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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);鶐幚淼玫秸恍盘(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
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