基于AD6620和TMS320C6x的軟件無線電接收子系統(tǒng)

軟件無線電以其極強(qiáng)的靈活性和開放性代表著無線通信系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。其思想是以一個(gè)通用、標(biāo)準(zhǔn)、模塊化的硬件平臺(tái)為依托，通過軟件編程實(shí)現(xiàn)無線通信系統(tǒng)的各種功能。

　　軟件無線電提倡功能軟件化，要求減少模擬環(huán)節(jié)。對接收機(jī)而言，則要求模/數(shù)轉(zhuǎn)換器盡可能靠近天線。在現(xiàn)階段，由于各種關(guān)鍵器件發(fā)展水平的限制，高頻信號(hào)的直接數(shù)字化及其數(shù)據(jù)處理在成本上還不合算，因此數(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經(jīng)濟(jì)、適用的選擇。本數(shù)字中頻接收子系統(tǒng)是基于數(shù)字下變頻器DDCAD6620和數(shù)字信號(hào)處理器DSPTMS320C6701構(gòu)建的。

1 總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)組成與信號(hào)處理流程

　　系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。單片機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)字下變頻器的引導(dǎo)和初始化;高速ADC根據(jù)頻率源Encode輸入的時(shí)鐘信號(hào)對輸入信號(hào)進(jìn)行過采樣，并通過并行數(shù)據(jù)線向數(shù)字下變頻器輸出采樣結(jié)果;數(shù)字下變頻器根據(jù)單片機(jī)輸入的數(shù)據(jù)設(shè)定數(shù)控振蕩器NCO頻率值、抽樣率以及數(shù)字濾波器系數(shù)，據(jù)此對采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行下變頻、降低數(shù)據(jù)率和低通濾波處理，并通過串口將數(shù)據(jù)提供給DSP進(jìn)行處理。

下面以一個(gè)實(shí)例說明信號(hào)處理流程。假設(shè)輸入的中頻信號(hào)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(shè)采樣頻率為fs，則要求:

其中，n的取值應(yīng)滿足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(hào)頻譜，(b)表示以40.53kHz的采樣頻率采樣后的信號(hào)頻譜。對于處理信號(hào)而言，由于實(shí)際的20kHz帶外還存在遞減的干擾信號(hào)，倘若以40.53kHz采樣率進(jìn)行采樣，就會(huì)出現(xiàn)較強(qiáng)的頻譜混疊。

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

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

1.2 硬件電路設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)如圖3所示。

 數(shù)/模轉(zhuǎn)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(hào)的能力。系統(tǒng)中Main Input向數(shù)/模轉(zhuǎn)換器AD6600輸入中頻模擬信號(hào)，Encode給AD6600提供20MSPS的采樣時(shí)鐘。AD6600采樣后的結(jié)果通過并行數(shù)據(jù)線輸出給數(shù)字下變頻器，并行數(shù)據(jù)線包括11位數(shù)據(jù)線和3位RSSI信號(hào)線(指數(shù)位)。

　　數(shù)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(hào)是通過CLK由AD6600提供的。AD6600和AD6620都有兩個(gè)數(shù)據(jù)通路A和B，具有同時(shí)處理兩路信號(hào)的能力，它們通過A/B選擇線協(xié)調(diào)相互間的工作模式。當(dāng)AD6600只有一路信號(hào)需處理時(shí)，A/B選擇線還可以用作輸出數(shù)據(jù)的同步信號(hào)線。本例中僅有一路信號(hào)需要處理，所以只占用AD6600和AD6620的一個(gè)信號(hào)處理通路。由于AD6620的時(shí)鐘信號(hào)CLK由AD6600直接提供，CLK同時(shí)起到了同步的作用，因此無需A/B用作同步信號(hào)線。在本系統(tǒng)中，本可將A/B拉高(當(dāng)AD6600選擇A通路時(shí))或接地(當(dāng)AD6600的選擇B通路時(shí))。但考慮到系統(tǒng)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(jī)8031通過P1、P2口對AD6620的并行設(shè)置端口microport 進(jìn)行設(shè)置。AD6620通過串口SDO向DSP輸出處理后的數(shù)據(jù)。由圖3可見，AD6620的SDM接地，此時(shí)同步信號(hào)SCLK是由DSP傳給AD6620的。在這種情況下，用DVout來提示當(dāng)前信號(hào)有效。SDFS表示數(shù)據(jù)幀的開始，在從模式下，該信號(hào)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(hào)通知DSP當(dāng)前數(shù)據(jù)有效，然后DSP發(fā)回一個(gè)確認(rèn)信號(hào)SDFS，表示一幀信號(hào)的開始。AD6620檢測到SDFS為高電平后，在下一個(gè)時(shí)鐘周期的上升沿開始輸出信號(hào)。

DSP采用TI公司的TMS320C6701[3]。TMS320C6701包含8個(gè)并行的處理單元，采用甚長指令字(VLIW)結(jié)構(gòu)，芯片最高時(shí)鐘頻率可達(dá)300MHz，最大處理能力可達(dá)2400MIPS。在本系統(tǒng)中，TMS320C6701的中斷源INT4檢測到中斷信號(hào)以后，就會(huì)做好接收數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備，由FSR發(fā)出數(shù)據(jù)幀的幀同步信號(hào)，并由SCLK給出同步時(shí)鐘，從DR輸入信號(hào)。TMS320C6701對輸入數(shù)據(jù)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)太長而不能放到一個(gè)取指包內(nèi)，則加上一條跳轉(zhuǎn)指令跳轉(zhuǎn)到別的位置。

2 關(guān)鍵技術(shù)

　　AD6620內(nèi)含四個(gè)信號(hào)處理單元:一個(gè)頻率轉(zhuǎn)換器、兩個(gè)固定系數(shù)抽樣濾波器CIC2、CIC5(抽樣率可選)和一個(gè)可編系數(shù)抽樣濾波器。通過對AD6620這四個(gè)信號(hào)處理單元參數(shù)的不同設(shè)置，能使系統(tǒng)以同一套硬件實(shí)現(xiàn)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(tǒng)中的作用是把數(shù)據(jù)率降至20kBPS，把456kHz中頻信號(hào)變成零頻信號(hào)，并對信號(hào)進(jìn)行低通濾波處理。下面對實(shí)例中AD6620的重要參數(shù)設(shè)置進(jìn)行討論。

2.1 振蕩器頻率值的設(shè)定

　　AD6620中的頻率轉(zhuǎn)換器接收初始化時(shí)寫入的信號(hào)頻率值，并據(jù)此對輸入信號(hào)進(jìn)行下變頻。實(shí)例中輸入信號(hào)的中心頻率fCH為456kHz，采樣頻率fSAMP為20MHz。寫入AD6620的頻率值是一個(gè)32位的無符號(hào)整型數(shù)，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(shù)據(jù)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(shè)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(shè)為1、2...32中的任何一個(gè)，可編系數(shù)抽樣濾波器RCF的抽樣因子M_RCF可以設(shè)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(shù)的設(shè)計(jì)

　　經(jīng)過前面梳狀濾波器的處理，在一定程度上抑制了干擾信號(hào)，但對于有更高通道要求的應(yīng)用還不夠理想。AD6620內(nèi)部的系數(shù)可編程濾波器FIR可用來解決這一問題。

　　FIR濾波器設(shè)計(jì)的目標(biāo)是:盡可能讓10kHz的低通目標(biāo)信號(hào)通過，并抑制帶外干擾信號(hào)。從濾波器幅頻特性曲線的角度來說，要求通帶波動(dòng)盡可能小;通帶寬度盡可能與信號(hào)帶寬10kHz相等，過渡帶盡可能銳利;阻帶衰減盡可能大。通常FIR濾波器的階數(shù)越高，幅頻特性越好。AD6620提供的FIR最高可達(dá)255階，具體選擇多少要根據(jù)具體情況討論決定。

　　實(shí)例中使用窗函數(shù)設(shè)計(jì)法[4](或稱傅立葉級(jí)數(shù)法)確定數(shù)字濾波器系數(shù)，即由理想的濾波器頻率響應(yīng)H_d(ω)經(jīng)傅立葉反變換導(dǎo)出h_d(n)，然后用一個(gè)有限長度窗函數(shù)序列w(n)截取。

　　由于輸入給可編系數(shù)濾波器的數(shù)據(jù)經(jīng)過了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(shù)據(jù)的采樣頻率f_S為:

因?yàn)榻刂诡l率為10kHz，所以數(shù)字域截止頻率ω_C為:

這表明在通帶|ω|≤ω_c范圍內(nèi)，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)，按照線性相位濾波器的約束，h(n)必須為偶對稱，對稱中心長度應(yīng)為長度的一半(N-1)/2，且α=(N-1)/2。取N=255，則α=127。則濾波器的系數(shù)為:

本文介紹的基于AD6620和TMS320C6701的數(shù)字中頻軟件無線電接收子系統(tǒng)，作為中頻軟件無線電平臺(tái)，適合于大部分通信和雷達(dá)的窄帶處理。