如果把這些數字序列直接傳給DSP處理，將會(huì )大大增加DSP的運算量，并對DSP的運算能力提出過(guò)高的要求。因此常使用數字下變頻器，對采集數據作變頻和抽取濾波處理，以提高整個(gè)系統的處理速度和運算效率。在本系統中，我們選用可編程數字下變頻器AD6620。它的主要功能有三個(gè)：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；采樣速率轉換，降低采樣速率以利于后續信號處理。AD6620既能對實(shí)信號進(jìn)行處理又能對復信號進(jìn)行處理，即支持正交采樣的數字下變頻。在系統中，設計采用實(shí)信號進(jìn)行處理，其數據輸出選用并行模式(16bit)以提高傳輸效率。

數字信號處理

　　DSP是整個(gè)軟件無(wú)線(xiàn)電方案的靈魂和核心，軟件無(wú)線(xiàn)電的靈活性、開(kāi)放性和可編程性等特點(diǎn)主要都是通過(guò)以DSP為中心的通用硬件平臺以及DSP軟件來(lái)實(shí)現的。本系統選用16bit定點(diǎn)ADSP2191。ADSP2191的運行速度快，處理速度可達160MIPS，片內包含單周期存取的64K Words RAM。因此ADSP2191能滿(mǎn)足系統設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引導方式完成DSP的程序加載，系統中的串行E2PROM用于存放用戶(hù)程序。系統運行后首先對AD6620進(jìn)行參數設置，再啟動(dòng)ADC采樣，經(jīng)過(guò)數字下變頻和抽取的信號通過(guò)并口送到DSP進(jìn)行通信信號的解調解擴和譯碼處理，實(shí)現一個(gè)通道的通信信號處理。需要多個(gè)通道時(shí)可以采用同步互聯(lián)技術(shù)實(shí)現多通道的信號接收與處理。

系統同步互聯(lián)

　　由圖1可知，圖中是一個(gè)單通道的數字中頻軟件無(wú)線(xiàn)電接收系統，即它在同一時(shí)刻只能對一個(gè)通道的信號進(jìn)行接收處理。但在很多實(shí)際應用中，往往需要系統能夠同時(shí)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(shí)分多路技術(shù)(TDM)，設計了一個(gè)同步數據傳輸接口，通過(guò)提供統一的時(shí)鐘，將多個(gè)單通道的接收子系統同步互聯(lián)起來(lái)，從而組成一個(gè)大型的最多能同步處理128路調制信號的多通道多模式多功能接收系統。并且為了增強ADSP2191高速同步串口的驅動(dòng)能力和數據傳輸距離，在硬件設計中采用RS-485芯片來(lái)增強同步互聯(lián)接口的驅動(dòng)能力，使其數據傳輸速率最高可以達到5Mbps，最大分布距離為1000米。這種多個(gè)通道之間同步互聯(lián)的方案可以有效地解決通道數與成本之間的矛盾，并且結構簡(jiǎn)單且易于實(shí)現。多通道接收系統的同步互聯(lián)結構圖如圖2所示。

軟件設計

數字下變頻器的參數設置

　　AD6620的參數設置體現了整個(gè)中頻接收系統的工作模式，其根據不同的中頻值和帶寬，設置不同的參數與之相適應，體現了軟件無(wú)線(xiàn)電的靈活性和可編程性。

　　系統中DSP通過(guò)其控制接口對數字下變頻器設置，以使同一系統適應多種輸入情況下的接收功能。

數控振蕩器頻率值的設定

　　數控振蕩器頻率值(NCO_FREQ)的設定取決于采樣頻率(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不同采樣頻率不同數據速率進(jìn)行計算得到。AD6620的抽取率是由三級組成的：積分梳狀抽取濾波器CIC2(抽取范圍2~16)、CIC5(抽取范圍1~32)和可編系數抽取濾波器RCF(抽取范圍1~32)。設系統總的抽取因子為MSYS，則各級抽取因子必須滿(mǎn)足下式：

　MSYS=MCIC2