基于软件无线电的通用数字调制器的实现

摘要：软件无线电的基本思想是构造一个通用的硬件平台，将通信的各种功能尽可能用软件实现。数字上变频是软件无线电的关键技术之一，主要功能是对输入数据进行各种调制和频率变换。AD9857是通用数字正交上变频器，具有可编程性、体积小，速度快，性能高等特点。详细介绍了该器件的原理、结构与使用方法，分析了软件无线电调制算法的特点，给出了一个利用FPGA与AD9857相结合而实现通用的数字调制系统平台的实例。

关键词：调制；数字上变频器；软件无线电；现场可编程门阵列

软件无线电的基本思想是构造一个通用的硬件平台，将各种功能尽可能的利用软件来实现，并使宽带A/D和D/A转换器尽可能靠近天线。数字上变频(DUC)是软件无线电的关键技术之一，由于目前DSP器件规模和速度的限制，利用DSP实现对中频信号进行数字上变频还比较困难，因此需要利用专用集成芯片(ASIC)来完成这一功能。

AD9857是美国AD公司的高性能、高速数字正交上变频器，具有集成度高，体积小，功耗低，输出信号稳定性好等特点，使该器件很适合实现数字正交上变频。该芯片可以应用在软件无线电中，接收来自经DSP处理后的基带数字序列，将其上变频至中频，完成数字上变频的功能。

AD9857的结构、原理及使用方法

AD9857的结构
AD9857芯片集成了一个高速直接数字频率合成器(DDS)，一个高速高性能的数模转换器(DAC)，时钟倍频电路，数字滤波器及其他单元，构成一个完整的数字上变频器，其内部结构如图1所示。换成并行数据。

图1　AD9857结构框图

1)输入数据通道。将串行输入的I/Q通道数据转换成并行数据。

2)固定插值(4×)滤波器。通过两级半带滤波器实现一个固定的4倍插值，将数据速率提高4倍。

3)可编程CIC滤波器与反CIC滤波器。可以通过一个6bit的控制字对CIC滤波器编程，提供一个(2×～63×)倍数的内插。CIC滤波器具有低通滤波器特性，但其通带内波纹的幅度较大，因此在前端有一个反CIC滤波器预先加以补偿。

4)DDS核。DDS核产生一个正交参考载波提供给数字调制器的I、Q通道，DDS核输出信号的频率由一个32bit频率控制字决定，这使得AD9857输出信号的频率可以非常精确地变化。AD9857输出信号频率与频率控制字Wfreq的值及系统时钟fsysclk之间的关
系为：

f_out=(W_freq×f_sysclk)/2³²，

其中DDS产生的载波最高频率为40%×f_sysclk。

5)正交调制器。数字正交调制器的作用是将基带数据的频谱调制到所需要的载波频率上，这个过程就是上变频。其中，载波由DDS核提供。

6)反SINC滤波器。由于DAC的零阶保持效应，输出信号的频谱会被SINC包络加权。因此在前端用一个反SINC滤波器对输入数据进行预处理，以抵消SINC包络造成的失真。

7)输出幅度乘法器。输出幅度乘法器是用来控制输出信号的幅度，由一个8bit控制字决定，其值为0～1.9921875。

8)14bitDAC。14bitDAC的作用是把数字信号转换成模拟信号。数模转换过程会在n×f_sysclk+f_carrier(n=1，2，3，…)处产生干扰信号，需要外接一个RLC滤波器滤除干扰。AD9857是以两路互补电流方式输出，该电流的大小可以通过外接电阻R_set决定(I_out=39.936/R_set)，输出电流范围为5～20mA。

9)参考时钟倍频器。参考时钟倍频器可以对输入的时钟做一个(4×～20×)的倍频，倍频后的时钟频率最高可达200MHz。

AD9857的工作原理及工作模式
AD9857接收14位并行数据，由I/Q交替输入，在芯片内完成串并转换，将数据分成两路，并在正交调制前一直保持两路。AD9857只完成数字信号正交上变频的过程，所以数字信号的编码、脉冲成形等过程应该在输入之前完成。

AD9857的参考时钟倍频器可以对输入的时钟做一个(4×～20×)的倍频，倍频后的时钟信号作为系统时钟f_sysclk。f_sysclk提供了系统所需要的时序控制，其最高频率可以达200MHz。CIC滤波器输出的数据速率与DDS核产生的数字载波的采样率相同(即f_sysclk)，因此，AD9857内正交调制器输出信号的采样率为f_sysclk的数字信号。

AD9857有3种工作模式以满足不同需要：正交调制模式(默认)、单频输出模式、插值DAC模式。当工作在正交模式时，DDS核提供给正交调制器一个正交载波，在那里先与I/Q通道数据相乘、再将相乘后的信号相加或相减，将数据正交调制到所需要的频率。当工作在单频模式时，AD9857不接收14位数据通道的信号，而是由DDS核产生一个单频信号经过反SINC滤波器后通过DAC输出，这种工作模式下，AD9857相当于一个DDS芯片。当工作在插值DAC模式时，输入的14位基带信号经过AD9857后仍为基带信号，没有经过任何的调制处理。

AD9857的使用方法
用户对AD9857的参数控制是通过一个串口来实现的，用户需要控制的参数包括串口状态设置、工作寄存器选定、工作模式设置、载波频率设置、系统时钟设置、内部过采样率等。

串口包括、SCLK、SDIO、SDO、SYNIO5根信号线，其中为使能信号，当为低时串口有效；SCLK为时钟信号；SDIO为双向数据线，当串口处于双线工作状态(SCLK，SDIO)时，SDIO为双向线，当处于三线工作状态时(SCLK，SDIO，SDO)，SDIO作为输入口；SDO作为输出口；SYNIO为串口同步恢复信号。

串口的一个通讯周期有2个步骤，第1步是与SCLK的前8个上升沿同步向AD9857写一个指令字，这个指令字决定数据读写选择、数据传输的位数(1～4个字)及第1个传输数据的寄存器地址；第2步则是数据传输。串口读写时序如图2、图3所示。

图2　串口写操作

图3　串口读操作

串口指令字格式如表1所示。

表1　串口指令字格式

表1中，R/W决定串口为读操作(1)或写操作(0)；A4～A0为读写的目标寄存器；N1、N0决定在数据传输周期需要传送的字节数，如表2所示。

表2　传输字节数

AD9857共有26个(00h～19h)寄存器，其每个比特都代表了不同的参数。其中00h、01h为全局寄存器，其余24个寄存器分为4个相同的寄存器组，通过外部信号PS0、PS1选择不同寄存器组的参数(如表3所示)。寄存器组的比特分配及意义如表4所示，每个寄存器组可以提供以下功能：

1)通过频率控制字决定输出信号的频率；
2)当采用正交调制模式时，选择正交调制的两路信号相加或相减；
3)选择CIC滤波器的内插倍数或旁路CIC滤波器和反CIC滤波器；
4)控制输出信号的幅度；
5)控制系统时钟等。

表3　寄存器组的选择

表4　控制寄存器的定义

软件无线电的调制算法分析

软件无线电具有灵活性、可扩展性等主要特点，这主要是因为软件无线电的所有功能都是由软件来定义的。目前常用的模拟调制方式主要有AM、FM、DSB、SSB等，数字调制方式有ASK、FSK、PSK、QAM等。如果按照常规的方法，每产生一种信号都需要一个硬件电路，要在一部通信机中产生几种通信信号，其电路就会极其复杂。如果要增加一种调制方式就非常困难。软件无线电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。每一种调制算法都做成软件模块形式，每一种调制算法都做成软件模块形式，要产生某种调制信号只需调用相应的模块即可。因此在软件无线电中，可以不断更新调制模块的软件来适应不断发展的调制体制，具有相当大的灵活性和开放性。从理论上来说，各种通信信号都可以用正交调制的方法来实现，即

S(t)=I(t)cos(ω_ct)+Q(t)sin(ω_ct)，

其中，ω_c表示载波角频率，调制信息包含在I(t)、Q(t)内。几种常用调制方式的解析式如表5所示。

表5　各种调制方式的解析式

AD9857在软件无线电中的应用

AD9857的应用框架
根据AD9857的原理以及软件无线电调制算法的特点，笔者设计了一个利用AD9857完成各种调制方式通用的硬件平台，如图4所示。图中，模拟信源经过ADC采样后可以直接送往AD9857，完成传统的模拟调制，也可以经过FPGA进行基带处理后再送往AD9857。而数字信号源则先送往FPGA，利用FPGA完成编码、I/Q通道分离、基带成型等步骤，再送至AD9857完成上变频，对AD9857的配置也是由FPGA完成。在这个硬件平台中，FPGA芯片选用了Altera公司的ACEX系列的EP1K100。ACEX系列器件是美国Altera公司着眼于通信、音频处理以及类似场合应用而推出的FPGA系列，其主要特点有：

1)采用查找表(LUT)和嵌入式阵列块(EAB)相结合的结构，特别适用于实现复杂逻辑功能和存储器系列，例如通信中的数字信号处理，多通道数据处理，数据传递和微控制等。

2)典型门数从1万到10万门，有多达49152位RAM。

3)器件采用2。5V的内核电压，功耗低，能够提供高达250MHz双向I/O功能。

ACEX1K100具有典型门数10万门，逻辑单元4992个，嵌入式阵列块12个，完全符合应用于各种数字调制系统基带信号处理的要求。A/D转换器则采用了AD公司的AD9215，AD9215是AD公司的单通道10位高速低功耗A/D转换器，采用+3V供电，最大采样速率105MS/s，模拟输入带宽可达300MHz，支持单端或差分输入。

图4　AD9857应用方案

实验结果
图5是AD9857调制伪随机信号的频谱图，即利用QPSK调制将速率为5Mb/s的数据调制到频率为42MHz的中频上。在这次实验中，利用FPGA完成对待调制的数据进行I/Q通道分离、基带成型等步骤后将数据送往AD9857，由AD9857完成正交调制的功能。AD9857输入的参考时钟频率为20MHz，倍频系数为10，CIC滤波器插值率为4。

图5　实验结果

结论

AD9857提供了符合当前高速无线通信和宽带数据通信所要求的数字正交上变频功能，具有很强的通用性和灵活性，非常适合应用在软件无线电中。