基于软件无线电的数字下变频原理和实现

第４期　微处理机　Ｎ０．４　２００８年８月　ＭＩＣＲ０ＰＲＯＣＥＳＳ０ＲＳ　Ａｕｇ．，２００８　基于软件无线电的数字下变频原理和实现　喻黎霞，王辉，周计文　（南京工业大学信息科学与工程学院，南京２１０００９）　摘　要：介绍了数字下变频在软件无线电中的原理和应用，以及由Ｈａｒｒｉｓ公司生产的ＤＤＣ芯　片ＨＳＰ５００１６和芯片ＨＳＰ５０２１４Ｂ，并对它们进行了分析。为解决软件无线电在实现中出现的硬件　瓶颈提供了解决方案。　关键词：软件无线电；数字下变频；中频；射频天线　中图分类号：ＴＮ９９　文献标识码：Ａ　文章编号：１００２—２２７９（２００８）０４—０１８９—０３　Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ａｎｄ　Ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ　ｏｆ　ＤＤＣ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ｓｏｆｔｗａｒｅ　Ｒａｄｉｏ　ＹＵ　Ｕ—ｘｉａ，ＷＡＮＧ　Ｈｕｉ，ＺＨＯＵ　Ｊｉ—ｗｅｎ　（Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｎａｍｉｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｆｏＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｎａ　ｎｇ　２１０００９，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｄｉｇｉｔａｌ　ｄｏｗｎ　ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ｒａｄｉｏ　ａｒｅ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ　ｉｎ　ｔｈｉｓ　ａｒｔｉｃｌｅ．Ｔｈｅ　ｃｈｉｐ　ＨＳＰ５００１６　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｃｈｉｐ　ＨＳＰ５０２１４Ｂ　ｐｒｏｄｕｃｅｄ　ｂｙ　Ｈａｒｒｉｓ　Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ　ａｒｅ　ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ｓｏｌｖｅ　ｔｈｅ　ｈａｒｄｗａｒｅ　ｂｏｔｔｌｅｎｅｃｋ　ｉｎ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ｒａｄｉｏ　ＤＤＣ　ａｐｐｅａｒｓ　ｔｏ　ｐｒｏｖｉｄｅ　ｔｈｅ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｏｆ　ｓｏｌｕｔｉｏｎ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：Ｓｏｆｗｔａｒｅ　ｒａｄｉｏ；Ｄｉｇｉｔａｌ　ｄｏｗｎ　ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ；Ｉｎｔｅｒｍｅｄｉａｔｅ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ；Ｒａｄｉｏ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　１引言　２基本思想　１９９２年５月Ｊｏｅ．Ｍｉｔｏｌａ在美国国家远程系统会　数字变频技术是软件无线电的核心技术之一。　议上首次提出了软件无线电（Ｓｏｆｗｔａｒｅ　Ｒａｄｉｏ）的概　上变频和下变频的概念分别是指把信号搬移到更高　念。它的基本思想即数字化在天线端（或者无限接　或更低的频率上。这可以通过信号　。（ｔ）与一个复　近）实现，而所有处理完全由驻留在高速数字信号　旋转向量相乘得到，结果为：　处理功能部件中的软件来完成。把硬件作为无线通　６（ｔ）＝　。（ｔ）　（１）　信的基本平台，把无线电信号的数字化从基带移向　式中　代表搬移的频率。通常我们把　称为　中频（ＩＦ）级最后移到射频（ＲＦ）级，其宽带Ａ／Ｄ／Ａ　载波频率，把基带信号搬移到该频率叫上变频，从该　转换器尽可能靠近天线（Ｒｒ），把尽可能多的无线通　频率搬移到带通信号称为下变频。我们通常把它看　信功能用软件定义。但受硬件发展水平的限制，直　作频率搬移，从而可以使　的值为正或负。复数信　接射频采样目前还有一定困难，所以首选方案是在　号的实部和虚部也可以分别称为同相分量或正交分　中频（ＩＦ）对模拟信号数字化。经过模拟混频将射　量。数字上变频和下变频就是对式（１）进行数字　频信号变换到中频上。然后在中频（ＩＦ）带对宽带　化。这就意味着信号和复数向量都要矢量化的样本　多信道信号进行带通采样。根据带通采样（欠采　来表示。引人满足采样定理的采样周期Ｔ，这样，数　样）定理，采样频率不一定大于信号最高频率的２　字上变频和下变频可以写为：　倍，用较低的采样频率也可以保证不发生频谱混叠。　６（ｋｒ）＝　（　）　（２）　但是即使采用欠采样技术，中频采样数据量仍然较　假定模数转换和数模转换都很理想，那么，等式　大，因此需要下变频处理。现在通常的做法是先利　（１）和式（２）等价进行上变频还是下变频是由　的　用专用硬件数字下变频器（ＤＤＣ）将采样后的数字　符号决定的。因此，我们只要对其一种情况讨论就　信号进行下变频处理。下面我们介绍数字下变频的　足够了。下面我们只讨论数字下变频。值得注意的　理论基础和实现方式。　是还有一种是实上变频和实下变频，正弦或余弦函　作者简介：喻黎霞（１９７９一），女，江西南昌人，硕士研究生，主研方向：信号与信息处理（软件无线电）。　收稿日期：２００６—０７—２６　・１９０・　微处理机　２００８年　数与信号相乘，而不是用复数指数。然而，实变频是　频，搬移到中频段，再进行ＡＤＣ采样。　复变频的特例，通常不把实变频和复数变频分开来　讨论。　３数字下变频的实现　数字变频技术是软件无线电的核心技术之一。　图１数字Ｆ变频器组成框图　与模拟变频器相比，数字变频不存在模拟变频器中　数字下变频（ＤＤＣ）是Ａ／Ｄ变换后首先要完成　混频器的非线性和模拟本地振荡器的频率稳定度、　的处理工作，包括数字下变频、滤波和二次采样。一　边带、相位噪声、温度漂移、转换速率等人们关心但　般认为要进行较好的滤波处理，需要每采样点１００　是难以彻底解决的问题，而且数字变频中频率步进　次操作，对于一个系统带宽为１０ＭＨｚ的系统，采样　和频率间隔也具有理想的性能，并且数字变频器的　率大于２５ＭＨｚ，这就需要２５００ＭＩＰＳ的运算能力，即　控制和修改比较容易，实现比较简单。影响数字变　使用并行处理算法，也需要多个高性能ＤＳＰ。从现　频器性能的主要因素有两个：一是表示数字本振、输　有关于软件无线电的文献中，都认为以现有ＤＳＰ的　入信号以及混频乘法运算的样本数值的有限字长所　水平，将这部分工作交由专用可编程芯片来完成是　引起的误差；二是数字本振相位分辨率不够大而引　合适的，如美国“Ｓｐｅａｋｅａｓｙ”软件无线电中使用　起的数字本振样本数值的近似取值。数字变频器由　Ｈａｒｒｉｓ公司的ＤＤＣ芯片ＨＳＰ５００１６。　数字混频器、数字控制振荡器（ＮＣＯ）和低通滤波器　ＨＳＰ５００１６的最大输入速率为５２ＭＳＰＳ，１６ｂｉｔ数　三部分组成，数字下变频器（Ｄｉｇｉｔａｌ　Ｄｏｗｎ　Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ，　据输入，能提供大于１０２ｄＢ的无失真动态范围　ＤＤＣ）的组成包括数字混频器、数字控制振荡器　（ＳＦＤＲ），通带波纹小于０．０４ｄＢ，阻带衰减大于　（ＮＣＯ）和低通滤波器（ＬＰＦ）三部分，如图１所示。　１０４ｄＢ，二次采样率从６４—１３１０７２，能方便地通过改　数字下变频的基本原理同模拟下变频一样，就是把　变各种控制参数来改变信道的中心频率、带宽和二　输入信号与本地振荡信号相乘，将射频信号通过混　次采样率，图２给出了ＨＳＰ５００１６的结构框图。　图２　ＨＳＰ５００１６结构框图　ＨＳＰ５００１６用于下变频的频谱原理见图３。设　Ｕ（ｎ）＝　（ｎ）ｅ１　“＝　（／１，）［ｃｏｓ（￣　ｎ）一ｊｓｉｎ（￣　ｎ）］：　ＤＤＣ的输入信号为　（ｎ）＝ＣＯＳ（ｗｋｎ）正交正弦信号　１２［ＣＯＳ（　一　）／Ｚ＋ＣＯＳ（（　＋　）ｎ］一　发生器的信号为ｅ—　，则相乘结果为：　１２ｊ［ｓｉｎ（　＋　。）ｎ＋ｓｉｎ（　一石　）ｎ］　低通滤波后：　Ｗ（ｎ）＝１２［ＣＯＳ（一ｏｔ　一　。）凡＋ｊｓｉｎ（　一　。）ｎ］　一敖　＂ｇｏｃ　用ＨＳＰ５００１６实现的下变频电路如图４所示。　（ａ）输入信号频谱　图中Ａ／Ｄ输出的１２位数据接至ＤＤＣ的高ｌ２　位（即ＤＡＴＡ１５—４），ＤＡＴＡ３—０接地。表１给出了　这种应用时的控制字设置。在这种设置中，抽取率　（ｂ）数字下变频和滤波后的频谱　为６４，无测试功能，因此控制字０和控制字７可以　图３　ＨＳＰ５００１６用于下变频的频谱原理　不用，全置０。　４期　喻黎霞等：基于软件无线电的数字下变频原理和实现　・１９１・　特性如下：前端处理速度ＣＬＫＩＮ达到６５ＭＳＰＳ，后端　处理速度ＰＲＯＣＬＫ达５５ＭＳＰＳ。全部处理过程的无虚　假信号动态范围（ＳＦＤＲ）大于１００ｄＢ。　在低通输出带宽为９８２ｋＨ的时候输出速率可　达１２．９４ＭＳＰＳ。总抽取因子范围为４—１６３８４，由于　有了重采样级，抽取因子可以是非整数。３２一ｂｉｔ的　可编程载频数控振荡器（ＮＣＯ）可用于信道分选和　载波跟踪，频率分辨率可达０．Ｏ１５Ｈｚ（ＣＬＫＩＮ＝　６５ＭＳＰＳ时）。３２一ｂｉｔ的重采样ＮＣＯ可用于码元跟　图４　ＨＳＰＳ００１６实现的下变频电路　踪。数字ＡＧＣ可用于进一步扩大信号的位分辨率，　表１下变频时的控制字的内容　增益容限可在０～９６．３３２ｄＢ、增益调整速率在　０．０００１０６～３．２７５Ｄｂ／ＰＳ之内可编程，增益调整有固　定和自动两种选择。另外还有输入电平检测器用来　构成外部模拟增益控制环路。输入分辨率为　１４－ｂｉｔ，输出分辨率为１６一ｂｉｔ，支持直接串行、直接　目前，Ｈａｒｒｉｓ公司推出了性能更加优越的　并行、ＦＩＦＯ式缓存和快照式缓存输出。　ＨＳＰ５０２１４Ｂ作为ＤＤＣ，ＨＳＰ５０２１４Ｂ可大体分为１３个　功能模块：同步电路、输入模块、输入电平检测、变频　４结束语　模块（正交混频器与数控振荡器）、ＣＩＣ（Ｃａｓｃａｄｅｄ　软件无线电思想的提出是通讯领域中的一大飞　Ｉｎｔｅｇｒａｔｏｒ—Ｃｏｍｂ）抽取滤波器、ＨＢ（Ｈａｌｆ—ｂａｎｄ）抽取　跃，但是现在的硬件条件具有一定的“瓶颈”。数字　滤波器、２５５阶可编程ＦＩＲ滤波器、自动增益控制器　下变频就是为了解决这个问题而提出的，把信号的　（ＡＧＣ）、重采样与ＨＢ内插滤波器、定时数控振荡器、　频率通过变频器进行频谱搬迁。使之符合现阶段的　‘　坐标变换器、鉴频（幅）模块和输出模块。ＨＳＰ５０２１４Ｂ　硬件条件。本文表述了数字下变频的理论原理和实　可以完成通常ＤＤＣ所应具有的三大功能：①频率变　现方式，介绍了实现数字下变频的芯片ＨＳＰ５００１６　换；②采样率压缩（抽取）；③滤波整形。其中的变频　和ＨＳＰ５０２１４Ｂ的结构和芯片引脚。　功能由正交混频器完成，抽取和滤波功能则由ＣＩＣ抽　参考文献：　取滤波器、ＨＢ抽取滤波器、２５５阶ＦＩＲ抽取滤波器、　［１］　［英］Ｔｕｔｔｌｅｂｅｅ　Ｗ著，杨小牛，楼才义，等译．软件无线　重采样和ＨＢ内插（Ｉｎｔｅｒｐｏｌａｔｉｏｎ）滤波器级联完成。　电技术与实现［Ｍ］．北京：电子工业出版社，２０ｏ４—　０６．　事实上，这里的变频和低通滤波合在一起就是带通信　［２］袁伟娜，张翠芳．软件无线电中数字变频器的设计与　号的正交调制过程。而其中的抽取功能实际上是通　实现［Ｊ］．电子工程师，２００２，２８（１０）：２３—２６．　过采样率变换的多级级联实现的。就系统所需的运　［３］杨青，赵明忠．软件无线电中的数字下变频技术［Ｊ］．　算量和存储量来说，采样率变换的多级实现通常要比　现代电子技术，２００２，（１２）：７１—７３．　［４］ＨＳＰ５０２１４　，Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ　单级实现更有效。因此，ＨＳＰ５０２１４Ｂ工作机理的理论　［ＤＢ／ＯＬ］．Ｆｅｂ．，２０００．　渊源就是带通信号的正交调制理论和采样率变换的　［５］　Ｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇ　Ｍａｘｉｍｕｍ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　Ｒａｔｅｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ＰＤＣ　多级实现理论。除了上述的三大功能以外，　ＨＳＰ５０２１４，ＨＳＰ５０２１４Ｂ　Ｈａｒｒｉｓ　Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ［ＤＢ／ＯＬ］．　Ｍａｙ．，２０００．　ＨＳＰ５０２１４Ｂ还可以完成诸如自动增益控制、片内和片　［６］黄葆华，吕晶，沈越泓，等．数字下变频器ＨＳＰ５００１６的　间同步控制、载波和码元跟踪以及对部分常规通信信　功能以其应用［Ｊ］．军事通信技术，１９９７，１８（２）：３８—　号的解调等功能。概括地说，ＨＳＰ５０２１４Ｂ具有的技术　４７．　特约声明　本刊已人编《中国学术期刊网》（光盘版）、中国科学技术信息研究所《万方数据网》、科学技术部西南信　息中心《中文科技期刊数据库》和（台湾）华艺数位艺术股份有限公司《中文电子期刊服务》。其作者文章著　作权使用费与本刊稿费一次性付清。凡不同意人编的稿件，请作者在投稿时声明。