直接下变频宽带正交解调技术在软件无线电掌上平台中的应用
摘 要： 文章针对掌上软件无线电平台中的下变频技术进行了论述，比较了直接下变频与超外差结构的优缺点。详细介绍了以ad8347为核心的直接下变频模块，给出了其实例应用。
引言
软件无线电是随着计算机技术、高速数字信号处理技术的迅速发展而发展起来的一种新型的无线电处理技术。其基本思想是将宽带a/d及d/a转换器尽可能地靠近天线，将电台的各种功能尽量在一个开放性、模块化的平台上由软件来实现，具有很强的灵活性和可升级性。软件无线电的出现，使无线电技术由以硬件为主的时代走向以软件为主的时代，它是继模拟通信技术、数字通信技术之后的第三代无线通信技术。
一个理想的软件无线电平台是直接在射频信号上采样，但由于受宽带天线、高速a／d及dsp等技术水平的限制，实现这样的理想平台的条件目前还不具备，只能在中频或者基带上进行采样。因此，当前对软件无线电的研究，更多的是在现有的技术条件下，研究如何最大程度的实现软件无线电所要求的通用性和灵活性，将软件化、通用化的设计思想体现到具体的应用实践中。图1示出了一种基于软件无线电思想的在基带信号采样处理的扩频通信掌上平台。
图1 直序扩频接收机的软件无线电掌上平台结构框图
图2 射频直接下变频模块的结构框图
图3 软件无线电平台的dsp模块框图
从图1中可以看出，平台主要分成两大部分：射频接收的模拟前端和dsp处理模块。该系统的扩频信号带宽在5mhz以上，对于掌上平台的射频模块来说，在功耗和体积受限的情况下，如何将宽带信号稳定而精确地从射频下变频至基带进行处理是一大难点。针对该难点，笔者采用直接下变频技术，较好地解决了这个问题。
下变频实现方法
下变频的基本原理是对射频调制信号进行混频和滤波，将其搬移到较低的频段或者基带上处理，其实现方法主要有两种：(1)超外差结构；(2)直接下变频。超外差结构存在两级或多级下变频过程，最后在低中频或者基带上对信号进行解调处理；而直接下变频技术省去了中频变换环节，直接将接收到的射频调制信号进行一次性下变频解调，从而得到基带信号。
两者相比而言，直接下变频是一种理想的射频信号处理方案，一直为无线通信工程师所期待。可由于制造工艺及元器件尺寸的限制，这种方法长时间没有得到具体的推广，而是普遍的选用了超外差式结构方案。但是，对于强调体积和功耗的掌上设备而言，超外差结构与直接下变频相比，存在显著的问题：
与超外差结构相比，直接下变频处理也存在一些弱点：
这些电路上的弱点可以通过细心的设计和调试有效地解决，代价较小。综上所述，采用直接下变频技术，直接将射频信号变换至基带进行处理，可以省去多级中频电路并且能够减少外围元器件数量、成本、功耗、印制电路板面积和设计复杂性，适合掌上设备的应用。
软件无线电平台的直接下变频模块
平台的直接下变频模块由ad8347为核心构建而成，完成从射频到基带的信号搬移。ad8347是adi公司的一种单芯片直接下变频宽带正交解调器ic，能够接收800mhz~2.7ghz范围内的rf输入并且直接将输入信号下变频为基带同相/正交分量，然后把这些正交分量送往一个高速adc进行数字化。ad8347在片内集成了rf和基带可控制增益放大器，提供70db的可变增益范围，可轻松实现复杂的宽动态范围接收设计。同时，它具有50mhz输出解调带宽，可以满足gsm、cdma以及最新的3g通信带宽要求。其信号输出具有优良的相位与幅度平衡度，正交相位精度可以达到1°，i/q幅度不平衡控制在0.3db(即3.5%)范围内，因而能为无线本地环路和微波无线电连接提供一种经济的直接变频解决方案。
另外，ad8347还集成了一个仅需要-10dbm驱动电平的缓冲本地振荡驱动器、基带电平检测器、dc失调调零电路，以及具有可调节dc共模电平的双通道差分输出放大器，能够直接驱动多种双通道adc，如ad9201、ad9218等。图2给出了以ad8347为核心的射频直接下变频模块的结构框图，主要分成4个部分：ad8347模块、低噪声放大器、本振频率合成电路和agc电路。
低噪声放大器
选用了一个增益为30db、噪声系数为1.5db的低噪声放大器，其具有较大的动态范围，p-1db为-3dbm，在机械结构和电路设计中需要注意处理好它和其它电路之间的相互屏蔽问题，特别是要重视和本振生成电路的隔离。隔离度做得越好，越可以避免因本振泄漏而使射频信号放大器堵塞等现象的出现。
本振频率合成电路
本振信号采用tcxo锁相倍频得到，采用ns的lmx2347频综芯片。本振电路在设计时要注意控制输出电平的大小，推荐控制在adi推荐的-8dbm左右，同时注意兼容性设计和屏蔽处理。
agc电路
本系统采用了扩频体制，要求接收灵敏度较高，而基带信号带宽约为5mhz左右，天线输入的热噪声理想情况下为：
-174(dbm/hz) * 5(mhz)=-107 dbm
在一般正常的工作情况下信号的强度远远小于热噪声的电平，信噪比达到-20db。选择非相关agc来控制最后输出的信号幅度为2vp-p。设计时注意控制agc的起控点，使其覆盖具体工作时可能的信号输入强度范围。
软件无线电平台的dsp模块
dsp模块作为软件无线电平台的数据采集与处理核心，主要包括adc、fifo和dsp，图3即为图1中dsp模块核心部分的细化。系统中扩频通信的带宽为5mhz，ad8347将调制在射频2.2ghz上的宽带信号搬移到近零中频频段，分为i路和q路两路正交信号输出。然后由a/d对i路和q路信号采样，采样速率为20m/s。最后，a/d采样的数据通过fifo传给dsp进行解调和解扩处理。
图3中的ad9201是adi公司的一款双通道、低电压的高速a/d，每个通道采样速率可以达到每秒20m次采样。它的精度稳定可靠，在全采样带宽范围内，精度始终基本保持着10位的精度。其工作电压设置相当灵活，允许在2.7v~5.5v范围内变动，特别适合于便携式设备在低电压下的高速操作。模拟信号可差分输入，也可单端对地输入，信号的峰峰值通常设置为1vp-p 或者2vp-p。vref为ad9201的参考电源输出端，稳定保持在1v，给ad8347提供精确的电压偏置参考。
核心处理器件为adi公司的adsp bf533，该dsp是adi公司和intel 公司于2003年初联合推出的一款定点dsp，属于最新的blackfin系列产品。bf533具有risc指令结构，运作高效，性能十分优异。其运行在600mhz的主频上，具有两个40 bit的mac和两个32 bit的alu，10个地址寻址单元。该dsp内部集成了148 k byte的全速ram，并具有丰富的外部接口，如spi、同步和异步串口、看门狗和多种定时器等。值得一提的是，bf533功率控制良好，在600mhz的主频时功耗只有280mw，并且可以动态地控制电压输入，调整运行频率，减少芯片功耗，十分适合于移动产品的设计。
fifo作为外部的高速数据缓存，保证系统时序的正常运转。其深度为32k字，响应速度在100m hz/s以上。其写入时钟wclk为40mhz，及时读取ad9201采集到的双通道高速数据。读取时钟rclk由bf533控制，进行dma传送，稳定工作在50m 字/秒以上。fifo提供了半满标志信号/hf给dsp，以保证数据不被填满和读空。
系统指标分析
以ad8347为核心的射频直接下变频模块的实测指标如表1所示。
从表中的测试结果来看，基本和adi公司给出的技术参数相吻合。
从dsp模块来看，从ad8347输出的零中频信号最高信噪比约为30db，最低信噪比约为-20db。在强信噪比环境下，对于基带扩频信号，dsp模块解扩效果理想，没有误码。在最低信噪比的环境下，dsp模块解扩后的误码率约为10-5，达到系统设计的预期目的。
结语
工程实践证明，整个系统的软件无线电处理平台结构合理，性能稳定。由于尽可能使用了微小封装的集成电路，接收机的大小只比名片略大，功耗在1瓦以下，很好地满足了掌上携带的需要。软件进行了模块化设计，升级方便，具有较强的可移植性和兼容性，可应用于3g测试设备以及卫星通信等诸多方面。该平台已经成功地在某通信系统中得到应用，系统运行结果符合技术要求。
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引言
软件无线电是随着计算机技术、高速数字信号处理技术的迅速发展而发展起来的一种新型的无线电处理技术。其基本思想是将宽带a/d及d/a转换器尽可能地靠近天线，将电台的各种功能尽量在一个开放性、模块化的平台上由软件来实现，具有很强的灵活性和可升级性。软件无线电的出现，使无线电技术由以硬件为主的时代走向以软件为主的时代，它是继模拟通信技术、数字通信技术之后的第三代无线通信技术。
一个理想的软件无线电平台是直接在射频信号上采样，但由于受宽带天线、高速a／d及dsp等技术水平的限制，实现这样的理想平台的条件目前还不具备，只能在中频或者基带上进行采样。因此，当前对软件无线电的研究，更多的是在现有的技术条件下，研究如何最大程度的实现软件无线电所要求的通用性和灵活性，将软件化、通用化的设计思想体现到具体的应用实践中。图1示出了一种基于软件无线电思想的在基带信号采样处理的扩频通信掌上平台。
图1 直序扩频接收机的软件无线电掌上平台结构框图
图2 射频直接下变频模块的结构框图
图3 软件无线电平台的dsp模块框图
从图1中可以看出，平台主要分成两大部分：射频接收的模拟前端和dsp处理模块。该系统的扩频信号带宽在5mhz以上，对于掌上平台的射频模块来说，在功耗和体积受限的情况下，如何将宽带信号稳定而精确地从射频下变频至基带进行处理是一大难点。针对该难点，笔者采用直接下变频技术，较好地解决了这个问题。
下变频实现方法
下变频的基本原理是对射频调制信号进行混频和滤波，将其搬移到较低的频段或者基带上处理，其实现方法主要有两种：(1)超外差结构；(2)直接下变频。超外差结构存在两级或多级下变频过程，最后在低中频或者基带上对信号进行解调处理；而直接下变频技术省去了中频变换环节，直接将接收到的射频调制信号进行一次性下变频解调，从而得到基带信号。
两者相比而言，直接下变频是一种理想的射频信号处理方案，一直为无线通信工程师所期待。可由于制造工艺及元器件尺寸的限制，这种方法长时间没有得到具体的推广，而是普遍的选用了超外差式结构方案。但是，对于强调体积和功耗的掌上设备而言，超外差结构与直接下变频相比，存在显著的问题：
与超外差结构相比，直接下变频处理也存在一些弱点：
这些电路上的弱点可以通过细心的设计和调试有效地解决，代价较小。综上所述，采用直接下变频技术，直接将射频信号变换至基带进行处理，可以省去多级中频电路并且能够减少外围元器件数量、成本、功耗、印制电路板面积和设计复杂性，适合掌上设备的应用。
软件无线电平台的直接下变频模块
平台的直接下变频模块由ad8347为核心构建而成，完成从射频到基带的信号搬移。ad8347是adi公司的一种单芯片直接下变频宽带正交解调器ic，能够接收800mhz~2.7ghz范围内的rf输入并且直接将输入信号下变频为基带同相/正交分量，然后把这些正交分量送往一个高速adc进行数字化。ad8347在片内集成了rf和基带可控制增益放大器，提供70db的可变增益范围，可轻松实现复杂的宽动态范围接收设计。同时，它具有50mhz输出解调带宽，可以满足gsm、cdma以及最新的3g通信带宽要求。其信号输出具有优良的相位与幅度平衡度，正交相位精度可以达到1°，i/q幅度不平衡控制在0.3db(即3.5%)范围内，因而能为无线本地环路和微波无线电连接提供一种经济的直接变频解决方案。
另外，ad8347还集成了一个仅需要-10dbm驱动电平的缓冲本地振荡驱动器、基带电平检测器、dc失调调零电路，以及具有可调节dc共模电平的双通道差分输出放大器，能够直接驱动多种双通道adc，如ad9201、ad9218等。图2给出了以ad8347为核心的射频直接下变频模块的结构框图，主要分成4个部分：ad8347模块、低噪声放大器、本振频率合成电路和agc电路。
低噪声放大器
选用了一个增益为30db、噪声系数为1.5db的低噪声放大器，其具有较大的动态范围，p-1db为-3dbm，在机械结构和电路设计中需要注意处理好它和其它电路之间的相互屏蔽问题，特别是要重视和本振生成电路的隔离。隔离度做得越好，越可以避免因本振泄漏而使射频信号放大器堵塞等现象的出现。
本振频率合成电路
本振信号采用tcxo锁相倍频得到，采用ns的lmx2347频综芯片。本振电路在设计时要注意控制输出电平的大小，推荐控制在adi推荐的-8dbm左右，同时注意兼容性设计和屏蔽处理。
agc电路
本系统采用了扩频体制，要求接收灵敏度较高，而基带信号带宽约为5mhz左右，天线输入的热噪声理想情况下为：
-174(dbm/hz) * 5(mhz)=-107 dbm
在一般正常的工作情况下信号的强度远远小于热噪声的电平，信噪比达到-20db。选择非相关agc来控制最后输出的信号幅度为2vp-p。设计时注意控制agc的起控点，使其覆盖具体工作时可能的信号输入强度范围。
软件无线电平台的dsp模块
dsp模块作为软件无线电平台的数据采集与处理核心，主要包括adc、fifo和dsp，图3即为图1中dsp模块核心部分的细化。系统中扩频通信的带宽为5mhz，ad8347将调制在射频2.2ghz上的宽带信号搬移到近零中频频段，分为i路和q路两路正交信号输出。然后由a/d对i路和q路信号采样，采样速率为20m/s。最后，a/d采样的数据通过fifo传给dsp进行解调和解扩处理。
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从表中的测试结果来看，基本和adi公司给出的技术参数相吻合。
从dsp模块来看，从ad8347输出的零中频信号最高信噪比约为30db，最低信噪比约为-20db。在强信噪比环境下，对于基带扩频信号，dsp模块解扩效果理想，没有误码。在最低信噪比的环境下，dsp模块解扩后的误码率约为10-5，达到系统设计的预期目的。
结语
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