基于AD6620和ADSP2191的数字中频软件无线电接收系统

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基于AD6620和ADSP2191的数字中频软件无线电接收系统

摘   要：       提出了一种通用的数字中频软件无线电接收系统的设计及应用方案。
关键词：       软件无线电；数字中频；数据采集；数字下变频
软件无线电(Software Radio)是近年来提出的一种全新的无线通信体系结构，它以其极强的灵活性和开放性代表着无线通信的发展趋势，已经逐渐成为通信领域的一个新的发展方向。它的基本思想是：构造一个开放、标准、模块化的通用硬件平台，将无线通信系统的各种功能(如工作频段、调制解调类型、数据格式、加密模式、通信协议等)通过软件编程来实现，并使宽带A/D和D/A转换器尽可能地靠近天线。现阶段，由于受微电子技术水平的限制，直接对射频(RF)进行采样还很难实现，成本上也很不合算。所以目前的软件无线电研究，大部分都是在中频(IF)上进行处理。数字中频软件无线电加上少量的高频模拟前端正成为理想软件无线电的一种经济实用的选择。
本文介绍了一种通用的数字中频软件无线电接收系统，它能广泛地应用于各种中频调制信号的采样与解调，并且通过系统同步互联技术，该系统还能和其它系统一起构成一个大型的能同步处理多种调制信号的多通道多模式多功能接收系统。该系统的核心芯片为数字信号处理器ADSP2191和数字下变频器AD6620。


图1  系统总体结构框图


图2  多通道接收系统同步互联结构框图


图3 系统软件流程图
总体结构设计
数字中频软件无线电接收系统由信号调理、数据采集、可编程数字下变频器AD6620、数字信号处理器ADSP2191和串行E2PROM构成，还包括逻辑控制电路和时钟电路。
系统的总体结构框图如图1所示。
在本系统中，模拟中频信号由射频前置输入；高性能模数转换器AD6640根据时钟电路提供的时钟信号对输入的信号进行高速采样，并把采集到的数据(12bit)送入数字下变频器AD6620；AD6620根据设置参数对输入采样数据进行变频、滤波和速率转换处理，并通过并行端口将处理后的数据传给高性能数字信号处理器；最后数字信号处理器ADSP2191对此基带数字信号进行信号检测、同步获取、匹配滤波、信号解调和译码等处理，最终的分析结果由ADSP2191通过UART端口传给PC进行存储或显示。串行E2PROM是用于存储用户程序，在系统上电或DSP复位时通过SPI接口加载到ADSP2191内部的程序存储区并启动运行。完成对AD6620的控制和设置后启动ADC进行通信信号的处理。

关键技术
数据采集
将宽带A/D和D/A转换器尽可能地靠近天线是软件无线电体系结构的一个重要特点。无论是采用射频直接数字化结构还是中频数字化结构，也无论是采用正交采样技术、带通信号采样技术还是过采样技术，都对A/D转换器的采样速率、工作带宽和动态范围提出了很高的要求。因此A/D转换器的性能决定了系统的中频范围和带宽，换句话说，选择什么样的ADC往往要根据射频前置的中频值和信息速率、带宽等来确定。在本系统中，我们选用AD6640来进行中频采样。AD6640内含采样保持电路和基准源，最高采样速率可达65MHz，输入带宽250MHz，信噪比68dB。这样构成的系统选用不同的采样技术，其工作的中频值范围可以到200MHz以上，带宽可以到30MHz，输入信号的动态范围为2V峰峰值。系统设计中一般A/D的时钟信号取自射频频综或本振，这样有利于系统的同步，为了实现系统的同步互联，系统设计中DSP的时钟也来自本振，由DSP内部倍频电路实现倍频和锁相。值得注意的是，要考虑时钟的走线和干扰，以免对射频接收部分造成影响。
数字下变频
A/D转换器对输入的模拟中频信号直接采样得到高速数字序列，如果把这些数字序列直接传给DSP处理，将会大大增加DSP的运算量，并对DSP的运算能力提出过高的要求。因此常使用数字下变频器，对采集数据作变频和抽取滤波处理，以提高整个系统的处理速度和运算效率。在本系统中，我们选用可编程数字下变频器AD6620。它的主要功能有三个：变频，将感兴趣的信号的中心频率变至零中频；低通滤波，滤除带外干扰信号提取有用信号；采样速率转换，降低采样速率以利于后续信号处理。AD6620既能对实信号进行处理又能对复信号进行处理，即支持正交采样的数字下变频。在系统中，设计采用实信号进行处理，其数据输出选用并行模式(16bit)以提高传输效率。
数字信号处理
DSP是整个软件无线电方案的灵魂和核心，软件无线电的灵活性、开放性和可编程性等特点主要都是通过以DSP为中心的通用硬件平台以及DSP软件来实现的。本系统选用16bit定点ADSP2191。ADSP2191的运行速度快，处理速度可达160MIPS，片内包含单周期存取的64K Words RAM。因此ADSP2191能满足系统设计中通信信号的处理要求。为减少体积，降低功耗，增加其携带灵活性，我们采用SPI引导方式完成DSP的程序加载，系统中的串行E2PROM用于存放用户程序。系统运行后首先对AD6620进行参数设置，再启动ADC采样，经过数字下变频和抽取的信号通过并口送到DSP进行通信信号的解调解扩和译码处理，实现一个通道的通信信号处理。需要多个通道时可以采用同步互联技术实现多通道的信号接收与处理。
系统同步互联
由图1可知，图中是一个单通道的数字中频软件无线电接收系统，即它在同一时刻只能对一个通道的信号进行接收处理。但在很多实际应用中，往往需要系统能够同时进行多通道的信号接收。因此，我们利用ADSP2191的高速同步串口(SPORT)以及时分多路技术(TDM)，设计了一个同步数据传输接口，通过提供统一的时钟，将多个单通道的接收子系统同步互联起来，从而组成一个大型的最多能同步处理128路调制信号的多通道多模式多功能接收系统。并且为了增强ADSP2191高速同步串口的驱动能力和数据传输距离，在硬件设计中采用RS-485芯片来增强同步互联接口的驱动能力，使其数据传输速率最高可以达到5Mbps，最大分布距离为1000米。这种多个通道之间同步互联的方案可以有效地解决通道数与成本之间的矛盾，并且结构简单且易于实现。多通道接收系统的同步互联结构图如图2所示。

软件设计
数字下变频器的参数设置
AD6620的参数设置体现了整个中频接收系统的工作模式，其根据不同的中频值和带宽，设置不同的参数与之相适应，体现了软件无线电的灵活性和可编程性。
系统中DSP通过其控制接口对数字下变频器设置，以使同一系统适应多种输入情况下的接收功能。
数控振荡器频率值的设定
数控振荡器频率值(NCO_FREQ)的设定取决于采样频率(fSAMP)和信号的中心频率(fCH)，可由下式确定：
              (1)
不同的fCH和fSAMP，可得到不同的NCO_FREQ以适应不同的中频值。
各级抽取因子的选择
抽取因子的选择要根据不同采样频率不同数据速率进行计算得到。AD6620的抽取率是由三级组成的：积分梳状抽取滤波器CIC2(抽取范围2~16)、CIC5(抽取范围1~32)和可编系数抽取滤波器RCF(抽取范围1~32)。设系统总的抽取因子为MSYS，则各级抽取因子必须满足下式：
MSYS=MCIC2×MCIC5×MRCF                 (2)
滤波器阶数和系数的设计
滤波器阶数和系数的设计需要根据信号的频率和带宽来确定，应用中常先用工具软件如MATLAB来设计计算RCF滤波器的系数。设计时通常滤波器的阶数越高越好，AD6620提供的RCF滤波器的阶数最高为256阶，滤波器阶数由下式决定：
              (3)
其中fCLK为输入时钟频率，fSAMPS为CIC5数据输出频率，NCH等于1(单通道)。
接收系统的应用程序
模拟中频信号经A/D采样和数据转换后，后续的数字信号处理任务都是由DSP软件完成的，包括：通信进程捕获、中频提取、起点检测、匹配滤波(中频跟踪、码频跟踪)、码元判决等。图3为本接收系统应用程序的软件流程图。
以上这些处理算法都必须进行优化以提高运算效率，同时为了提高处理效率，在DSP编程时针对运算密集的算法必须用汇编实现，同时要尽可能使用多功能指令，以充分发挥DSP的运算效率。在本系统中，为了增强程序的可读性以及编写程序的方便，我们采用了汇编语言和C语言相互嵌套的方法，即主程序是由C语言实现，而运算密集的功能函数都是由ADSP2191的汇编语言来完成。这种编程方式灵活方便、可读性强，而且执行效率也很高。
数字信号处理器的监控程序
为了方便脱机工作和调试，我们还利用了ADSP2191的UART端口和计算机的RS-232接口，开发了数字信号处理器ADSP2191的监控软件。通过监控软件，用户不但可以从PC机上读取、修改、搬移和保存ADSP2191内部控制寄存器(REG)、程序存储区(PM)和数据存储区(DM)的值，从而判断接收系统的运行结果是否正确；还可以装载、运行ADSP2191一些独立的应用程序，如：FFT、匹配滤波、功率谱分析等等。这些应用程序都装在计算机内，使用时只需从计算机上下载，通过RS-232接口和UART端口装入ADSP2191的程序区内运行即可。这样做不但避免了将所有的应用程序写入串行E2PROM的麻烦，也节省了ADSP2191程序存储区的空间。另一方面，用户也可以根据实际需要，编写自己所需的应用程序，用ADSP2191提供的汇编工具生成可执行文件，便可直接装入运行。监控软件的设计使得接收系统的调试周期大大缩短，也使得本系统的应用更加灵活和方便。

结语
基于AD6620和ADSP2191的数字中频软件无线电接收系统，作为中频软件无线电平台，适合于通信和雷达信号的窄带处理。虽然本设计的数字下变频器采用了AD6620，数字信号处理器使用了ADSP2191，但是关于数字下变频器的参数设计以及数字信号处理器的管理方法对于其它的DDC和DSP器件同样适用。

参考文献：
1.杨小牛，楼才义，徐建良. 软件无线电原理与应用. 北京：电子工业出版社，2001. 1~7