基于軟件無線電的短波通信中頻數(shù)字化 - 全文

引言

軟件無線電技術(shù)的宗旨是構(gòu)造一個(gè)具有開放性、標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的通用硬件平臺(tái)，將無線通信的各種功能，如工作頻段、調(diào)制解調(diào)類型、數(shù)據(jù)格式、加密抗干擾模式、通信協(xié)議等用軟件來完成，并使寬帶A/D和D/A轉(zhuǎn)換器盡可能靠近天線。理想的軟件無線電結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，N-/RT為準(zhǔn)時(shí)和實(shí)時(shí)；信源/信宿包括窄帶業(yè)務(wù)與未來的寬帶業(yè)務(wù)。

傳統(tǒng)的短波電臺(tái)由于頻率資源擁擠，時(shí)變電離層信道嚴(yán)重的頻率選擇性衰落以及多徑時(shí)延、各種大氣噪聲以及人為無線電噪聲的影響，只適合于傳輸模擬話音以及低速率數(shù)據(jù)。隨著現(xiàn)代無線通信理論與軟硬件技術(shù)的發(fā)展以及對(duì)電離層信道特性的深入探索，短波電臺(tái)出現(xiàn)了以下幾方面的變化：①采用跳頻技術(shù)來提高抗干擾能力；②采用自適應(yīng)通信技術(shù)來提高建鏈能力；③數(shù)據(jù)通信(包括圖文數(shù)據(jù)及聲碼話數(shù)據(jù)等)成為重要的業(yè)務(wù)方式；④采用數(shù)字加密方式等。

理論上就目前ADC的速度而言能夠滿足對(duì)短波波段信號(hào)進(jìn)行低通采樣，但直接在射頻端進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換存在以下問題。①嚴(yán)重影響接收機(jī)的選擇性和靈敏度，一般射頻頻段內(nèi)會(huì)存在若干強(qiáng)窄帶干擾，為防止超載并降低ADC的量化噪聲，ADC必須具有大動(dòng)態(tài)范圍，而當(dāng)信號(hào)很弱接近噪聲基底時(shí)，ADC的無寄生動(dòng)態(tài)范圍SFDR指標(biāo)決定了接收機(jī)總的SNR，ADC的實(shí)現(xiàn)難度很大；②短波波段帶寬較寬，ADC前的寬帶抗混疊濾波器與寬帶放大器目前性能還不夠理想；③數(shù)字信號(hào)處理器對(duì)射頻段窄帶信號(hào)進(jìn)行信道分離解調(diào)難度很大；④ADC采樣孔徑抖動(dòng)引起的信噪比惡化相對(duì)嚴(yán)重。因此，目前對(duì)傳統(tǒng)短波電臺(tái)的數(shù)字化改造大都保留了電臺(tái)的射頻以及模擬混頻環(huán)節(jié)，而在頻率較低并且固定的二中頻處進(jìn)行。

本文中我們?cè)O(shè)計(jì)的短波中頻數(shù)字化平臺(tái)是在二中頻500kHz處進(jìn)行數(shù)字化，從而省去傳統(tǒng)電臺(tái)的邊帶濾波等一系列模擬解調(diào)環(huán)節(jié)，構(gòu)筑一個(gè)統(tǒng)一的硬件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)單邊帶、調(diào)幅、等幅報(bào)音等的軟件調(diào)制解調(diào)，并在此基礎(chǔ)上加載跳頻、自適應(yīng)、并行及串行Modem 數(shù)傳等調(diào)制解調(diào)模塊。短波中頻數(shù)字化平臺(tái)結(jié)構(gòu)原理如圖2所示。其中，N-RT為準(zhǔn)實(shí)時(shí)和實(shí)時(shí)；信源/信宿包括窄帶業(yè)務(wù)與未來的寬帶業(yè)務(wù)。

1　數(shù)字變頻技術(shù)

從圖2可以看出，從中頻采樣信號(hào)到基帶信號(hào)是通過數(shù)字變頻來完成的，數(shù)字變頻技術(shù)是軟件無線電的核心技術(shù)之一，涉及到多抽樣率數(shù)字信號(hào)處理(MRDSP：multiratedigitalsignalprocessing)技術(shù)，后者是自20世紀(jì)70年代開始發(fā)展起來的數(shù)字信號(hào)處理領(lǐng)域的一門重要技術(shù)。數(shù)字變頻器主要由數(shù)字混頻器、數(shù)控振蕩器和低通濾波器3部分組成。數(shù)字變頻采用正交混頻，而且需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行重采樣抽取或者內(nèi)插濾波(此處的抽取濾波包括2步操作，首先是抗混疊低通濾波，然后是樣點(diǎn)的抽??；內(nèi)插濾波則先是樣點(diǎn)的內(nèi)插，然后是抑制鏡頻的低通濾波)。因?yàn)橹蓄l接收信號(hào)經(jīng)過正交混頻以后已變?yōu)榛鶐盘?hào)，此時(shí)信號(hào)只在中頻采樣頻帶(二分之一中頻采樣率)內(nèi)占很小一部分，經(jīng)低通抽取濾波后可以在保持信號(hào)不受影響的情況下降低數(shù)據(jù)速率(降為基帶采樣率)，有助于減輕后端數(shù)字信號(hào)處理壓力；對(duì)于發(fā)送通道在正交混頻之前必須先進(jìn)行內(nèi)插濾波以提高信號(hào)的數(shù)據(jù)率，使之至少達(dá)到奈奎斯特采樣定理要求的兩倍信號(hào)最高頻率，否則會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的混疊。

在模擬變頻中，混頻器的非線性和模擬本振的頻率穩(wěn)定度，邊帶、相位噪聲、溫度漂移、轉(zhuǎn)換速率等都是人們最關(guān)心和難以徹底解決的問題，這些問題在數(shù)字變頻中是不存在的，頻率步進(jìn)、頻率間隔等也具有理想的性能。和模擬變頻器相比，數(shù)字變頻還具有以下優(yōu)點(diǎn)：①載頻與數(shù)字濾波器系數(shù)具有可編程性；②數(shù)字混頻不存在非線性失真，因而互調(diào)??；③數(shù)字濾波頻響特性好；④系統(tǒng)造價(jià)低等。

目前市場上有大量專為數(shù)字變頻而設(shè)計(jì)的專用可編程數(shù)字信號(hào)處理器，如Intersil公司的HSP50214/215，HSP50415，Graychip公司的GC1012，GC4014以及AD公司的AD9856，AD6620/22/24等，這些芯片指令集較為簡單，速度也較快，并且處理效率更高。本文中我們?cè)O(shè)計(jì)的中頻數(shù)字化平臺(tái)即采用了兩塊專用的數(shù)字變頻芯片：HSP50415和AD6620。

HSP50415是Intersil公司單路數(shù)字上變頻芯片，該芯片具有很強(qiáng)的調(diào)制能力，內(nèi)部主要由內(nèi)插濾波器、復(fù)調(diào)制器、定時(shí)和載波數(shù)控振蕩器、雙12位150M采樣率D/A轉(zhuǎn)換器四部分組成。采樣率轉(zhuǎn)換包括3級(jí)內(nèi)插濾波器，內(nèi)插范圍4～128K；支持正交AM及PM調(diào)制；提供脈沖成形濾波以及星座圖映射等；該芯片最大輸出采樣率100MSPS，最大輸入速率25MSPS，前端具有256級(jí)深度的FIFO；32位可編程數(shù)控振蕩器提供最大50MHz載波和0.023Hz頻率精度。

該芯片內(nèi)部共有16個(gè)控制寄存器和4個(gè)觸發(fā)選通寄存器，還有多個(gè)可配置RAM塊，有2個(gè)外部接口，uP NT ER FA CE用于芯片配置以及初始化，DATAINTERFACE用于I，Q正交數(shù)據(jù)輸入。圖3給出了一種該芯片和TM S320C54x的參考接口電路。芯片配置時(shí)，由于內(nèi)部控制寄存器大都是32位字長，而uP接口只有8位寬，每個(gè)控制字需要連續(xù)加載4次才能完成，在此期間，片選線和讀寫線都必須保持有效狀態(tài)。數(shù)據(jù)輸入時(shí)，根據(jù)驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘DATACL K的產(chǎn)生不同，有同步和異步兩種方式，前者直接把HSP50415的2×SYMCLK(2倍輸入碼元時(shí)鐘)接到DATACL K作為數(shù)據(jù)輸入驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘，此時(shí)碼元輸入輸出嚴(yán)格同步，H SP 50415前端的F IFO不起作用，DSP通過控制輸入使能TXEN來進(jìn)行總線隔離；后者DATACL K由DSP通過地址譯碼產(chǎn)生，當(dāng)DSP不向H SP50415發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)DATACLK為高電平，總線被隔離，DSP可根據(jù)FIFO的中斷狀態(tài)來確定是否發(fā)送數(shù)據(jù)，本系統(tǒng)中采用基于中斷的異步方式。

HSP50415的初始化主要包括設(shè)定載波頻率、輸入碼元速率、FIFO中斷類型、整形濾波器系數(shù)、信道增益、工作模式以及輸出模式等。其中控制載波頻率和輸入碼元速率的寄存器值是根據(jù)下兩式計(jì)算的，F(xiàn)sout是輸出采樣率，等于HSP50415的主時(shí)鐘，carrierFrequency是載波頻率，sym bolRate是碼元速率，也是輸入采樣率。

carrierNCOStep=(carrierFrequency/Fsout)×2^32

symbolNCOStep=(symbolRate/Fsout)×2^32

HSP50415中需要重點(diǎn)設(shè)計(jì)的是3級(jí)內(nèi)插濾波器，其設(shè)計(jì)結(jié)果直接影響到數(shù)字信道性能。第1級(jí)濾波器為可編程FIR整形濾波器，主要完成首級(jí)內(nèi)插濾波以及信號(hào)整形，該濾波器可以設(shè)計(jì)成脈沖成形濾波器；第2級(jí)濾波器為一系數(shù)固定的19階半帶濾波器，提供2倍內(nèi)插，半帶濾波器的特殊結(jié)構(gòu)可以在同樣的抽頭數(shù)下比FIR濾波器減少一半的運(yùn)算量；第3級(jí)濾波器為內(nèi)插濾波器，其沖激響應(yīng)類似于級(jí)聯(lián)的積分梳狀濾波器，能夠提供2～8192倍的內(nèi)插，而且能夠?qū)崿F(xiàn)分?jǐn)?shù)倍內(nèi)插，該濾波器配置是芯片自動(dòng)完成的。

AD6620是AD公司單路數(shù)字下變頻芯片，該芯片最高輸入速率67MSPS；32位復(fù)數(shù)NCO提供0.02Hz的頻率精度和相位與幅度抖動(dòng)修正；采樣率轉(zhuǎn)換包括3級(jí)抽取濾波器，分別為2級(jí)級(jí)聯(lián)的CIC2濾波器、5級(jí)級(jí)聯(lián)的CIC5濾波器以及系數(shù)可編程FIR濾波器RCF；數(shù)據(jù)可以選擇16位并口輸出或者標(biāo)準(zhǔn)同步串口輸出，兩個(gè)獨(dú)立的控制和配置端口，可以動(dòng)態(tài)配置AD6620。

AD6620內(nèi)部有14個(gè)控制寄存器、一個(gè)RCF系數(shù)RAM塊和一個(gè)RCF數(shù)據(jù)RAM塊。一般采用uP端口(接DSP外部數(shù)據(jù)線)進(jìn)行芯片配置，而用串口輸出下變頻后的數(shù)據(jù)，因此接口邏輯相對(duì)比較簡單。圖4給出了一種AD6620與TMS320C54x的參考接口方案。其中AD6620串口輸出采用了主機(jī)模式，即由AD6620提供串口時(shí)鐘和幀同步，DSP通過串口中斷接收數(shù)據(jù)。

本平臺(tái)中，AD6620前端采用AD6640進(jìn)行中頻采樣，該芯片為12位65M采樣率高性能A/D轉(zhuǎn)換器，廣泛應(yīng)用于中頻寬帶高速采樣領(lǐng)域，結(jié)合過采樣技術(shù)能夠進(jìn)一步提高采樣精度。AD6620和AD6640采用相同的主時(shí)鐘，這樣能在二者之間達(dá)到最大的數(shù)據(jù)吞吐率。

理論分析如何配置3級(jí)抽取濾波器的抽取率才能獲得最佳信道特性及最小運(yùn)算量是比較困難的，在級(jí)聯(lián)數(shù)與總的抽取率一定的情況下的抽取率分配方案是有限的，因此可通過計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)窮舉搜索符合要求的各級(jí)抽取率，并用Parks-McClellan標(biāo)準(zhǔn)算法來設(shè)計(jì)最后一級(jí)可編程FIR濾波器，該濾波器主要用于末級(jí)抽取和信號(hào)整形，對(duì)信道性能影響很大。另外，AD6620數(shù)據(jù)文檔上還提供了根據(jù)抗混疊指標(biāo)，通過簡單的計(jì)算公式及查表來快速確定CIC2和CIC5抽取率的方法。

2　短波電臺(tái)中頻數(shù)字化平臺(tái)實(shí)現(xiàn)

基于上述的專用數(shù)字上下變頻芯片以及通用數(shù)字信號(hào)處理器，我們構(gòu)建了短波中頻數(shù)字化平臺(tái)，配合前端的射頻模塊，該平臺(tái)還能夠用于其他頻段(比如超短波)的中頻數(shù)字化，具有較強(qiáng)的通用性及可擴(kuò)展性。圖5為該平臺(tái)的硬件模塊框圖。其中，處理器模塊完成信號(hào)的基帶調(diào)制解調(diào)；邏輯時(shí)鐘模塊提供系統(tǒng)中的地址譯碼及控制信號(hào)和各種時(shí)鐘信號(hào)；發(fā)送模塊完成信號(hào)的上變頻及中頻數(shù)模轉(zhuǎn)換；接收模塊完成中頻采樣及信號(hào)的下變頻；基帶接口模塊完成語音信號(hào)的模數(shù)、數(shù)模轉(zhuǎn)換；通信與擴(kuò)展接口模塊提供數(shù)字業(yè)務(wù)接口及通信功能。此外，還包括AGC電路、電源及看門狗電路等。

對(duì)該平臺(tái)進(jìn)行單邊帶調(diào)制性能測試(主要有邊帶抑制、載波抑制、帶外衰減、互調(diào)失真等指標(biāo))，采用高效的復(fù)數(shù)濾波法進(jìn)行數(shù)字單邊帶調(diào)制[5]。在基帶分別加入1kHz，1.7kHz單音和1kHz+1.7kHz等幅雙音信號(hào)，在500kHz中頻處用頻譜分析儀觀察上邊帶調(diào)制結(jié)果如圖6和圖7所示(橫軸中心頻率為500kHz，每格1kHz，縱軸每格-10dB)。

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其中，由于HSP50415內(nèi)部集成的D/A轉(zhuǎn)換器其SFDR指標(biāo)>50dB，實(shí)際測得的三階互調(diào)指標(biāo)約55dB，在D/A轉(zhuǎn)換器線性指標(biāo)范圍內(nèi)。如果要求進(jìn)一步提高互調(diào)指標(biāo)，可以選用雙音SFDR指標(biāo)更高的專用D/A轉(zhuǎn)換器。

表1給出了該數(shù)字化中頻與采用晶體濾波器的模擬中頻的單邊帶調(diào)制性能比較，可以看出各項(xiàng)指標(biāo)都有一定提高，并且易于實(shí)現(xiàn)。

該中頻數(shù)字化平臺(tái)達(dá)到了預(yù)定的設(shè)計(jì)目標(biāo)，整個(gè)平臺(tái)功耗小于1.5W，主載波調(diào)制方式有USB，LSB，AM三種方式，支持等幅報(bào)音通信方式，音頻響應(yīng)范圍300～3000Hz，并且可編程，中頻采樣時(shí)輸入信號(hào)可低至毫伏級(jí)，可有效降低前端射頻模塊增益，從而降低模擬前端的非線性影響。在該平臺(tái)上加載跳頻通信，自適應(yīng)通信以及并行或者串行Modem等業(yè)務(wù)軟件模塊，有助于提高電臺(tái)的保密抗干擾以及數(shù)據(jù)傳輸性能。

3　結(jié)束語

在介紹軟件無線電基本理論以及在短波電臺(tái)中頻數(shù)字化應(yīng)用的基礎(chǔ)上，我們結(jié)合兩款典型芯片對(duì)軟件無線電中核心的數(shù)字變頻技術(shù)進(jìn)行了比較詳細(xì)的討論，并給出一種短波電臺(tái)中頻數(shù)字化平臺(tái)設(shè)計(jì)方案，最后采用短波單邊帶調(diào)制對(duì)該平臺(tái)進(jìn)行了測試，測試結(jié)果驗(yàn)證了平臺(tái)的可實(shí)現(xiàn)性。

目前，國內(nèi)多個(gè)科研機(jī)構(gòu)正在開展第三代短波數(shù)字化抗干擾自動(dòng)控制通信電臺(tái)的研制，該電臺(tái)基于MIL-STD-188-141B，MIL-STD-188-110以及GJB2076-94，GJB2077-94標(biāo)準(zhǔn)，融合了高速串行分組數(shù)傳以及第三代自動(dòng)鏈路建立等功能，代表了未來短波通信的發(fā)展方向。
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