直接下變頻寬帶正交解調技術在軟件無線電掌上平臺中的應用

摘   要：        文章針對掌上軟件無線電平臺中的下變頻技術進行了論述，比較了直接下變頻與超外差結構的優(yōu)缺點。詳細介紹了以AD8347為核心的直接下變頻模塊，給出了其實例應用。

引言

軟件無線電是隨著計算機技術、高速數(shù)字信號處理技術的迅速發(fā)展而發(fā)展起來的一種新型的無線電處理技術。其基本思想是將寬帶A/D及D/A轉換器盡可能地靠近天線，將電臺的各種功能盡量在一個開放性、模塊化的平臺上由軟件來實現(xiàn)，具有很強的靈活性和可升級性。軟件無線電的出現(xiàn)，使無線電技術由以硬件為主的時代走向以軟件為主的時代，它是繼模擬通信技術、數(shù)字通信技術之后的第三代無線通信技術。

一個理想的軟件無線電平臺是直接在射頻信號上采樣，但由于受寬帶天線、高速A／D及DSP等技術水平的限制，實現(xiàn)這樣的理想平臺的條件目前還不具備，只能在中頻或者基帶上進行采樣。因此，當前對軟件無線電的研究，更多的是在現(xiàn)有的技術條件下，研究如何最大程度的實現(xiàn)軟件無線電所要求的通用性和靈活性，將軟件化、通用化的設計思想體現(xiàn)到具體的應用實踐中。圖1示出了一種基于軟件無線電思想的在基帶信號采樣處理的擴頻通信掌上平臺。

圖1  直序擴頻接收機的軟件無線電掌上平臺結構框圖

圖2  射頻直接下變頻模塊的結構框圖

圖3  軟件無線電平臺的DSP模塊框圖

從圖1中可以看出，平臺主要分成兩大部分：射頻接收的模擬前端和DSP處理模塊。該系統(tǒng)的擴頻信號帶寬在5MHz以上，對于掌上平臺的射頻模塊來說，在功耗和體積受限的情況下，如何將寬帶信號穩(wěn)定而精確地從射頻下變頻至基帶進行處理是一大難點。針對該難點，筆者采用直接下變頻技術，較好地解決了這個問題。

下變頻實現(xiàn)方法

下變頻的基本原理是對射頻調制信號進行混頻和濾波，將其搬移到較低的頻段或者基帶上處理，其實現(xiàn)方法主要有兩種：(1)超外差結構；(2)直接下變頻。超外差結構存在兩級或多級下變頻過程，最后在低中頻或者基帶上對信號進行解調處理；而直接下變頻技術省去了中頻變換環(huán)節(jié)，直接將接收到的射頻調制信號進行一次性下變頻解調，從而得到基帶信號。

兩者相比而言，直接下變頻是一種理想的射頻信號處理方案，一直為無線通信工程師所期待。可由于制造工藝及元器件尺寸的限制，這種方法長時間沒有得到具體的推廣，而是普遍的選用了超外差式結構方案。但是，對于強調體積和功耗的掌上設備而言，超外差結構與直接下變頻相比，存在顯著的問題：

與超外差結構相比，直接下變頻處理也存在一些弱點：

這些電路上的弱點可以通過細心的設計和調試有效地解決，代價較小。綜上所述，采用直接下變頻技術，直接將射頻信號變換至基帶進行處理，可以省去多級中頻電路并且能夠減少外圍元器件數(shù)量、成本、功耗、印制電路板面積和設計復雜性，適合掌上設備的應用。     

軟件無線電平臺的直接下變頻模塊

平臺的直接下變頻模塊由AD8347為核心構建而成，完成從射頻到基帶的信號搬移。AD8347是ADI公司的一種單芯片直接下變頻寬帶正交解調器IC，能夠接收800MHz~2.7GHz范圍內的RF輸入并且直接將輸入信號下變頻為基帶同相/正交分量，然后把這些正交分量送往一個高速ADC進行數(shù)字化。AD8347在片內集成了RF和基帶可控制增益放大器，提供70dB的可變增益范圍，可輕松實現(xiàn)復雜的寬動態(tài)范圍接收設計。同時，它具有50MHz輸出解調帶寬，可以滿足GSM、CDMA以及最新的3G通信帶寬要求。其信號輸出具有優(yōu)良的相位與幅度平衡度，正交相位精度可以達到1°，I/Q幅度不平衡控制在0.3dB(即3.5%)范圍內，因而能為無線本地環(huán)路和微波無線電連接提供一種經(jīng)濟的直接變頻解決方案。

另外，AD8347還集成了一個僅需要-10dBm驅動電平的緩沖本地振蕩驅動器、基帶電平檢測器、DC失調調零電路，以及具有可調節(jié)DC共模電平的雙通道差分輸出放大器，能夠直接驅動多種雙通道ADC，如AD9201、AD9218等。圖2給出了以AD8347為核心的射頻直接下變頻模塊的結構框圖，主要分成4個部分：AD8347模塊、低噪聲放大器、本振頻率合成電路和AGC電路。

低噪聲放大器

選用了一個增益為30dB、噪聲系數(shù)為1.5dB的低噪聲放大器，其具有較大的動態(tài)范圍，P-1dB為-3dBm，在機械結構和電路設計中需要注意處理好它和其它電路之間的相互屏蔽問題，特別是要重視和本振生成電路的隔離。隔離度做得越好，越可以避免因本振泄漏而使射頻信號放大器堵塞等現(xiàn)象的出現(xiàn)。

本振頻率合成電路

本振信號采用TCXO鎖相倍頻得到，采用NS的LMX2347頻綜芯片。本振電路在設計時要注意控制輸出電平的大小，推薦控制在ADI推薦的-8dBm左右，同時注意兼容性設計和屏蔽處理。

AGC電路

本系統(tǒng)采用了擴頻體制，要求接收靈敏度較高，而基帶信號帶寬約為5MHz左右，天線輸入的熱噪聲理想情況下為：

-174(dBm/Hz) * 5(MHz)=-107 dBm

在一般正常的工作情況下信號的強度遠遠小于熱噪聲的電平，信噪比達到-20dB。選擇非相關AGC來控制最后輸出的信號幅度為2VP-P。設計時注意控制AGC的起控點，使其覆蓋具體工作時可能的信號輸入強度范圍。

軟件無線電平臺的DSP模塊

DSP模塊作為軟件無線電平臺的數(shù)據(jù)采集與處理核心，主要包括ADC、FIFO和DSP，圖3即為圖1中DSP模塊核心部分的細化。系統(tǒng)中擴頻通信的帶寬為5MHz，AD8347將調制在射頻2.2GHz上的寬帶信號搬移到近零中頻頻段，分為I路和Q路兩路正交信號輸出。然后由A/D對I路和Q路信號采樣，采樣速率為20M/s。最后，A/D采樣的數(shù)據(jù)通過FIFO傳給DSP進行解調和解擴處理。

圖3中的AD9201是ADI公司的一款雙通道、低電壓的高速A/D，每個通道采樣速率可以達到每秒20M次采樣。它的精度穩(wěn)定可靠，在全采樣帶寬范圍內，精度始終基本保持著10位的精度。其工作電壓設置相當靈活，允許在2.7V~5.5V范圍內變動，特別適合于便攜式設備在低電壓下的高速操作。模擬信號可差分輸入，也可單端對地輸入，信號的峰峰值通常設置為1Vp-p 或者2Vp-p。VREF為AD9201的參考電源輸出端，穩(wěn)定保持在1V，給AD8347提供精確的電壓偏置參考。

核心處理器件為ADI公司的ADSP BF533，該DSP是ADI公司和Intel 公司于2003年初聯(lián)合推出的一款定點DSP，屬于最新的Blackfin系列產(chǎn)品。BF533具有RISC指令結構，運作高效，性能十分優(yōu)異。其運行在600MHz的主頻上，具有兩個40 bit的MAC和兩個32 bit的ALU，10個地址尋址單元。該DSP內部集成了148 k Byte的全速RAM，并具有豐富的外部接口，如SPI、同步和異步串口、看門狗和多種定時器等。值得一提的是，BF533功率控制良好，在600MHz的主頻時功耗只有280mW，并且可以動態(tài)地控制電壓輸入，調整運行頻率，減少芯片功耗，十分適合于移動產(chǎn)品的設計。

FIFO作為外部的高速數(shù)據(jù)緩存，保證系統(tǒng)時序的正常運轉。其深度為32K字，響應速度在100M Hz/s以上。其寫入時鐘WCLK為40MHz，及時讀取AD9201采集到的雙通道高速數(shù)據(jù)。讀取時鐘RCLK由BF533控制，進行DMA傳送，穩(wěn)定工作在50M 字/秒以上。FIFO提供了半滿標志信號/HF給DSP，以保證數(shù)據(jù)不被填滿和讀空。

系統(tǒng)指標分析

以AD8347為核心的射頻直接下變頻模塊的實測指標如表1所示。

從表中的測試結果來看，基本和ADI公司給出的技術參數(shù)相吻合。

從DSP模塊來看，從AD8347輸出的零中頻信號最高信噪比約為30dB，最低信噪比約為-20dB。在強信噪比環(huán)境下，對于基帶擴頻信號，DSP模塊解擴效果理想，沒有誤碼。在最低信噪比的環(huán)境下，DSP模塊解擴后的誤碼率約為10-5，達到系統(tǒng)設計的預期目的。

結語

工程實踐證明，整個系統(tǒng)的軟件無線電處理平臺結構合理，性能穩(wěn)定。由于盡可能使用了微小封裝的集成電路，接收機的大小只比名片略大，功耗在1瓦以下，很好地滿足了掌上攜帶的需要。軟件進行了模塊化設計，升級方便，具有較強的可移植性和兼容性，可應用于3G測試設備以及衛(wèi)星通信等諸多方面。該平臺已經(jīng)成功地在某通信系統(tǒng)中得到應用，系統(tǒng)運行結果符合技術要求。