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1、中频数字化接收机系统设计与实现长沙国防科技大学电子科学与工程学院(410073) 胡延平 李 纲 皇甫堪西南电子电信研究所上海分所(200434) 孙增军摘 要： 介绍了一种基于软件无线电思想的中频数字化接收机系统设计方案。它采用数字下变频器 HSP50214B、数字科斯塔司环 HSP50210、TMS320C542构成核心单元，通过配置不同软件实现对多种类型信号的解调接收。关键词： 软件无线电 中频数字化接收机 软件无线电是一种基于宽带 A/D 器件、高速 DSP 芯片，以软件为核心(Software-Oriented 的崭新的体系结构。其基本思想就是将宽带 A/D 尽可能地靠近射频天线以便
2、将接收到的模拟信号尽可能早地数字化，尽量通过软件来实现电台的各种功能。通过运行不同的算法，软件无线电可以实时地配置信号波形，使它能够提供各种话音编码、信道调制、加密算法等无线电通信业务。我们知道信号失真是长期困扰模拟处理的难题，如本振频率漂移、相位噪声、混频产生的虚假信号、放大时产生的谐波以及互调、机内噪声等问题。尽管设计人员想方设法，但结果并不能令人满意，而软件无线电技术简单有效地解决了这些问题。在数字化之后，本振、混频、放大、滤波都仅仅是数字运算，不会产生谐波、互调等虚假信号。与传统的模拟方式相比，软件无线电具有灵活性、适应性和开放性等特点，被誉为无线电领域的又一次革命。1、接收机总体设计
3、由于受器件水平的制约，直接对射频采样处理还有一定难度。在保留软件无线电通用、灵活、开放的前提下，采用了中频数化方案 1，整个接收机的结构框图如图 1 所示。 该接收机接收信号频率范围：10100MHz，为防止频谱混叠，前端电调谐滤波器分为 8 段滤波器，由 8031 控制选用。第一本振 LO1 采用数字锁相环产生所需频率，通过预置，可产生正弦信号频率范围：13602350MHz，步进值10Hz，电调谐滤波器与一本振互动联调。混频后，将信号通过一中心频率为1350MHz 的带通滤波器后，进行二次混频。第二本振 LO2 产生信号的频率固定设置为：1371.4MHz，因此中频信号为：21.4MHz，
4、通过 AGC 控制输出信号强度范围为：-50-10dBm/50。2、中频数字化单元设计该单元是接收机的核心部件，主要完成几种信号(AM、FM、SSB、CW、FSK、BPSK，QPSK)的解调工作，同时负责对模拟前端提供 AGC 控制用电平强度值和 AFC 控制用载波频率误差值。8031 主控电路板则要为中频数字化单元提供：信号类型、中频带宽、AGC 时间常数、BFO 值、PSK 信号波特率等控制命令。中频数字化处理单元硬件系统大体构成如图 2 所示。2.1 数据采集部分该部分电路主要由数控放大器和模/数转换器 AD6640 构成，负责完成数据采集工作。固定增益放大器 18dB 的中频输入信号为
5、：(21.4MHz，-50-10dBm/50 0.7mV70mV)，输出为(-38dBm+2dBm/502.8mV 0.4V)。AD6640 是 AD 公司生产的新一代模数转换器件，分辨率 12bit，输入动态范围1V，采样速率可达 65Msps，在 5V 供电时功耗仅为 710mW。注意 A/D 前采用固定增益放大电路，并不影响对模拟接收机的 AGC 输出。因该放大电路的增益是已知的，检测出信号电平后可以倒推出放大前的电平变化情况。至于采样速率的确定，此处既可以采用过采样又可以采用欠采样技术。所谓欠采样技术就是对于带通信号(频率范围：fLfFh而言，抽样频率只要满足：fs(K 为整数且 2K
6、 fH-fLfL 就可保证采样后的频谱不产生折叠。这对于减小运算量是很有好处的，但对接收机抗混叠滤波器要求较高。考虑到HSP50214B 处理速率高达 65MSPS，可以采用过采样技术。根据理论上的 ADC的信噪比计算公式：SNR6.02M+1.7Db+10log10 可知：抽样速率每增加一倍，信噪比大约可提高 3dB。因此，在速率允许的情况下，我们仍决定采用过采样技术，采样频率 50MHz。2.2 数字下变频单元数字下变频单元由美国 Harris 生产的专用可编程下变频器 HSP50214B 和专用可编程数字科斯塔司环电路 HSP50210 构成。HSP50214B 大体可分成 13 个部分
7、3(见图 3)，主要功能是将 IF 数据下变频成基带数据。其前端处理速度高达 65Msps，后端处理速度最高达 55Msps。总的抽取因子范围：416384，输出采样速率可达12.94Msps，输出低通带宽最宽为 982kHz(IF 带宽 1.96MHz)。最高支持14bits 字长的数据并行输入，输出形式灵活多样，既可并行输出又可串行输出，既可选择直角坐标数据输出又能选择极坐标数据输出，可选择输出幅度、瞬时相位和频率等参数。另外，HSP50214B 还内带电平检测器，可为 IF 自动增益控制提供支持。总之，HSP50214B 功能非常强大，使用相当灵活，可以解调 AM、FM、FSK 信号。与
8、 HSP50210 一起使用，还可以解调 SSB 和 PSK 信号。HSP50210 是 Harris 公司生产的数字科斯塔司环专用电路，其功能也很强大。时钟处理速率高达 52MHz，内部具有以下功能模块 4(见图 4)：(1)可选升余弦匹配滤波器/积分和去除滤波器(I/D 滤波器)；(2)二阶载波和码元跟踪滤波器；(3)自动增益控制电路；(4)鉴频器；(5)锁定检测器；(6)数据质量和信号电平检测电路；(7)直角坐标向极坐标转化电路；(8)8-Bits 微机控制接口。主要用 HSP50210 来提取相干载波、码元同步信号和载波跟踪情况指示。其内部的 AGC 环路、内部 NCO 载波跟踪、混频
9、电路及 RRC 滤波器等均旁路不用。由于 HSP50210 需要 HSP50214B 提供两路正交数据，而其每一路数据长度只有10bits，因此要注意数据匹配问题。注意：载波跟踪误差 COF 利用同步信号COFSYNC 串行送给 214B 的 NCO，码元跟踪误差 SOF 利用同步信号 SOFSYNC 串行送给 214B 的重采样 NCO，所以 214B 和 210 必须采用统一时钟才能保证同步传送数据不出问题。2.3 DSP 单元DSP 单元采用美国 TI 公司生产的 TMS320C542 专用数字信号处理芯片和外部程序扩展存储器以及数据扩展存储器组成。C542 定点 DSP 芯片，处理速度
10、最高可达 40MIPS，可以满足实时处理要求。主要完成工作：接收 8031 送过来的命令，根据命令完成对 HSP50214B 和 HSP50210 的初始化设置工作。当 FIFO 半满时申请 DSP 的/INT1 中断，DSP 响应中断读入 1024 个数据，做必要的处理后根据信号类型送出。程序定期查询 8031 有无新命令送过来，如有则根据新命令重新设置 214B 和 210 的相关参数，否则继续执行原来的接收程序。根据AGC 时间常数，从 214B 读取电平检测值和频率偏移送 8031，作为模拟部分的调整依据。TMS320C54x 只有高速同步串行通信接口，无法直接与 8031 进行异步通
11、信。采用软件模拟 UART 方式较好地解决了这个问题 2。该方法无需额外硬件开销，仅仅需要两个通用 I/O 脚(BIO 和 XF)、外部中断 INT0 以及一个定时器就可实现，硬件连接非常简单(见图 5)。图 5 中，XF 脚用于发送数据，脚和 INT0 脚用于接收数据。此方法可以模拟半双工通信与全双工通信。软件模拟 UART 技术允许用户设置：数据位数(116)；奇偶校验(奇校验或偶校验)或无奇偶校验；停止位(12)；波特率。2.4 控制单元控制单元主要包括：地址译码电路和与主控电路板上的 8031 单片机通信控制接口。译码电路采用 EPLD(EPM7128SQC-7)实现，以保护电路的灵活
12、性。与8031 通信采用串口通信方式，优点是接口简单，调试方便，传输速率(采用RS-232C 接口串行总线标准)20kb/s。2.5 输出单元输出单元主要包括模拟信号输出和数字信号输出两部分。模拟输出电路主要负责 AM、SSB、FM、FSK 信号的输出。数字输出端口负责输出 B/QPSK 信号(I,Q 两路数据和同步时钟)。由于该接收机从中频 21.4MHz 后采用了全数字设计，在模拟前端采用了电调谐预选滤波器与一本振之间的互动联调(二者可通过 8031 设置)，因而具有极大的灵活性。通过加载不同软件，对模拟部分进行相应控制，本接收机可在101000MHz 的范围内实现对 AM、FM、SSB、CW、FSK、BPSK、QPSK 的解调。实验测试表明：接收效果良好，控制灵活，适应范围广，具有较好的开放性。参考文献1 胡延平，孙增军软件无线电接收机中频数字化单元系统设计方案2 胡延平 李广森TMS320C54x 软件模拟实现 UART 技术3 HSP50214B 数据手册Harris corporation 19984 HSP50210 数据手册Harris corporation 1998
