基于軟件無線電思想的數(shù)字通信終端接口電路

1前言

軟件無線電（Software Radio）是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和高速數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展迅速而發(fā)展起來的。其基本思想是將寬帶A／D及D／A變換器盡可能地靠近天線，將電臺(tái)的各種功能用一個(gè)開放性、模塊化平臺(tái)上的軟件實(shí)現(xiàn)。軟件無線電的出現(xiàn)使得無線電技術(shù)由以硬件為主的時(shí)代走向了以軟件為主的時(shí)代。事實(shí)上，它是繼模擬通信技術(shù)、數(shù)字通信技術(shù)之后的第三代無線通信技術(shù)。

現(xiàn)代通信無論是有線還是無線，一般都采用集中交換方式在用戶間通過交換和傳輸來實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)或點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的通信，但在有些特殊環(huán)境下，分布式交換系統(tǒng)在安全和可靠性方面獨(dú)具魅力。本文論述的通信系統(tǒng)就是基于這種思想設(shè)計(jì)的。該數(shù)字通信系統(tǒng)在蜂窩移動(dòng)電話通信的基礎(chǔ)上將FDM／FDMA，TDMA、程控交換、信道掃描和分配等技術(shù)綜合為一體，因而是一種全新的有線通信產(chǎn)品。它不需要中央控制交換機(jī)，即可在同一對(duì)饋線上實(shí)現(xiàn)多對(duì)用戶的自動(dòng)交換和通話。所有用戶終端都是基于分布智能原理而實(shí)現(xiàn)的，即每一用戶都有通信接入／撤除的支配權(quán)。因而，該系統(tǒng)具有廣泛的應(yīng)用前景。圖1為該系統(tǒng)的基本網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖。

2通信終端的線路接口設(shè)計(jì)

2．1通信終端的基本功能介紹

通信終端是網(wǎng)絡(luò)上的主要設(shè)備，每一通信電話都有接入和拆除的主動(dòng)權(quán)。同時(shí)不影響其它設(shè)備的正常工作。通信終端可實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音、數(shù)據(jù)、傳真等多種業(yè)務(wù)接入。

通信終端的主要技術(shù)是軟件技術(shù)，即利用DSP和MPU等先進(jìn)技術(shù)，并通過軟件來實(shí)現(xiàn)盡可能多的硬件工作，從而使設(shè)備的可靠性和靈活性大大提高，其通信終端的基本功能框圖如圖2所示。其中的DSP模塊可實(shí)現(xiàn)信道掃描、自適應(yīng)均衡、調(diào)制解調(diào)、信道濾波、糾錯(cuò)和加密、數(shù)據(jù)適配和功率控制等功能。系統(tǒng)管理和控制MPU模塊則可用來實(shí)現(xiàn)信令管理、數(shù)據(jù)接口、系統(tǒng)狀態(tài)管理等功能。語(yǔ)音處理接口模塊的作用是進(jìn)行語(yǔ)音壓縮處理。數(shù)據(jù)接口模塊可實(shí)現(xiàn)與RS232接口的電平適配。系統(tǒng)中的供電系統(tǒng)包括DC／DC轉(zhuǎn)換和電壓監(jiān)視等。

由于本系統(tǒng)的通信信道是某特殊雙絞線，衰減率約20dB／km，因此，在信號(hào)傳輸10km以上時(shí)，會(huì)產(chǎn)生近100dB的衰減，因此，通信信道將變得非常惡劣。但它的信道幅頻特性衰減比較小，并主要分布在中頻。

上述的信道特點(diǎn)決定了該數(shù)字通信系統(tǒng)終端線路特殊的接口電路設(shè)計(jì)。 

2．2數(shù)字通信終端的線路接口

由于該數(shù)字通信系統(tǒng)終端采用的是實(shí)時(shí)全雙工通信，因此其接口電路必須具有收發(fā)兩個(gè)通道。另外，該通信系統(tǒng)采用的是共路信令，因此其信令信道和話音信道是分開的，它們之間存在一定的保護(hù)帶。所以，線路接口電路主要由信令的兩路收發(fā)通道和話音的兩路收發(fā)通道組成。圖3所示是該數(shù)字通信終端接口電路的功能框圖。圖中，從變壓器耦合電路進(jìn)來的信號(hào)經(jīng)L1→B＿BPF1→L5→ADC1和從插針電路進(jìn)來的信號(hào)經(jīng)DAC1→CS1→B＿BPF2→L3分別組成話音信道的收發(fā)通道；而從變壓器耦合電路進(jìn)來的信號(hào)經(jīng)L2→N＿BPF1→L6→ADC2和從插針電路進(jìn)來的信號(hào)經(jīng) DAC2→CS2→N＿BPF2→L4則分別組成了信令信道的收發(fā)通道。

3通信終端線路接口的實(shí)現(xiàn)

3．1寬帶帶通濾波電路

由于信道的衰減很大（20dB／km），因此在傳輸距離較長(zhǎng)（如達(dá)到 4km）時(shí)，信號(hào)在到達(dá)接收機(jī)輸入端時(shí)將有很大（80dB）的衰減，這樣，信號(hào)將被淹沒在噪聲中，故須用一個(gè)阻帶衰減至少為60dB的帶通濾波器來濾除帶外噪聲，以提高輸入信噪比（SNR），從而減小后面軟件處理（信道均衡、上下統(tǒng)采用的是共路分開的，因此，信鄰信道干擾），同擾，因此，必須分別用兩個(gè)不同帶寬的帶通濾波器將它們分別從信道中取出，這兩個(gè)濾波器的作用除了濾除帶外噪聲外，也可同時(shí)抑制相鄰信道信號(hào)的干擾，以提高各自的輸入信噪比（SINR）。此外，ADC對(duì)模擬信號(hào)的采樣將使信號(hào)的頻譜產(chǎn)生周期拓延，故須用帶通濾波器對(duì)話音和信令信號(hào)的頻譜加以限制以使拓延后的信號(hào)頻譜不會(huì)發(fā)生混疊，同時(shí)，濾波器也可起到防混疊的作用。

本系統(tǒng)所選用的通用濾波芯片LTC1562在一片芯片內(nèi)部集成了4個(gè)兩階濾波器，每個(gè)濾波器的中心頻率可調(diào)范圍為10kHz～150kHz。 LTC1562無需外部輸入時(shí)鐘，通過外接電阻和電容便可構(gòu)成低通（LOWPASS）、帶通（BANDPASS）和高通（HIGHPASS）濾波器，其中心頻率（f0）、品質(zhì)因素（Q）和增益（GAIN）可用電阻編程設(shè)置，該芯片既可采用單電源（＋5V）供電，也可用雙電源（±5V）供電。LTC1562以其上述特性完全可以在本系統(tǒng)中用來構(gòu)成窄帶帶通濾波器（帶寬為幾kHz）和寬帶帶通濾波器的高通濾波部分，圖4為寬帶帶通濾波器的實(shí)際電路。

低通濾波芯片LTC1569－7可工作在＋5V單電源條件下，其截止頻率可達(dá)300kHz，并可通過一個(gè)外接電阻改變?yōu)V波器的截止頻率。該芯片內(nèi)部集成了一個(gè)10階的線性相位濾波器。由于截止頻率在200kHz以上時(shí)，利用LTC1569－7構(gòu)成低通濾波器具有比通用濾波器LTC1562 更好的特性，因此，本設(shè)計(jì)選用它作為低通濾波器。

3．2 ADC的電路

雖然話音信號(hào)的帶寬是位于中頻部分（20kHz～200kHz），相對(duì)較寬（200kHz），但其中夾雜著大量的帶內(nèi)噪聲，因此必須使用一個(gè)高速ADC（根據(jù)那奎斯特第一采樣定理，該ADC的采樣速率必須達(dá)到500ksps，同時(shí)為了提供一定的冗余量，本系統(tǒng)選取的ADC芯片的最高輸出采樣速率也應(yīng)達(dá)到1．2Msps）來將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。另外，片內(nèi)采用Σ－Δ調(diào)制的ADC也能對(duì)帶內(nèi)噪聲起到良好的抑制作用，這種擬制主要通過對(duì)帶內(nèi)噪聲整形及片內(nèi)濾波器來實(shí)現(xiàn)，所以，高速采樣Σ－Δ調(diào)制ADC是本系統(tǒng)的首選。

系統(tǒng)中的高速ADC可選擇分辨率為16位的Σ－ΔADC芯片AD7723。該器件的過采樣率有32／16×Fs可供選擇（本系統(tǒng)采用32×Fs的過采樣率）。它采用單＋5V電源，片內(nèi)參考為2．5V；并具有并行輸出和串行輸出兩種方式，在輸出字速率達(dá)1．2MHz的情況下，其輸入信號(hào)的帶寬可達(dá) 460kHz，同時(shí)能向DSP（TMS320VC5410）的McBSP提供時(shí)鐘信號(hào)、幀同步信號(hào)和數(shù)據(jù)流信號(hào)，因此，該高速ADC能夠和DSP組成高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。圖5是其電路連接圖。

3．3 DAC電路

高速DAC可選用分辨率為12位的LTC7543，該芯片的信號(hào)轉(zhuǎn)換穩(wěn)定時(shí)間（settling time）典型值為0．25μs，最大值為1μs。LTC7543采用＋5V單電源供電并具有和DSP（TMS320VC5410）的McBSP相兼容的時(shí)鐘信號(hào)、幀同步信號(hào)和數(shù)據(jù)流信號(hào)輸入引腳，輸出信號(hào)可采用雙極性輸出，也可以采用單極性輸出（本系統(tǒng)采用前者）。LTC7543的外圍電路比較簡(jiǎn)單，圖 6是其電路連接圖，它由兩個(gè)寬帶運(yùn)放，一個(gè)外部參考電壓，一個(gè)電源濾波電容，一個(gè)輸出濾波電容和若干電阻組成。 　　

3．4晶振電路

晶振電路選用的主要器件如圖7所示，該電路包括32MHz的有源晶體振蕩器、74HC393二進(jìn)制分頻器和74HC08邏輯與門。其中 74HC393用來產(chǎn)生高速ADC的時(shí)鐘輸入信號(hào)和幀同步信號(hào)；74HC08用來調(diào)整幀同步信號(hào)的脈寬，以使其與時(shí)鐘信號(hào)的脈寬大小一致。

4結(jié)束語(yǔ)

以上所選的主要器件組成的電路均已做成PCB（印刷電路板），并通過信號(hào)測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明：窄帶帶通濾波器（N＿BPF1、N＿BPF2）的阻帶衰減為 40dB；寬帶帶通濾波器（B＿BPF1、B＿BPF2）的阻帶衰減為60dB；同時(shí)通過高速ADC完全可以實(shí)現(xiàn)對(duì)500kHz模擬信號(hào)的采樣、量化和編碼。