AD9857和AD6620、AD6644在软件无线电中的应用
摘要:在无线电应用领域,软件无线电已成为一个重要的研究课题,文章在对软件无线电的概念、体系结构作介绍的基础上,给出了一种利用AD9857 、AD6620和AD6644作正交调制和解调、上变频和下变频、A/D和D/A转换构成软件无线电通用硬件平台的设计方案。关键词:软件无线电;正交调制;上变频;下变频;AD转换
1 软件无线电的基本概念和特征
软件无线电(Software Radio) 是20世纪90年代提出的一种实现无线电通信的新体系结构。软件无线电基于一个通用可编程控制的硬件平台,在尽可能靠近射频天线的地方通过宽带A/D和D/A转换器完成信号的数字化,然后用软件来实现无线电通信的各种功能。由此可见,软件无线电代表的是一个软件可重构的无线电体系,它的可重构性主要体现在其射频、中频及基带信号处理可通过软件编程来控制和实现上。由于软件无线电的各种功能是由软件来实现的,因此,无线通信系统就具有很好的通用性、灵活性,使系统互联和升级非常方便,只要加载不同的通信软件就可以实现不同通信方式的转换。因此,软件无线电具有充分数字化、完全可编程、模块化设计、多频段转换、多业务支持等特征。也正因为如此,软件无线电将广泛地应用于无线通信以及无线电其他领域,使无线电技术由以硬件为主逐渐转变为以软件为主。
2 软件无线电的体系结构
在软件无线电设备中,所有的信号处理(包括放大、变频、滤波、调制、信道编译码、信源编译码、信道和接口的协议/信令处理、加/解密、抗干扰处理、网络监控管理等)都以数字信号的形式进行。功能的软件化实现势必要求减少功能单一、灵活性差的硬件电路,尤其是减少模拟环节,把数字化处理尽量靠近天线。软件无线电强调体系结构的开放性和全面可编程性,通过软件的更新改变硬件的配置结构,实现新的功能。理想的软件无线电体系结构如图1 所示。
图1 软件无线电的体系结构
软件无线电主要由天线、射频前端、宽带A/D 和D/A转换器、数字上变频和下变频器、数字信号处理器(DSP)以及各种软件组成。软件无线电的天线一般要覆盖到比较宽的频段,要求每个频段的特性均匀,以满足各种业务的需求。在发射信号时,射频前端主要完成滤波、功率放大等任务;接收时实现滤波、放大等功能。在射频变换部分,需要宽带、线性、高效的射频放大器。
数字化是软件无线电的基础,模拟信号必须经过采样转化成数字信号才能用软件进行处理,反之亦然。模拟信号与数字信号间的互相转换由宽带A/D、D/A转换器实现。A/D、D/A 转换器在软件无线电中所处的位置非常关键,它直接反映了软件无线电的软件化程度。A/D、D/A转换器要有足够的工作带宽、较高的采样速率,而且要有较高的转换位数以提高动态范围。
为了减轻通用DSP单元的处理压力,通常把A/ D转换器传来的数字信号经过数字下变频器单元处理,以降低数据流速率,并把信号变为基带信号数据后,再把数据送给通用DSP单元进行处理。同样,由DSP单元处理过的基带信号通过数字上变频器单元变换为射频信号或中频信号。通用DSP主要完成各种数据率相对较低的基带信号的处理,例如:信号的调制解调,各种抗干扰、抗衰落、自适应均衡算法的实现等,还要完成经信源编码后的前向纠错、帧调整、比特填充和链路加密等算法。
3 软件无线电发射电路的组成
软件无线电的发射部分可以发射任何信号,其主要功能是把要发射或传输的用户信息(话音、数据、图像等) 经基带处理(完成诸如FM、AM、FSK、PSK、MSK、QAM等多种调制) 和上变频,调制到规定的载频上,再通过功率放大后送至天线发射出去,软件无线电发射电路的基本组成,如图2 所示。
图2 软件无线电发射电路的基本组成
软件无线电中的各种调制信号是以一个通用的数字信号处理平台为支撑,利用各种软件产生的。因此,在软件无线电中,可通过不断更新调制模块的软件来适应不断发展的调制体制,因而采用软件无线电调制技术具有相当大的灵活性和开放性。理论上,各种通信信号都可用正交调制的方法实现,如图3 所示。根据图3,可以写出正交调制的时域表达式:
S(t) = I (t)cos (ωt) + Q(t)sin (ωt) (1)
式(1) 中,ω为载波角频率。调制信号的信息包含在I ( t ) 和Q ( t ) 内。由于各种调制信号都是在数字域实现的,因此,在实现时要对上式进行数字化处理
S(n) = I(n)cos(ωn) + Q(n)sin (ωn) (2)
图3 正交调制的实现框图
在对调制信号和载波频率进行数字化处理时,其采样频率可能不一样。这里,多相滤波器的主要作用就是用来提高数据源的采样速率,使得调制信号的采样速率和载波的采样速率一致。
4 利用AD9857 作数字正交调制、上变频器和宽带D/A转换器
ADI公司的AD9857 是一种14位数字正交调制、上变频器,采样速率为200 MS/ s。AD9857内部集成有一个高速DDS(Direct Digital Synthesis) 、一个高性能的高速14位D/A 转换器、数字滤波器和其他一些可编程部件,利用这些器件和部件可以形成一个完整的正交数字上变频器,可应用在软件无线电通信系统中作通用的I/Q调制器和数字上变频器及D/A转换器。AD9857的功能框图如图4所示。
图4 AD9857的功能框图
经由DSP处理过的基带信号数据通过14位的并行数据通道输入到AD9857,这里输入的数据流是两个正交的基带信号I和Q交替输入的,在AD9857内部分成两路不同的I和Q数据通道。I 和Q数据经过内插滤波器把数据流速率升至最终输出的数据流速率,然后加到数字正交调制器。
数字正交调制器将由DDS核产生的正交载波信号与基带的I 和Q 信号相乘,把输入的基带频谱信号数据流上变换至所需要的载波频率(上变频) 。这里,有一点应该注意:输入到数字正交调制器的I/Q信号采样率必须与正交载波信号的采样率相同。对输入的基带数据通过内插滤波进行升采样(Upsample) 处理,其目的就是使数据采样率等于载波信号的采样率。载波频率是由DDS数字控制的,DDS用内部参考时钟(SYSCLK)产生所需要的高精度载波频率,这个载波信号以正交方式(相位差为90°) 加到I和Q乘法器上,相乘后再相加,产生出已正交调制过的载波数据流。
注意: 已调制过的“信号”实际上是许多以SYSCL K速率采样的数据流,输出D/A转换器也是用相同的SYSCLK时钟来定时。正交调制输出信号的形式是可选的,其表达式为
I ×cos(ωn) + Q ×sin(ωn) (3)
或
I ×cos(ωn) + Q ×sin(ωn) (4)
该信号在送到D/A转换器之前,先由AD9857片内的SINC滤波器来补偿D/A转换所引起的信号包络的变化, 可补偿的载波频率范围是DC～45%的SYSCLK。此外在D/A转换器前还有一个8 位的乘法器,用来调整D/A 转换器最终的信号输出电平。由于此D/A 转换器在这里提供了互补的电流输出,构成差分的输出回路,从而可抑制共模干扰信号。
在频率变换的过程中会产生一些寄生干扰信号,需要在D/A转换输出后外接一个RLC 滤波器以滤除这些寄生信号。此时应注意:RLC 滤波器在整个有用的信号带宽内应有良好的平坦度和线性的相位响应,以免对调制性能带来不良影响。AD9857的外部电路如图5 所示。DSP通过AD9857的串口来设置AD9857内部的控制寄存器,从而可用软件的方式来控制AD9857的工作方式、内插滤波器的工作参数、系统时钟、信号采样频率、调制载波频率以及D/A转换输出电平等参量。
图5 AD9857的外部电路
5 软件无线电接收电路的组成
软件无线电的接收部分主要由滤波器、放大器、A/ D 转换器、数字下变频器、正交解调等组成,其组成如图6 所示。从天线接收到的无线电信号经滤波、放大后送到宽带A/D转换器转换成数字信号,经过数字下变频和正交解调后,得到正交的I、Q基带信号,再送DSP进行基带信号处理。
图6 软件无线电接收电路的组成
6 利用AD6644和AD6620组成宽带A/D转换和数字下变频器
ADI公司的AD6644是一种单片14位A/ D转换器,内含采样保持电路和基准源。它由单电源供电,TTL/CMOS兼容电平输出,采样速率可达65MS/s,能够精确变换宽带模拟信号,达到低噪声(其信噪比的典型值为74dB) 和低失真(其SFDR值为100dB) 。它为实现软件无线电接收机提供了业界最佳性能的模数转换器,使在短波和调频波段上实现软件无线电接收机成为可能。
AD6644采用三级子区式的转换结构。这样做,既保证了精度和速度又减小了功耗和尺寸,其功能如图7 所示。模拟信号以差分方式输入到AD6644经过缓冲后再进入第1个采样保持器(TH1) ,采样保持器的值作为精度较粗的5 位A/D转换器(ADC1) 的输入。ADC1 的输出驱动一个14位精度的D/ A 转换器(DAC1) ,DAC1的输出信号与经过TH2延迟的模拟信号相减产生第1个剩余信号,并送给采样保持器TH3,进入由5位A/D转换器ADC2 、5位D/A转换器DAC2和延迟保持器TH4组成的第2级转换。由第2级转换所产生的第2个剩余信号送到采样保持器TH5,再由TH5驱动最后的6位A/D转换器ADC3。把ADC1 、ADC2和ADC3输出的数字信号一起加到数字校正逻辑,产生最终的14位A/D转换信号,并以并行的14位数据输出。
图7 AD6644功能框图
AD6620是可编程的数字下变频器,采样速率为67MS/s,主要功能有:
1) 变频,包括数控本振(NCO)和数字混频,将载波信号下变频至零中频;
2) 低通滤波,滤除带外信号,提取有用信号;
3) 采样速率转换,降低采样速率,以利于后续信号处理。
AD6620的功能如图8 所示,主要由4个信号处理部分组成:一个频率变换器、两个线性相位固定系数可编程积分梳状FIR 抽取滤波器(CIC2 、CIC5) 和一个可编程RAM 系数FIR 抽取滤波器(RCF) 。 
图8 AD6620功能框图
经过A/D转换输出的数据信号输入到AD6620经频率变换将输入的有用载波信号变成基带信号并分成相位上正交的I和Q两个信号分量,这两个数据信号经过两级积分梳状抽取滤波后,其采样率大大降低,再经过256阶可编程RAM 系数FIR抽取滤波器,对有用信号整形和滤波,抑制带外信号和噪声,实现匹配滤波和均衡处理,最后将基带I、Q数据信号串行或并行输出到DSP进行后续处理。
DSP对数字下变频器(DDC)输出信号的后续处理,主要是完成信号解调、解码、调制样式识别以及信号参数估计等工作。由于正交分解后的两路基带信号对上述后续处理往往带来很大的方便和更好的性能,故AD6620的下变频、低通滤波和抽取采用正交两路处理结构。
7 结束语
基于上述设计方案的软件无线电系统已研制成功。目前,由于受宽带天线、高速A/D及DSP等器件的技术水平的限制,我们还不具备实现一个理想的软件无线电平台的条件。因此,现在对软件无线电的研究,一方面集中在对上述关键技术的研究;另一方面,在现有的技术条件下,研究如何最大程度地实现软件无线电所要求的通用性和灵活性,将软件化、通用化的设计思想体现到具体的应用实践中。
软件无线电技术的诞生,不仅对公众无线电通信系统有积极意义,而且对专用通信系统,也是意义重大。届时,将会在电力、铁路、银行、民航、矿山、国防、航海、海关、水利、宇航、公安等系统或部门获得广泛应用。除此之外,还将对其他无线电应用工程也有积极意义。因此我们从现在起,就应该熟悉它,运用它。
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