基于軟件無線電的可調中頻調制器的設計與實現(xiàn)

摘要：本文以DDS（直接數(shù)字頻率合成）理論為基礎，采用Altera公司推出的DSP Builder軟件工具，介紹了一種基于軟件無線電的可調中頻調制器的設計方法，使其在硬件平臺上通過撥碼開關控制實現(xiàn)FSK、PSK、ASK三種調制方式。文中討論了調制的一般理論，并將推導出的相關理論結果運用到仿真調試中，最后在FPGA芯片上驗證了調制器的系統(tǒng)功能。
關鍵詞：直接數(shù)字合成；軟件無線電；調制；DSP Builder

1.       引言：

軟件無線電（software defined radio）是無線電系統(tǒng)從模擬到數(shù)字再向前發(fā)展的新階段。其目標是在可編程的硬件平臺上通過注入不同的軟件，實現(xiàn)對工作頻段、調制解調方式、信道多址方式等無線功能的改變。在軟件無線電的研究過程中，調制解調技術是無線通信系統(tǒng)的重要組成部分。目前對于軟件無線電調制技術的實現(xiàn)多是采用具有調制功能的專用芯片（其中應用較為廣泛的是AD公司的AD985X系列）^[1]或是采用可編程器件結合專用芯片方法實現(xiàn)^[2]。然而在某些場合，調制方式和控制方式會與系統(tǒng)的要求差距很大。因而，完全采用高性能的FPGA器件設計出符合要求的調制電路就是一個很好的解決方法^[3]，此方法提供了一個良好的數(shù)字無線通訊系統(tǒng)的驗證環(huán)境，可將多種調制算法在實驗平臺上實現(xiàn)，并通過平臺提供的基本控制對系統(tǒng)進行驗證仿真。并且用這種軟件化硬件的設計方法，可以產生多種模式的數(shù)字調試方式，具有集成度高、易于升級等優(yōu)點。

本文基于DDS（直接數(shù)字頻率合成）的技術原理，采用Altera公司推出的在FPGA上進行DSP開發(fā)的開發(fā)工具DSP Builder軟件，設計了一種適合與軟件無線電使用的可調中頻數(shù)字調制器，實現(xiàn)FSK、PSK、ASK三種調制方式，并通過FPGA芯片進行系統(tǒng)驗證。

2.       DDS的基本原理

DDS(Direct Digital Synthesize)即直接數(shù)字合成，是一種新型的頻率合成技術，圖1為DDS的基本實現(xiàn)原理結構圖。
 

DDS以數(shù)控振蕩器的方式，產生頻率、相位和幅度可控的正弦波^[5]。電路包括相位累加器、相位調制器、正弦ROM查找表、基準時鐘源、D/A轉換器等組成。其中前三者是DDS結構中的數(shù)字部分，具有數(shù)控頻率合成的功能。DDS是基于查找表方法，將一個正弦波周期的N個均勻采樣點存儲在存儲器中，以均勻速率將這些采樣點輸送到DAC，即可得到一個單頻正弦波，如果每隔K個采樣點輸出一個數(shù)據(jù)，則會得到K倍頻的正弦波。但是，系統(tǒng)會存在一個上限頻率，這取決于N的選擇和系統(tǒng)的采樣頻率。設一正弦波為：

s(t)=sin(w₀t)=sin(2∏f₀t)               (1)

對其以采樣頻率f_s進行采樣，得到：

s(n)=sin(2∏f₀tT_s)                    (2)

這樣可以得到此正弦信號的相位增量為：

△φ＝2∏f₀T_s＝2∏f₀/f_s                           (3)

將一個周期的正弦波均勻分為N份，取N為2的整數(shù)冪。則每一份的相位的大小是：

 δ＝2∏/N                         （4）

如果每隔K個點輸出一個采樣值，則相位增量就是Kδ，輸出頻率為：

f=Kδ/2∏T_s=Kf_s/N                   (5)

根據(jù)采樣定理，K應該滿足K≤N/2?？梢酝ㄟ^增加一個周期的采樣點N，也就是增加采樣頻率得到更高的輸出頻率。這是計算中頻調制參數(shù)的依據(jù)。

DDS與傳統(tǒng)的頻率合成技術相比，具有頻率穩(wěn)定度高，頻率轉換速度快，輸出相對帶寬寬，頻率分辨率高等特點，將DDS的這些功能應用于軟件無線電中，可以部分降低CPU的處理負擔，使整個系統(tǒng)的性能達到較好的程度^[6]。

3.    FSK、PSK、ASK調制原理

在數(shù)字通信系統(tǒng)中，數(shù)字基帶信號通常要經(jīng)過數(shù)字調制后再傳輸。常見的調制方式有頻移鍵控（FSK）、相移鍵控（PSK）、幅移鍵控（ASK）等。

以基帶數(shù)字波形序列來表示{a_k}，通常二進制數(shù)字基帶信號表示為：

m(t)=∑a_kg(t-kT_b)

其中，a_k為二元碼符號，1或0；g（）為單極性不歸0波形，歸一化幅度；T_b為二元序列碼元間隔。

則頻移鍵控（FSK）信號為：

s_FSK(t)= A₀∑[a_kg₁(t-kT_b)cos(w₁t+θ₁)+(1-a_k) g₂(t-kT_b)cos(w₂t+θ₂)]

其中w₁為傳號載頻；w₂為空號載頻；θ₁和θ₂分別為傳號與空號載波的初相，在[-∏, ∏]均勻分布；w₀=(w₁+ w₂)/2為載波頻率；kT_b≤t≤(k+1) T_b。

相移鍵控（PSK）信號為：

s_PSK(t)=A₀∑[a_kg₁(t-kT_b)cos(w₁t+θ₁)+(1-a_k) g₂(t-kT_b)cos(w₁t+θ₂+∏)]

幅移鍵控（ASK）信號為：

s_ASK(t)= m(t) c(t)= m(t)A₀cos(w₀t+θ₀)= A₀∑a_kg(t-kT_b)cos(w₀t+θ₀)   

實現(xiàn)上述調制的方式有多種，采用DDS技術做正交調制，能夠克服解調輸出的嚴重失真，提高抗噪聲性能。對此正交調制表現(xiàn)在已調信號（傳號與空號）各自的相關系數(shù)——正交關系。FSK和ASK相關系數(shù)均為ρ₁₂＝0，PSK的相關系數(shù)為ρ₁₂＝－1。一般的，要滿足此條件，應考慮到載波頻率f₀是碼元頻率R_b＝1/T_b整數(shù)倍，即f₀＝mR_b，或1bit間隔包括整數(shù)個載波周期，即T_b＝mT₀，這將作為在DSP Builder中優(yōu)化系統(tǒng)時的依據(jù)。

4.       基于DSP Builder的可調中頻調制模塊設計

DSP Builder是Altera公司推出的一個面向DSP開發(fā)的系統(tǒng)級工具，它提供了Quartus II 軟件和Matlab/Simulink工具之間的接口。DSP Builder允許系統(tǒng)、算法和硬件設計去共享一個通用的開發(fā)平臺，DSP Builder設計流程如圖2^[7]。
  

根據(jù)DDS基本原理，基于Matlab/Simulink/Altera DSP Builder建立適合軟件無線電應用的中頻調制器模型如圖3。電路全部采用有符號數(shù)，其中頻率字為32位，幅度字為18位，分別控制載波的頻率值及載波幅度值。系統(tǒng)由兩個控制按鍵（key1和key2），一個信號輸入端，三個初值輸入端（key3、key4和key5）組成。其中key1和key2控制調制方式，key3和key4是載波的頻率控制字輸入口，key5是載波幅度控制字的輸入端。
  

整個系統(tǒng)主要由一個DDS構成，包括兩個查表ROM及其他控制電路。當key1、key2為11、01、00時，分別實現(xiàn)FSK、PSK、ASK調制；當key1、key2為10時無信號輸出。在信號的輸入端接收被調制的信號。由AltBus、Parallel Adder Substractor、Delay構成DDS的核心部分——相位累加器。正弦查找表模塊LUT的計算式為：

255*sin( 10*[0:1*pi/(2^10):10*pi] ) +256

受存儲器容量和成本限制，正弦查找表模塊LUT容量有限，這里設置為10位，為了獲得較高的頻率分辨率，DDS模塊的頻率字設置為32位，也即相位累加器字長位32位，DDS將獲得f_clk/2³²。

要達到軟件無線電傳輸標準的調制器設計，能夠通過計算推算出頻率字的取值。設基帶碼元速率為1kHz，系統(tǒng)采樣頻率為32MHz，即對每個碼元采樣32k個點，要達到一個中頻載頻取中頻載頻為：f₁＝600k，f₂＝1M，取N＝2³²，根據(jù)式（5），可得其頻率控制字分別為：

Key1＝80530637；key2＝134217728；取幅度控制字key5＝128。對此系統(tǒng)進行仿真驗證。

5.     系統(tǒng)仿真及硬件實現(xiàn)。

按照圖3所示的調制器結構在Simulink中完成仿真系統(tǒng)的搭建，并對其進行系統(tǒng)級仿真，施加合適的激勵，添加合適的觀察區(qū)間，在模型窗口選擇“Simulink”菜單，再選Start項仿真。雙擊Scope模塊，分別得到FSK、PSK、ASK仿真波形，如圖3。

              
    通過Simulink系統(tǒng)級仿真后對模塊進行編譯，這在Simulink中自動完成后續(xù)的綜合，時序分析等操作。通過SignalComplier（如圖4）把Simulink的模塊文件（.mdl）轉換成通過的硬件描述語言VHDL文件，選定Cyclone系列芯片，并由Quartus II進行綜合、適配、時序分析，最終得到可供下載使用的.sof文件。
      

    打開Quartus II，進行Cyclone系列的EP1C6Q240C8芯片，進行重新編譯，仿真，下載到芯片在示波器中驗證了系統(tǒng)的調制功能。

6.       結論

該設計避免了編寫繁瑣的硬件描述程序，同時避免了向ROM中填寫大量的波形數(shù)據(jù)。充分利用了Matlab中Simulink的DSP Builder工具箱的圖形化界面建模、系統(tǒng)仿真功能，同時又區(qū)別與完全圖形化的方法。采用DDS技術，具有分辨率高、頻率變化快、頻率可控等優(yōu)點，很好的實現(xiàn)了調制功能。實驗證明，采用文中的方法設計的基于軟件無線電的調制器具有較好的功能，基本滿足一般應用的需求。而對于如何控制調制器的頻率是下一步研究的內容。

參考文獻

1.       劉芳，直接數(shù)字頻率合成器AD9852及應用[J]，國外電子元器件，2001（3）：40－43

2.       單亞嫻，王華，匡鏡明，一種基于軟件無線電的通用調制器的設計和實現(xiàn)[J]，電子技術應用，2004（2）：43－45

3.       Kuo-Huang Lin, Hsin-Sheng Lee, Implementation of Embedded Controller using SOPC Technology[J], Robotics, Automation and Mechatronics, Dec. 2006 page(s):1-6

4.       潘松，黃繼業(yè)，王國棟，現(xiàn)代DSP技術[M]，西安電子科技大學出版社，2003：57

5.       wellborn, M.L, Direct digital synthesis for software radios[J], Wireless Communications and Networking Conference, Sept. 1999 page(s):211-215

6.       Alekseev, E.A, Zakharenko, V.V, Direct digital synthesizer as a reference source of a millimeter-wave frequency synthesizer, Physics and Engineering of Microwaves, Millimeter, and Submillimeter Waves, June 2004 Page(s): 782 – 784

7.       潘松，黃繼業(yè)，曾旈，SOPC技術實用教程[M]，清華大學出版社，2005：P100

8.       Meyer U，Digital Signal Processing with FPGA[M]，TSINGHUA University Press, 2003：P44－46

9.       Altera corp. DSP Builder user guide，2003

10.   Altera corp. DSP Builder reference manual, 2004