一种宽带中频数字化处理平台

　　摘 要:为解决软件无线电领域无法实时处理宽带中频信号的问题,研究了软件无线电中频数字化处理技术的基础理论和关键技术。设计实现了基于CPCI架构的中频数字化处理平台,介绍该平台的设计原理,并给出平台所用器件的原理框图。借助摩托罗拉超短波电台调制信号,通过该平台上实现的数字下变频和基于正交解调的FM算法对该信号的成功处理,验证了该设计平台能够实时处理宽带中频信号。
　　关键词:软件无线电;中频数字化;数字下变频;正交解调
　　中图分类号:TP274 文献标识码:A
　　文章编号:1004-373X(2010)03-013-04
　　
　　A Wide Band IF Digital Platform
　　PENG Bo
　　(No.30 Institute,China Electronic Technology Croup Corporation,Chengdu,610041,China)
　　Abstract:In order to solve the problems that the wide band intermediate frequency signal can′t be processed in the field of software radio timely,several key technologies and basic theories in the field of software radio focused on digital intermediate frequency technology are studied and discussed.An intermediate frequency digital processing platform built on CPCI architecture is designed and realized,the theory of the platform and the principle scheme are presented.With the signal of Motorola RF radio,the platform is validated by digital down frequency conversion and orthogonal FM demodulation on the actual signal.
　　Keywords:software radio;digital intermediate frequency;digital down frequency conversion;orthogonal demodulation
　　收稿日期:2009-08-11
　　
　　0 引 言
　　
　　自20 世纪90年代以来,无线通信在全球范围内取得了突飞猛进的发展。软件无线电(Software Radio)是以开放体系结构为基础,在硬件平台上应用软件工程技术来实现各种无线通信方式的系统,受到人们的青睐。有关军事技术于1992年被首次提出,美国国防远景规划局的易通话第一期发起者于1995年对软件无线电的军事应用进行了更全面的介绍[1]。
　　在欧洲的先进通信技术与业务计划中,有三项计划是将软件无线电技术应用在第三代移动通信系统中的:FIRST(灵活的综合无线电系统和技术)计划将软件无线电技术应用到设计多频/多模可编程手机;FRAMES(未来的无线宽带多址系统)计划中方法之一是采用软件无线电技术; SORT(软件无线电技术)计划是演示灵活的有效的软件可编程电台,并符合UMTS的标准[2] 。国外通信界对软件无线电概念的提出, 引起了国内同行的高度重视,1996年软件无线电技术被列入国家“863”计划通信主题的研究项目,1999年被列为国家自然科学基金的重点资助项目[3]。软件无线电已成为当前新一代无线通信系统的发展潮流。
　　
　　1 软件无线电的结构
　　
　　1.1 理想的软件无线电结构
　　理想的软件无线电是一种纯软件和数字化的模式。它是在一个通用的硬件平台上通过标准的空间接口加载不同的软件来实现多种通信制式,其理想的结构框图如图1所示。它包括宽带、多波段的智能天线;宽带高精度的A/D,D/A转换器,以及高速可编程的硬件平台[4]。
　　图1 理想软件无线电结构
　　1.2 可实现的软件无线电结构
　　当前由于微电子等方面的发展限制,理想的软件无线电是无法完全实现的。这样就存在一种可实现的软件无线电结构,它可以通过软件设置为多种无线电系统,能够提供实时的操作和灵活的配置。这种可实现的软件无线电包括四个部分,如图2所示[5]。
　　图2 可实现的软件无线电结构
　　这种结构遵循了一个趋势,就是模拟部分和数字部分的接口向天线靠近。这种结构与传统的无线电相比较,优点在于整个系统的可编程性。目前的宽带中频带通采样软件无线电结构就是这样的实现方式,采用了多次混频的超外差体制,其特点是中频带宽更宽,所有的调制解调编解码等功能全部由软件实现。因此,中频数字化处理平台处理速度要求高是实现软件无线电的关键技术[6]。软件无线电的硬件具有开放性,其硬件必将采用总线式的结构[7]。工业控制总线的标准很多,例如ISA,PCI,EISA,VESA,VME,CPCI等。目前,用于软件无线电平台中最多的是VME和CPCI总线[5]。
　　
　　2 中频数字化平台设计
　　
　　软件无线电的灵活性和可重构性依赖于一个开放的、可扩展的和强大的硬件平台。传统的无线电台,虽然在逻辑功能上也按不同模块进行独立划分,但实际系统中它们之间用电路前后紧密相连,缺乏独立性,当电台功能改变时往往需要对整个接收机做改动。显然,这样的结构和软件无线电的目标相差甚远。为了保证硬件平台的开放性、灵活性和可扩展性,总线方式的平台构架是一个较好的选择。根据目前的总线技术,CPCI标准总线是一个非常理想的选择。
　　CompactPCI(简称CPCI),是由Ziatech公司在1994年开发的一种高性能总线标准,在PICMG(PCI Industrial Computer Manufacturer's Group)的大力推动下,这一标准在包括电信在内的整个工业计算机领域都得以普遍应用,并随之产生了一批CPCI系统的网络通信服务器[8]。这一标准的各种版本定义是一种基于背板连接的计算机系统和I/O系统的标准,包括物理规格、电器特性、各种通信总线、可靠性、可管理性等一系列特性。它与VME总线相比,具有更宽数据总线带宽,可以支持64 b/66 MHz的总线速度,并且价格相对VME总线的计算机更便宜,可应用于很多恶劣的环境中。
　　中频处理平台使用高速ADC 和DAC 直接将中频信号数字化,然后使用专用信道处理芯片将处理后的基带数字信号送入DSP 。这种方法通过对中频信号进行高速采样,使用专用信道处理芯片对数字化信号进行预处理,包括多级滤波、降采样、幅度控制等,相对模拟方式有很大的提高。另外,数字方式实现的模块化和灵活性也相当高。任何模块的改动基本上不需要对其他模块进行相应调整,因此中频数字化是目前软件无线电的核心技术。但是,高速采样会使其后的预处理单元的信号处理量增加,因此整个系统的处理速度要求很高。本文设计的中频数字化处理平台其示意图如图3所示。
　　
　　图3 中频数字化处理平台示意图
　　为了得到开放、灵活和可扩展的硬件平台,在系统结构上,采用分层的总线互连结构,将高速数据总线与低速控制总线分开,把模拟器件、DSP处理器、FPGA 等按射频信号、数据、控制信号等再进一步细分,在保证灵活性和可控性的条件下,简化总线互连,提高系统传输带宽,降低时延。在实现上,采用所有数字信号处理和控制软件可通过计算机操作系统的CPCI总线进行下载和配置,尽最大可能地实现软件无线电处理的平台通用化和软件的配置灵活化的实现方式。整个中频数字化硬件处理系统的整体结构示意图如图4所示。根据这种架构设计的系统,既可以单路处理,也可以根据需要插入多板卡同时处理多路中频信号,由工控机实现系统管理,有效解决了对宽带中频信号的处理问题。
　　图4 中频数字化处理系统
　　为了保证硬件平台的开放性、灵活性和可扩展性,把模拟器件、DSP处理器、FPGA等按中频信号、数据信号、控制信号等进一步细分。中频数字化处理平台主要包括CPCI总线及热插拔电路、电源转换电路、DSP及其外围电路、FPGA及其外围电路、时钟管理电路、ADC和DAC转换器及相关电路等,其器件原理框图如图5所示。
　　软件无线电系统中可能需要宽带多通道波束成形、超高采样率和基带速率间的转换等,目前的DSP还无法满足要求,必须依靠FPGA或ASIC来完成[9] 。FPGA在本设计中处于核心控制和数据预先处理、传输枢纽的作用。它是可编程器件,可灵活配置,在本设计中主要用于完成软件数字上下变频处理以及计算机上层软件与底层处理平台的数据通信。图6给出了本设计中在FPGA内部实现的功能模块框图。
　　图5 中频数字化平台框图
　　图6 FPGA内部功能模块框图
　　中频部分采用了全数字化处理技术,系统的模拟部分占的比例相对较少。中频数字化处理平台又可以按功能分成几个部分:DSP处理单元、FPGA桥接单元、数字中频处理单元和模拟部分。从图6中可以看到,本设计平台拥有独立的发送接收通道,可以全双工模式工作。所有信号在FPGA中进行转接,然后进入DSP完成处理。除了完成普通的收发通信,平台还可以以数字中继模式工作,将信号接收下来之后再发送出去(录入重放),达到多跳运作,以增加传输距离。无失真的中继是数字中继相对模拟系统非常明显的优点。
　　
　　3 中频数字化平台实现FM解调
　　
　　为验证该设计的可用性,使用MOTOROLA的GM950i电台模拟了一个FM调制信号,电台基带送入一个双音(600 Hz和1 800 Hz)的连续波。接收端通过RF模块输出10.7 MHz,带宽4 MHz的信号与中频数字化处理平台接口。软件无线电的解调一般采用数字正交解调法,该方法从理论上说,可以对所有的调制样式进行解调[10],它的通用模型如图7所示。
　　对FM信号进行正交分解得:
　　同相分量:
　　XI(n)=A0cos[k∑m(n)+φ0]
　　(1)
　　正交分量:
　　XQ(n)=A0sin[k∑m(n)+φ0]
　　(2)
　　对正交与同相分量之比值反正切运算,然后对相位差分,即可求得调制信号:
　　arctgXQ(n)XI(n)-arctgXQ(n-1)XI(n-1)=
　　[Δω•n+Δφ+k∑m(n)]-[Δω•(n-1)+
　　Δφ+k∑m(n-1)]=Δω•n+m(n)
　　(3)
　　图7 数字正交解调的通用模型
　　根据以上解调原理,要实现FM解调首先要在FPGA中实现数字下变频。本设计中,实现FPGA的数字下变频器主要包括:DDS模块、混频器、CIC滤波器、半带滤波器、数据截取器、FIR滤波器等部分。实现的数字下变频处理流程为板载40 MHz的采样时钟通过ADC器件对10.7 MHz的中频信号实施全采样,将采样后的信息送入FPGA中;FPGA内部的DDS产生10.625 MHz正交I/Q两路混频信号,混频后得到75 kHz的第二中频信号;信号通过25倍抽取的4级CIC滤波器得到1.6 MHz采样率信号;信号通过两个半带滤波器4倍抽取变为400 kHz采样率信号;通过FPGA内部的DDS产生75 kHz信号,再次混频得零中频信号;最后通过5倍抽取的FIR滤波器得到最终的80 kHz采样率信号,通过FIFO送入DSP中进行后续信号的处理。FPGA中实现的数字下变频处理流程如图8所示。
　　图8 数字下变频处理流程
　　经过数字下变频之后,在DSP中实现FM解调算法。处理过程为:10.7 MHz的中频信号,在FPGA中经过数字下变频后变为80 kHz采样率的信号,然后对I/Q数据流求反正切和差分,计算得到解调后的信号,再对信号做降采样率到9 600 kHz,波形如图9所示。从图中可以确定,这是个周期的调制信号,虽然有噪声叠加,但波形较清晰。
　　图9 FM解调之后的基带信号波形
　　对基带信号做功率谱分析得到图10。可以看到,600 Hz和1 800 Hz上出现明显的谱峰。经过计算,此时接收的信噪比大于20 dB。
　　图10 FM解调之后信号频谱图
　　从图10上也可以看到,在600 Hz和1 800 Hz附近没有临近频率的干扰信号,信道条件较好,与电台发射端输入的双音调制信号基本一致。至此,在设计的中频数字化平台上实现基于软件无线电通用模型的正交解调FM信号基本成功,从而验证了该平台的实际可用性。
　　
　　4 结 语
　　
　　软件无线电处理技术的出现已经有了一段时间,但是目前非常缺少能够真正实现这些技术的应用平台,而国外的高速处理平台价格十分昂贵。这里所提供的设计方法也只是众多方法中的一种,希望可以起到抛砖引玉的作用。软件无线电系统的最佳实现还有待硬件水平的更进一步发展,在军、民方面的全面应用还将有一段路要走。
　　
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