摘 要: 介紹了一種數字中頻軟件無線電接收機的結構，并通過一個實例說明它的具體設計和實現方式。
關鍵詞: 數字下變頻器 數字信號處理器 軟件無線電
軟件無線電以其極強的靈活性和開放性代表著無線通信系統的發展趨勢。其思想是以一個通用、標準、模塊化的硬件平臺為依托，通過軟件編程實現無線通信系統的各種功能。
軟件無線電提倡功能軟件化，要求減少模擬環節。對接收機而言，則要求模/數轉換器盡可能靠近天線。在現階段，由于各種關鍵器件發展水平的限制，高頻信號的直接數字化及其數據處理在成本上還不合算，因此數字中頻軟件無線電加上少量的高頻模擬前端正成為理想軟件無線電的一種經濟、適用的選擇。本數字中頻接收子系統是基于數字下變頻器DDCAD6620和數字信號處理器DSPTMS320C6701構建的。
1 總體設計
1.1 系統組成與信號處理流程
系統基本結構如圖1所示。單片機實現數字下變頻器的引導和初始化;高速ADC根據頻率源Encode輸入的時鐘信號對輸入信號進行過采樣，并通過并行數據線向數字下變頻器輸出采樣結果;數字下變頻器根據單片機輸入的數據設定數控振蕩器NCO頻率值、抽樣率以及數字濾波器系數，據此對采樣數據進行下變頻、降低數據率和低通濾波處理，并通過串口將數據提供給DSP進行處理。
下面以一個實例說明信號處理流程。假設輸入的中頻信號的中心頻率為456kHz，帶寬為20kHz，fL、fH分別表示頻率下限和上限，fL為446kHz，fH為466kHz。
如果如用Nyquist 帶通采樣定理采樣并設采樣頻率為fs，則要求:
其中，n的取值應滿足fs≥2(fH-fL)時的n的最大值。
取n為20，則帶通取樣頻率為40.53kHz。如圖2所示，(a)表示原始信號頻譜，(b)表示以40.53kHz的采樣頻率采樣后的信號頻譜。對于處理信號而言，由于實際的20kHz帶外還存在遞減的干擾信號，倘若以40.53kHz采樣率進行采樣，就會出現較強的頻譜混疊。
若用ADC對信號進行20MHz過采樣，則如圖2(c)所示，相鄰信號頻譜之間的間隔大大加寬，可充分避免頻譜混疊。
本系統采用高速A/D轉換芯片進行20MHz高速采樣，輸出的數據率為20MBPS。在目前的技術條件下，倘若過高的數據率直接輸出給DSP，會占用DSP很多不必要的開銷，所以需加入數字下變頻器，在DSP前端將數據率降低。數字下變頻器的主要功能有3個:(1)變頻，將感興趣的信號的中心頻率變至零中頻;(2)濾波，濾除帶外干擾信號;(3)數率轉換，通過降低數率，提供利于后續電路處理的低速數據。
1.2 硬件電路設計
系統的硬件電路設計如圖3所示。
數/模轉換器采用的是AD公司生產的AD6600[1]，它具有同時處理兩路信號的能力。系統中Main Input向數/模轉換器AD6600輸入中頻模擬信號，Encode給AD6600提供20MSPS的采樣時鐘。AD6600采樣后的結果通過并行數據線輸出給數字下變頻器，并行數據線包括11位數據線和3位RSSI信號線(指數位)。
數字下變頻器選用AD公司生產的AD6620[2]。如圖3所示，AD6620的時鐘信號是通過CLK由AD6600提供的。AD6600和AD6620都有兩個數據通路A和B，具有同時處理兩路信號的能力，它們通過A/B選擇線協調相互間的工作模式。當AD6600只有一路信號需處理時，A/B選擇線還可以用作輸出數據的同步信號線。本例中僅有一路信號需要處理，所以只占用AD6600和AD6620的一個信號處理通路。由于AD6620的時鐘信號CLK由AD6600直接提供，CLK同時起到了同步的作用，因此無需A/B用作同步信號線。在本系統中，本可將A/B拉高(當AD6600選擇A通路時)或接地(當AD6600的選擇B通路時)。但考慮到系統的通用性，還是將AD6600 A/B和AD6620的A/B相連。AD6620的輸入時序如圖4所示。
在本例中，由單片機8031通過P1、P2口對AD6620的并行設置端口microport 進行設置。AD6620通過串口SDO向DSP輸出處理后的數據。由圖3可見，AD6620的SDM接地，此時同步信號SCLK是由DSP傳給AD6620的。在這種情況下，用DVout來提示當前信號有效。SDFS表示數據幀的開始，在從模式下，該信號從DSP輸入，AD6620在每個時鐘周期的下降沿檢測它。AD6620的輸出時序如圖5所示。首先，AD6620的DVout引腳給DSP一個2～4個時鐘周期的高電平信號通知DSP當前數據有效，然后DSP發回一個確認信號SDFS，表示一幀信號的開始。AD6620檢測到SDFS為高電平后，在下一個時鐘周期的上升沿開始輸出信號。
DSP采用TI公司的TMS320C6701[3]。TMS320C6701包含8個并行的處理單元，采用甚長指令字(VLIW)結構，芯片最高時鐘頻率可達300MHz，最大處理能力可達2400MIPS。在本系統中，TMS320C6701的中斷源INT4檢測到中斷信號以后，就會做好接收數據的準備，由FSR發出數據幀的幀同步信號，并由SCLK給出同步時鐘，從DR輸入信號。TMS320C6701對輸入數據進行處理的程序的前幾條指令放在中斷源INT4在中斷服務表中的中斷服務取指包中。如果中斷服務太長而不能放到一個取指包內，則加上一條跳轉指令跳轉到別的位置。
2 關鍵技術
AD6620內含四個信號處理單元:一個頻率轉換器、兩個固定系數抽樣濾波器CIC2、CIC5(抽樣率可選)和一個可編系數抽樣濾波器。通過對AD6620這四個信號處理單元參數的不同設置，能使系統以同一套硬件實現不同輸入情況下的接收功能。
在上面所給的實例中，AD6620在系統中的作用是把數據率降至20kBPS，把456kHz中頻信號變成零頻信號，并對信號進行低通濾波處理。下面對實例中AD6620的重要參數設置進行討論。
2.1 振蕩器頻率值的設定
AD6620中的頻率轉換器接收初始化時寫入的信號頻率值，并據此對輸入信號進行下變頻。實例中輸入信號的中心頻率fCH為456kHz，采樣頻率fSAMP為20MHz。寫入AD6620的頻率值是一個32位的無符號整型數，由下式確定:
代入fCH和fSAMP，可得NCO_FREQ的二進制表示為101110101100011100010000110。
2.2 抽樣率的選擇
在本例中，AD6620需將20MBPS數據率降至20kBPS，總的抽取因子為1000。由于第一個抽樣濾波器的抽樣因子MCIC2可以設為2、3...16中的任何一個，第二個抽樣濾波器的抽樣因子MCIC5可以設為1、2...32中的任何一個，可編系數抽樣濾波器RCF的抽樣因子MRCF可以設為1、2...32中的任何一個，所以由:
MCIC2×MCIC5×MRCF=1000
可取得MCIC2為10，MCIC5為25，MRCF為4。
2.3 濾波器系數的設計
經過前面梳狀濾波器的處理，在一定程度上抑制了干擾信號，但對于有更高通道要求的應用還不夠理想。AD6620內部的系數可編程濾波器FIR可用來解決這一問題。
FIR濾波器設計的目標是:盡可能讓10kHz的低通目標信號通過，并抑制帶外干擾信號。從濾波器幅頻特性曲線的角度來說，要求通帶波動盡可能小;通帶寬度盡可能與信號帶寬10kHz相等，過渡帶盡可能銳利;阻帶衰減盡可能大。通常FIR濾波器的階數越高，幅頻特性越好。AD6620提供的FIR最高可達255階，具體選擇多少要根據具體情況討論決定。
實例中使用窗函數設計法[4](或稱傅立葉級數法)確定數字濾波器系數，即由理想的濾波器頻率響應Hd(ω)經傅立葉反變換導出hd(n)，然后用一個有限長度窗函數序列w(n)截取。
由于輸入給可編系數濾波器的數據經過了CIC2和CIC5兩次抽樣，且抽樣因子MCIC2為10，MCIC5為25，因此此時輸入數據的采樣頻率fS為:
因為截止頻率為10kHz，所以數字域截止頻率ωC為:
這表明在通帶|ω|≤ωc范圍內，Hd(ejω)的幅度是均勻的且其值為1，相位是-ωα。
由此可得:
取w(n)=RN(n)，按照線性相位濾波器的約束，h(n)必須為偶對稱，對稱中心長度應為長度的一半(N-1)/2，且α=(N-1)/2。取N=255，則α=127。則濾波器的系數為:
本文介紹的基于AD6620和TMS320C6701的數字中頻軟件無線電接收子系統，作為中頻軟件無線電平臺，適合于大部分通信和雷達的窄帶處理。
參考文獻
1 Dual Channel，Gain Ranging ADC with RSSI -AD6620.Analog Devices Inc，1997
2 65 MSPS Digital Receive Signal Processor -AD6620.Analog Devices Inc，1998
3 TMS320C6000 Peripherals Reference Guide.Texas Instruments Incorporated，1999
4 程佩清.數字信號處理教程.北京:清華大學出版社，1998
5 楊小牛，樓才義，徐建良. 軟件無線電原理與應用. 北京:電子工業出版社，2001