基于軟件無(wú)線電的多制式信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：提出了一種軟件無(wú)線電通用信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)方案，包括硬件構(gòu)成和軟件算法的實(shí)現(xiàn)。該信號(hào)發(fā)生器為軟件無(wú)線電的研究與開(kāi)發(fā)提供了便利條件。

軟件無(wú)線電是一種無(wú)線電通信新的體系結(jié)構(gòu)。在1992年5月美國(guó)電信系統(tǒng)會(huì)議上，JeoMitola首次提出了軟件無(wú)線電概念，之后迅速引起了人們的關(guān)注，并開(kāi)始對(duì)它進(jìn)行廣泛而深入的研究。具體地說(shuō)，軟件無(wú)線電是以可編程的DSP或CPU為中心，將模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化的硬件單元以總線方式連接起來(lái)，構(gòu)成通用的基本硬件平臺(tái)，并通過(guò)軟件加載來(lái)實(shí)現(xiàn)各種無(wú)線通信功能的開(kāi)放式的體系結(jié)構(gòu)。它使得通信系統(tǒng)擺脫了面向設(shè)計(jì)思想，被認(rèn)為是無(wú)線通信從模擬到數(shù)字、從固定到移動(dòng)之后的又一次突破。

    在軟件無(wú)線電的研究過(guò)程中，調(diào)制解調(diào)技術(shù)是移動(dòng)通信系統(tǒng)空中接口的重要組成部分。在不同的蜂窩半徑和應(yīng)用環(huán)境下，移動(dòng)通信的信道呈現(xiàn)不同的衰落特性，根據(jù)移動(dòng)信道的衰落情況，自動(dòng)地改變調(diào)制方式，從而提高傳輸效率并保證傳輸性能。那么，一個(gè)通用的信號(hào)源是必不可少的。

圖1 多制式信號(hào)發(fā)生器硬件原理圖

作者設(shè)計(jì)了一個(gè)基于DSP+DDS結(jié)構(gòu)的可編程調(diào)制器的硬件平臺(tái)，并在此硬件平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)了各種模擬調(diào)制和數(shù)字調(diào)制的通用軟件算法。當(dāng)改變調(diào)制制式時(shí)，無(wú)需再次下載程序，而且調(diào)制制式、比特速率、輸出中頻均可調(diào)。

1 硬件結(jié)構(gòu)

通常，信號(hào)源輸出的波形多數(shù)是對(duì)周期的01序列進(jìn)行調(diào)制，輸出波形單一，只能作為解調(diào)輸入信號(hào)的一種特例，缺少通用性。而許多專(zhuān)用芯片采用的調(diào)制方式也是有限的。用DSP+DDS構(gòu)成的通用多制式信號(hào)發(fā)生器不僅可以實(shí)現(xiàn)模擬調(diào)制，而且可以實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字調(diào)制。DSP利于基帶信號(hào)的實(shí)時(shí)處理，可以實(shí)現(xiàn)高速調(diào)制，而DDS具有頻率分辨率高、頻率變化速度快、相位連續(xù)、易于數(shù)字控制等特點(diǎn)。圖1給出多制式信號(hào)發(fā)生器硬件原理圖。

信號(hào)發(fā)生器主要由三部分構(gòu)成：控制單元、數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)、正交數(shù)字上變頻器（Quadrature Digital Upconverter）。

DSP采用TI公司的TMS320VC5402，它獨(dú)特的哈佛結(jié)構(gòu)、硬件密集型方案和靈活的指令系統(tǒng)可以滿足對(duì)信號(hào)的實(shí)時(shí)處理，它的高性能、低功耗及低價(jià)位使其得到廣泛應(yīng)用。

正交數(shù)字上變頻器采用AD公司的AD9857。AD9807最高工作頻率為200MHz，輸出中頻頻率范圍為0～80MHz。AD9807內(nèi)部集成半帶濾波器、CIC（ascaded Integrator Comb）濾波器、反SINC濾波器、高速的14位是一個(gè)相位連續(xù)的直接數(shù)字頻率合成器DDS(Direct Digital Synthesizer)。在該方案中，AD9857工作在正交調(diào)制模式。它的32位頻率控制字使輸出頻率的最高精確度為：SYSCLK（系統(tǒng)時(shí)鐘）除以2 32。

    控制單元決定采用哪一種調(diào)制制式、比特速率及輸出中頻頻率。

DSP讀入控制單元的數(shù)據(jù)，然后經(jīng)過(guò)串口向AD9857發(fā)送控制字。原始信息數(shù)據(jù)（是由DSP產(chǎn)生的偽隨機(jī)序列）首先在DSP中進(jìn)行編碼、調(diào)制等處理后得到基帶信號(hào)。基帶處理得到正交信號(hào)的I/Q分量交替進(jìn)入AD9857，經(jīng)過(guò)串并變換，轉(zhuǎn)換成兩路并行的I/Q數(shù)據(jù)，進(jìn)行內(nèi)插和上變頻運(yùn)算，然后通過(guò)D/A變換直接輸出模擬中頻信號(hào)，從而將基帶處理和中頻調(diào)制合二為一。

AD9857對(duì)輸入的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行采樣和內(nèi)插，降低了DSP的處理負(fù)擔(dān)，使整個(gè)系統(tǒng)的性能達(dá)到較好的程度。

2 軟件算法

軟件無(wú)線電具有完全的可編程性。它采用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，在可編程控制的通用硬件平臺(tái)上，利用軟件來(lái)定主實(shí)現(xiàn)無(wú)線電臺(tái)的各部分功能，包括對(duì)無(wú)線波段、信道調(diào)制、接入方式、數(shù)據(jù)速率的編程等。因此通過(guò)程序進(jìn)行控制和操作，是軟件無(wú)線電最突出的特點(diǎn)之一。軟件算法的設(shè)計(jì)直接關(guān)系到電臺(tái)軟件的實(shí)現(xiàn)。軟件無(wú)線電臺(tái)對(duì)信號(hào)的處理都是實(shí)時(shí)的，因此對(duì)算法的時(shí)間及空間的復(fù)雜性都提出了很高的要求。

為節(jié)省有限的DSP運(yùn)算資源，軟件無(wú)線電軟件算法研究中大量采用查表法來(lái)提高處理速度，通常在調(diào)制過(guò)程中使用波形存儲(chǔ)法。編寫(xiě)軟件算法程序時(shí)，只要某一調(diào)制方式及其對(duì)應(yīng)的輸出狀態(tài)數(shù)目是有限的，就可以借助表法來(lái)實(shí)現(xiàn)。查表法避免了大量的中間運(yùn)算，簡(jiǎn)單易行，唯一的缺點(diǎn)是占用了大量的存儲(chǔ)空間。因此，需要建立一張通用的表格，該表格存儲(chǔ)了經(jīng)過(guò)量化的14位有符號(hào)的二進(jìn)制數(shù)。表格的設(shè)計(jì)應(yīng)達(dá)到查表過(guò)程簡(jiǎn)單，同時(shí)滿足不同的調(diào)制方式。用這個(gè)表還可以實(shí)現(xiàn)正弦函數(shù)的計(jì)算，只需將當(dāng)前相位移相π/2。

除了一張通用的余弦表，針對(duì)不同的調(diào)制方式還需分別建立對(duì)應(yīng)的調(diào)制星座圖映射表，按照調(diào)制方式分類(lèi)組成一個(gè)相位表格庫(kù)。對(duì)于差分相位調(diào)制，該表格為差分相位表格。當(dāng)調(diào)制方式確定后，根據(jù)得到的碼元，查表計(jì)算當(dāng)前相位Φk。

    圖2以（π/4）DQPSK調(diào)制方式為例，介紹差分相位調(diào)制軟件算法。數(shù)字存儲(chǔ)區(qū)存儲(chǔ)的是一個(gè)周期的余弦函數(shù)波形樣點(diǎn)，設(shè)存儲(chǔ)區(qū)的采樣點(diǎn)數(shù)為N，表格的移動(dòng)步長(zhǎng)為d。原始調(diào)制每?jī)蓚€(gè)比特一組，通過(guò)表1中的調(diào)制星座圖映射成差分相位ΔΦk與前一碼無(wú)的相位進(jìn)行模2π相加得到當(dāng)前碼元的絕對(duì)相位Φk，計(jì)算Φk在余弦表中的偏移地址，根據(jù)偏移地址調(diào)制信號(hào)的數(shù)據(jù)。

設(shè)f(i)=cos(id),其中0≤i

那么，當(dāng)前相位Φk（0≤Φk<2π）的偏移地址為：Φk×N/2π。

(π/4)DQPSK對(duì)應(yīng)的絕對(duì)相位Φk的可能取值有：0°、45、90°、135°、180°、225°、270°、315°。如果N=144,即d=2.5，則Φk在余弦表中對(duì)應(yīng)的偏移地址為：0°、18°、36°、54°、72°、90°、108°、126°。

表1 調(diào)制星座圖

3 調(diào)制信號(hào)波形

采用PCB四層板設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了該信號(hào)發(fā)生器的硬件平臺(tái)，并在此平臺(tái)基礎(chǔ)上完成了以下調(diào)制方式的軟件編程：AM、DSB、SSB、FM、GMSK、FSK、BPSK、DBPSK、QPSK、(π/4)DQPSK、8PSK、4-64 Star-QAM。其中數(shù)字調(diào)制方式的碼元速率可達(dá)到1MHz（即對(duì)于四相調(diào)制，比特速率可達(dá)2Mbps；對(duì)于32QAM調(diào)制，比特速率可達(dá)5Mbps），載波頻率可達(dá)到70MHz，調(diào)制方式、比特（或碼元）速率、輸出中頻均可調(diào)。

圖3是用該信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的幾種調(diào)制信號(hào)的波形，其中模擬調(diào)制以AM調(diào)制為例，數(shù)字調(diào)制以DQPSK、FSK、16QAM調(diào)制為例。