短波軟件無線電通信系統(tǒng)中的DSP技術(shù)

軟件無線電的基本思想是以一個(gè)通用、標(biāo)準(zhǔn)、模塊化的硬件平臺(tái)為依托，用軟件編程來實(shí)現(xiàn)無線電通信系統(tǒng)的各種功能，從基于硬件、面向用途的通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法中解放出來。軟件無線電主要由天線、射頻前端、寬帶A／D-D／A轉(zhuǎn)換器、數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）及各種軟件組成。DSP是軟件無線電的核心，他要完成全部基帶處理功能。?
    隨著無線通信頻段的升高，由于受硬件器件的制約，在實(shí)現(xiàn)理想軟件無線電過程中，有兩種演進(jìn)結(jié)構(gòu)即中頻數(shù)字化軟件無線電結(jié)構(gòu)和基帶數(shù)字化軟件無線電結(jié)構(gòu)。本文詳細(xì)討論一種采用中頻數(shù)字化軟件無線電結(jié)構(gòu)的實(shí)用短波軟件無線電接收機(jī)中的數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)。?
1  短波軟件無線電接收機(jī)的硬件組成?
    短波軟件無線電接收機(jī)的硬件組成如圖1所示。?

    圖中射頻轉(zhuǎn)換模塊（RF）包括2個(gè)混頻器和相應(yīng)的模擬濾波器，以產(chǎn)生合適的中頻寬帶信號(hào)；模／數(shù)轉(zhuǎn)換部分，采用了二中頻并行A／D轉(zhuǎn)換方案，所選芯片為AD9240；數(shù)字信號(hào)處理模塊中的數(shù)字下變頻部分，其完成的功能主要有：下變頻、濾除帶外噪聲、降低采樣率等。主要指標(biāo)有動(dòng)態(tài)范圍、抽取濾波器的性能、頻率分辨率和輸出信號(hào)的精度等。所選芯片為Harris公司生產(chǎn)的HSP50016； 數(shù)字信號(hào)處理模塊中的數(shù)字信號(hào)處理部分，主要完成信息解調(diào)、控制射頻前端和接收面板CPU的控制信號(hào)等任務(wù)。我們要求該部分的微處理器芯片速度快、精度高及具有較多便捷的信息傳輸通路和通信端口。所選芯片為TI公司生產(chǎn)的TMS320C31。信號(hào)接收過程為：天線接收到的高頻信號(hào)(15 kHz~30 MHz)以后，與可調(diào)本地振蕩器(LO1頻率為：62.5~92.5 MHz)相混頻，得到期望的第一中頻信號(hào)(62.5 MHz)，再與本地固定振蕩器(LO2頻率為：62.5 MHz) 混頻產(chǎn)生第二中頻信號(hào)(2.5 MHz)。然后對(duì)此中頻信號(hào)用10 MHz的采樣率進(jìn)行A／D并行采樣，采樣后的數(shù)字信號(hào)處理采用專門數(shù)字處理器件HSP50016和通用DSP芯片（TMS320C31）聯(lián)合處理方式，在數(shù)字信號(hào)處理模塊，先采用數(shù)字下變頻器HSP50016對(duì)該數(shù)字信號(hào)進(jìn)行下變頻、抽取，得到正交的2路I，Q號(hào)，然后再根據(jù)面板發(fā)出的解調(diào)方式來對(duì)信號(hào)進(jìn)行解調(diào)及信號(hào)分析等。解調(diào)后把信號(hào)送往D／A口，對(duì)FSK調(diào)制方式來說，解調(diào)后信號(hào)直接送出數(shù)據(jù)(DATA)。?
2  短波軟件無線電接收機(jī)中的數(shù)字信號(hào)處理?
2.1  數(shù)據(jù)流的輸入?
    參見圖1，在中頻2.5 MHz上以10 MHz的采樣率f_s完成量化后，其14位的并行數(shù)據(jù)進(jìn)入數(shù)字下變頻器HSP50016，HSP50016把f_s=10 MHz的14位并行數(shù)據(jù)變?yōu)?4位的f_s=39062.5 Hz的行數(shù)據(jù)送到DSP的串行口。在DSP里，通過串口中斷接收這些數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)輸出時(shí)，DSP將處理后的上、下邊帶信號(hào)以f_s=39062.5 Hz采樣率分別送往各自的D／A。?
    HSP50016輸出數(shù)據(jù)的格式為先I后Q，循環(huán)如此，每對(duì)數(shù)據(jù)的發(fā)送率是39.0625 kHz(T=25.6 s)。UDSP是通過串口中斷取得這些數(shù)據(jù)的。這就產(chǎn)生一個(gè)問題：UDSP怎么知道當(dāng)前取到的數(shù)據(jù)是I還是Q呢??
    通過對(duì)HSP50016的分析，我們知道，I，Q信號(hào)并非各占T／2。HSP50016發(fā)送I或Q所需時(shí)間是由串口時(shí)鐘及數(shù)據(jù)長度決定的。我們定義HSP50016的串口時(shí)鐘為5 MHz(不能定義為2.5 MHz，因?yàn)樾盘?hào)的中心頻率為2.5 MHz ，而串口時(shí)鐘的幅度較大，這樣會(huì)有一部分時(shí)鐘信號(hào)滲漏到信號(hào)中，從而使解調(diào)的質(zhì)量大大下降。)，數(shù)據(jù)長度為24位，加上起始及停止位，共26位。?
    這樣發(fā)送I所需時(shí)間為：

    HSP50016發(fā)送I，Q數(shù)據(jù)與C31中斷及定時(shí)器計(jì)數(shù)值之間的時(shí)序關(guān)系如圖2所示。?

    圖2(a)是HSP50016發(fā)送I，Q數(shù)據(jù)的順序及時(shí)寬。?
    圖2(b)是HSP50016發(fā)送I，Q數(shù)據(jù)的具體過程。?
    圖2(c)是DSP串口的接收過程及串口中斷的發(fā)出時(shí)機(jī)。?
    圖2(d)表示DSP響應(yīng)串口中斷的過程及在I，Q中斷期間定時(shí)器的記數(shù)情況。?
    根據(jù)式(1)及圖2所表示的邏輯關(guān)系，我們只要在程序中設(shè)置一個(gè)定時(shí)器即可區(qū)分出I或Q信號(hào)。設(shè)定時(shí)器采用C31內(nèi)部時(shí)鐘(C31的工作頻率為60 MHz)，即計(jì)數(shù)頻率為15 MHz，則發(fā)送I時(shí)可計(jì)數(shù)：?
    5.2×15=78個(gè)   (2)?
    而發(fā)送Q可計(jì)數(shù)：?
    20.4×15=306個(gè)   (3)?
    由式(2)、式(3)可得，當(dāng)計(jì)數(shù)值＞200時(shí)，此時(shí)發(fā)送的數(shù)據(jù)為I(實(shí)際值應(yīng)該在306左右)；反之則為Q。?
[!--empirenews.page--]2.2  數(shù)據(jù)的處理與輸出?
    由前面的分析可得，每一對(duì)I，Q數(shù)據(jù)的采樣間隔為25.6 μs。其中I中斷占時(shí)5.2μs，Q中斷占時(shí)20.4 μs。而對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理時(shí)，必須等Q到來之后才能進(jìn)行處理。所以對(duì)信號(hào)的解調(diào)處理放在Q中斷內(nèi)進(jìn)行。而在I中斷內(nèi)，進(jìn)行自動(dòng)增益控制（AGC）等運(yùn)算。?
    中斷處理流程如圖3所示。?

    定時(shí)器Timer0用于I，Q判斷。?
    IorQJudgeFlag用于表明第1次進(jìn)中斷的I，Q判斷無效。?
2.3  上邊帶信號(hào)處理UDSP主程序結(jié)構(gòu)?
    由圖1可見，DSP收到數(shù)據(jù)后，首先進(jìn)行射頻衰減的補(bǔ)償，然后，一路進(jìn)行解調(diào)等處理，最后經(jīng)過AGC放大后輸出；另一路則用于面板電平的指示。DSP根據(jù)檢測(cè)電路的過載線和撤線的狀態(tài)進(jìn)行衰減控制。上邊帶DSP(UDSP)的主程序流程圖如圖4所示，主程序工作在查詢狀態(tài)。?

    說明：?
    XF0是UDSP的輸入線，UDSP查詢此線以獲知控制面板是否向其發(fā)出了新的信息。?
    Read－DuRam1是UDSP讀取面板CPU發(fā)送信息并進(jìn)行處理的子程序。若是改變BFO頻率或改變AGC起控門限等一般信息，則做相應(yīng)修改即可；但若改換了工作方式，則需關(guān)閉中斷，并通知Manage以調(diào)入相應(yīng)的處理程序及濾波器系數(shù)等。?
    LSB－Write－Flag是向下邊帶DSP(LDSP)寫入的標(biāo)志。當(dāng)AGC起控門限改變時(shí)，此標(biāo)志會(huì)置1。主程序查詢到此標(biāo)志為1，會(huì)調(diào)用Write－Duram2子程序，以向LDSP寫入信息。?
    Write－Duram2是向LDSP相應(yīng)口寫入控制信息的子程序。?
    Manage是工作方式改變時(shí)，裝載新的處理程序及濾波器系數(shù)的子程序。?
    AttenuNum是一個(gè)循環(huán)記數(shù)值，SendLevelCode是向CPU發(fā)送當(dāng)前信號(hào)強(qiáng)度的子程序。?
    FloatDiv是求自動(dòng)增益控制中AGC內(nèi)電平值A(chǔ)GC－Clamp倒數(shù)的浮點(diǎn)數(shù)除法子程序。?
    TMS320C31實(shí)現(xiàn)UDSP主程序清單如下：?

3  結(jié)語?

    介紹的短波軟件無線電接收機(jī)，采用中頻數(shù)字化軟件無線電結(jié)構(gòu)，他是軟件無線電產(chǎn)品的雛形。本設(shè)計(jì)方案，在實(shí)際應(yīng)用中，取得了良好的效果。