中頻數(shù)字化接收機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

軟件無(wú)線電是一種基于寬帶A/D器件、高速DSP芯片，以軟件為核心（Software-Oriented）的嶄新的體系結(jié)構(gòu)。其基本思想就是將寬帶A/D 盡可能地靠近射頻天線以便將接收到的模擬信號(hào)盡可能早地數(shù)字化，盡量通過(guò)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)電臺(tái)的各種功能。通過(guò)運(yùn)行不同的算法，軟件無(wú)線電可以實(shí)時(shí)地配置信號(hào)波形，使它能夠提供各種話音編碼、信道調(diào)制、加密算法等無(wú)線電通信業(yè)務(wù)。我們知道信號(hào)失真是長(zhǎng)期困擾模擬處理的難題，如本振頻率漂移、相位噪聲、混頻產(chǎn)生的虛假信號(hào)、放大時(shí)產(chǎn)生的諧波以及互調(diào)、機(jī)內(nèi)噪聲等問(wèn)題。盡管設(shè)計(jì)人員想方設(shè)法，但結(jié)果并不能令人滿意，而軟件無(wú)線電技術(shù)簡(jiǎn)單有效地解決了這些問(wèn)題。在數(shù)字化之后，本振、混頻、放大、濾波都僅僅是數(shù)字運(yùn)算，不會(huì)產(chǎn)生諧波、互調(diào)等虛假信號(hào)。與傳統(tǒng)的模擬方式相比，軟件無(wú)線電具有靈活性、適應(yīng)性和開(kāi)放性等特點(diǎn)，被譽(yù)為無(wú)線電領(lǐng)域的又一次革命。

1 接收機(jī)總體設(shè)計(jì)

由于受器件水平的制約，直接對(duì)射頻采樣處理還有一定難度。在保留軟件無(wú)線電通用、靈活、開(kāi)放的前提下，采用了中頻數(shù)化方案[1]，整個(gè)接收機(jī)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

該接收機(jī)接收信號(hào)頻率范圍：10～100MHz，為防止頻譜混疊，前端電調(diào)諧濾波器分8段濾波器，由8031控制選用。第一本振LO1采用數(shù)字鎖相環(huán)產(chǎn)生所需頻率，通過(guò)預(yù)置，可產(chǎn)生正弦信號(hào)頻率范圍：1360～2350MHz，步進(jìn)值10Hz，電調(diào)諧濾波器與一本振互動(dòng)聯(lián)調(diào)?；祛l后，將信號(hào)通過(guò)一中心頻率為 1350MHz的帶通濾波器后，進(jìn)行二次混頻。第二本振LO2產(chǎn)生信號(hào)的頻率固定設(shè)置為：1371.4MHz，因此中頻信號(hào)為：21.4MHz，通過(guò) AGC控制輸出信號(hào)強(qiáng)度范圍為：-50～-10dBm/50Ω。

2 中頻數(shù)字化單元設(shè)計(jì)

該單元是接收機(jī)的核心部件，主要完成幾種信號(hào)（AM、FM、SSB、CW、FSK、BPSK，QPSK）的解調(diào)工作，同時(shí)負(fù)責(zé)對(duì)模擬前端提供AGC控制用電平強(qiáng)度值和AFC控制用載波頻率誤差值。8031主控電路板則要為中頻數(shù)字化值單元提供：信號(hào)類型、中頻帶寬、AGC時(shí)間常數(shù)、BFO值、PSK信號(hào)波特率等控制命令。中頻數(shù)字化處理單元硬件系統(tǒng)大體構(gòu)成如圖2所示[1]。

2.1 數(shù)據(jù)采集部分

    該部分電路主要由數(shù)控放大器和模/數(shù)轉(zhuǎn)換器AD6640構(gòu)成，負(fù)責(zé)完成數(shù)據(jù)采集工作。固定增益放大器（18dB）的中頻輸入信號(hào)為：21.4MHz，-50～-10dBm/50Ω(0.7mV～70mV)，輸出為-38dBm～+2dBm/50Ω(2.8mV～0.4V)。 AD6640是AD公司生產(chǎn)的新一代模數(shù)轉(zhuǎn)換器件，分辨率12bit，輸入動(dòng)態(tài)范圍±1V，采樣速度可達(dá)65Msps，在5V供是時(shí)功耗僅為710mW。注意A/D前采用固定增益放大電路，并不影響對(duì)模擬接收機(jī)的AGC輸出。因該放大電路的增益是已知的，檢測(cè)出信號(hào)電平后可以倒推出放大前的電平變化情況。至于采樣速率的確定，此處既可以采用過(guò)采樣又可以采用欠采樣技術(shù)。所謂欠采樣技術(shù)就是對(duì)于帶通信號(hào)（頻率范圍：fL<f<fH）而言，抽樣頻率只要滿足：

2fH/K≤fs≤(2fL)/(K-1)

K 為整數(shù)且2≤K≤fH/(fH-fL),fH-fL≤fL）就可保證采樣后的頻譜不產(chǎn)生折疊。這對(duì)于減小運(yùn)算量是很有好處的，但對(duì)接收機(jī)抗混疊濾波器要求較高?？紤]到HSP50214B處理速率高速65MSPS，可以采用過(guò)采樣技術(shù)。根據(jù)理論上的ADC的信噪比計(jì)算公司：SNR=6.02M+1.7dB+ 10log10(fs/2fb)可知：抽樣速率每增加一倍，信噪比大約可提高3dB。因此，在速率允許的情況下，我們?nèi)詻Q定采用過(guò)采樣技術(shù)，采樣頻率 50MHz。

2.2 數(shù)字下變頻單元

HSP50210是Harris公司生產(chǎn)的數(shù)字科斯塔司環(huán)專用電路，其功能也很強(qiáng)大。時(shí)鐘處理速率高達(dá)52MHz，內(nèi)部具有以下功能模塊[4]（見(jiàn)圖4）：（1）可選升余弦匹配濾波器/積分和去除濾波器（I/D濾波器）；（2）二階載波和碼元跟蹤濾波器；（3）自動(dòng)增益控制電路；（4）鑒頻器；（5）鎖定檢測(cè)器；（6）數(shù)據(jù)質(zhì)量和信號(hào)電平檢測(cè)電路；（7）直角坐標(biāo)向極坐標(biāo)轉(zhuǎn)化電路；（8）8-Bits微機(jī)控制接口。

主要用 HSP50210來(lái)提取相干載波、碼元同步信號(hào)和載波跟蹤情況指標(biāo)。其內(nèi)部的AGC環(huán)路、內(nèi)部NCO載波跟蹤、混頻電路及RRC濾波器等均旁路不用。由于 HSP50210需要HSP50214B提供兩路正交數(shù)據(jù)，而其每一路數(shù)據(jù)長(zhǎng)度只有10bits，因此要注意數(shù)據(jù)匹配問(wèn)題。注意：載波跟蹤誤差COF利用同步信號(hào)COFSYNC串行送給214B的NCO，碼元跟蹤誤差SOF利用同步信號(hào)SOFSYNC串行送給214B的重采樣NCO，所以214B和210 必須采用統(tǒng)一時(shí)鐘才能保證同步傳送數(shù)據(jù)不出問(wèn)題。

2.3 DSP單元

DSP 單元采用美國(guó)TI公司生產(chǎn)的TMS320C542專用數(shù)字信號(hào)處理芯片和外部程序擴(kuò)展存儲(chǔ)器以及數(shù)據(jù)擴(kuò)展存儲(chǔ)器組成。C542定點(diǎn)DSP芯片，處理速度最高可達(dá)40MIPS，可以滿足實(shí)時(shí)處理要求。主要完成工作：接收8031送過(guò)來(lái)的命令，根據(jù)命令完成對(duì)HSP50214B和HSP50210的初始化設(shè)置工作。當(dāng)FIFO半滿時(shí)申請(qǐng)DSP的/INT1中斷，DSP響應(yīng)中斷讀入1024個(gè)數(shù)據(jù)，做必要的處理后根據(jù)信號(hào)類型送出。程序定期查詢8031有無(wú)新命令送過(guò)來(lái)，如有則根據(jù)新命令重新設(shè)置214B和210的相關(guān)參數(shù)，否則繼續(xù)執(zhí)行原來(lái)的接收程序。根據(jù)AGC時(shí)間常數(shù)，從214B讀取電平檢測(cè)值和頻率偏移送8031，作為模擬部分的調(diào)整依據(jù)。

TMS320C54x 只有高速同步串行通信接口，無(wú)法直接與8031進(jìn)行異步通信。采用軟件模擬UART方式較好地解決了這個(gè)問(wèn)題[2]。該方法無(wú)需額外硬件開(kāi)銷，僅僅需要兩個(gè)通用I/O腳（BIO和XF）、外部中斷INT0以及一個(gè)定時(shí)器就可實(shí)現(xiàn)，硬件連接非常簡(jiǎn)單（見(jiàn)圖5）。

圖5中，XF腳用于發(fā)送數(shù)據(jù)，BIO腳和INT0腳用于接收數(shù)據(jù)。此方法可以模擬半雙工通信與全雙工通信。軟件模擬UART技術(shù)允許用戶設(shè)置。

2.4 控制單元

控制單元主要包括：地址譯碼電路和與主控電路板上的8031單片機(jī)通信控制接口。譯碼電路采用EPLD（EPM7128SQC-7）實(shí)現(xiàn)，以保護(hù)電路的靈活性。與8031通信采用串口通信方式，優(yōu)點(diǎn)是接口簡(jiǎn)單，調(diào)試方便，傳輸速率（采用RS-232C接口串行總線標(biāo)準(zhǔn)）20kb/s。

2.5 輸出單元

輸出單元主要包括模擬信號(hào)輸出和數(shù)字信號(hào)輸出兩部分。模擬輸出電路主要負(fù)責(zé)AM、SSB、FM、FSK信號(hào)的輸出。數(shù)字輸出端口負(fù)責(zé)輸出B/QPSK信號(hào)（I，Q兩路數(shù)據(jù)和同步時(shí)鐘）。

由于該接收機(jī)從頻21.4MHz后采用了全數(shù)字設(shè)計(jì)，在模擬前端采用了電調(diào)諧預(yù)選濾波器與一本振之間的互動(dòng)聯(lián)調(diào)（二者可通過(guò)8031設(shè)置），因而具有極大的靈活性。通過(guò)加載不同軟件，對(duì)模擬部分進(jìn)行相應(yīng)控制，本接收機(jī)可在10～1000MHz的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)AM、FM、SSB、CW、FSK、BPSK、 QPSK的解調(diào)。實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明：接收效果良好，控制靈活，適應(yīng)范圍廣，具有較好的開(kāi)放性。