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基于軟件無線電的多制式信號發(fā)生器的設計與實現(xiàn)
摘要：提出了一種軟件無線電通用信號發(fā)生器的設計方案，包括硬件構(gòu)成和軟件算法的實現(xiàn)。該信號發(fā)生器為軟件無線電的研究與開發(fā)提供了便利條件。軟件無線電是一種無線電通信新的體系結(jié)構(gòu)。在1992年5月美國電信系統(tǒng)會議上，JeoMitola首次提出了軟件無線電概念，之后迅速引起了人們的關注，并開始對它進行廣泛而深入的研究。具體地說，軟件無線電是以可編程的DSP或CPU為中心，將模塊化、標準化的硬件單元以總線方式連接起來，構(gòu)成通用的基本硬件平臺，并通過軟件加載來實現(xiàn)各種無線通信功能的開放式的體系結(jié)構(gòu)。它使得通信系統(tǒng)擺脫了面向設計思想，被認為是無線通信從模擬到數(shù)字、從固定到移動之后的又一次突破。
在軟件無線電的研究過程中，調(diào)制解調(diào)技術(shù)是移動通信系統(tǒng)空中接口的重要組成部分。在不同的蜂窩半徑和應用環(huán)境下，移動通信的信道呈現(xiàn)不同的衰落特性，根據(jù)移動信道的衰落情況，自動地改變調(diào)制方式，從而提高傳輸效率并保證傳輸性能。那么，一個通用的信號源是必不可少的。
圖1 多制式信號發(fā)生器硬件原理圖
作者設計了一個基于DSP DDS結(jié)構(gòu)的可編程調(diào)制器的硬件平臺，并在此硬件平臺上實現(xiàn)了各種模擬調(diào)制和數(shù)字調(diào)制的通用軟件算法。當改變調(diào)制制式時，無需再次下載程序，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，信號源輸出的波形多數(shù)是對周期的01序列進行調(diào)制，輸出波形單一，只能作為解調(diào)輸入信號的一種特例，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發(fā)生器不僅可以實現(xiàn)模擬調(diào)制，而且可以實現(xiàn)各種數(shù)字調(diào)制。DSP利于基帶信號的實時處理，可以實現(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。圖1給出多制式信號發(fā)生器硬件原理圖。
信號發(fā)生器主要由三部分構(gòu)成：控制單元、數(shù)字信號處理器(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)可以滿足對信號的實時處理，它的高性能、低功耗及低價位使其得到廣泛應用。
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)生的偽隨機序列）首先在DSP中進行編碼、調(diào)制等處理后得到基帶信號。基帶處理得到正交信號的I/Q分量交替進入AD9857，經(jīng)過串并變換，轉(zhuǎn)換成兩路并行的I/Q數(shù)據(jù)，進行內(nèi)插和上變頻運算，然后通過D/A變換直接輸出模擬中頻信號，從而將基帶處理和中頻調(diào)制合二為一。
AD9857對輸入的數(shù)字信號進行采樣和內(nèi)插，降低了DSP的處理負擔，使整個系統(tǒng)的性能達到較好的程度。
2 軟件算法
軟件無線電具有完全的可編程性。它采用數(shù)字信號處理技術(shù)，在可編程控制的通用硬件平臺上，利用軟件來定主實現(xiàn)無線電臺的各部分功能，包括對無線波段、信道調(diào)制、接入方式、數(shù)據(jù)速率的編程等。因此通過程序進行控制和操作，是軟件無線電最突出的特點之一。軟件算法的設計直接關系到電臺軟件的實現(xiàn)。軟件無線電臺對信號的處理都是實時的，因此對算法的時間及空間的復雜性都提出了很高的要求。
為節(jié)省有限的DSP運算資源，軟件無線電軟件算法研究中大量采用查表法來提高處理速度，通常在調(diào)制過程中使用波形存儲法。編寫軟件算法程序時，只要某一調(diào)制方式及其對應的輸出狀態(tài)數(shù)目是有限的，就可以借助表法來實現(xiàn)。查表法避免了大量的中間運算，簡單易行，唯一的缺點是占用了大量的存儲空間。因此，需要建立一張通用的表格，該表格存儲了經(jīng)過量化的14位有符號的二進制數(shù)。表格的設計應達到查表過程簡單，同時滿足不同的調(diào)制方式。用這個表還可以實現(xiàn)正弦函數(shù)的計算，只需將當前相位移相π/2。
除了一張通用的余弦表，針對不同的調(diào)制方式還需分別建立對應的調(diào)制星座圖映射表，按照調(diào)制方式分類組成一個相位表格庫。對于差分相位調(diào)制，該表格為差分相位表格。當調(diào)制方式確定后，根據(jù)得到的碼元，查表計算當前相位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)字存儲區(qū)存儲的是一個周期的余弦函數(shù)波形樣點，設存儲區(qū)的采樣點數(shù)為N，表格的移動步長為d。原始調(diào)制每兩個比特一組，通過表1中的調(diào)制星座圖映射成差分相位ΔΦk與前一碼無的相位進行模2π相加得到當前碼元的絕對相位Φk，計算Φk在余弦表中的偏移地址，根據(jù)偏移地址調(diào)制信號的數(shù)據(jù)。
設f(i)=cos(id),其中0≤i
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