基于AD6623的多路中頻數(shù)字化直擴(kuò)通信系統(tǒng)

擴(kuò)頻通信具有抗干擾、抗多徑、低截獲概率等優(yōu)點(diǎn)。20世紀(jì)70年代以來,擴(kuò)頻通信的理論和方法得到了很大發(fā)展。直接序列擴(kuò)頻(直擴(kuò))作為擴(kuò)頻通信的一種常用方式,已成功地應(yīng)用于軍事和民用通信中,并已成為第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)的核心技術(shù)之一,充分顯示了其顯著優(yōu)點(diǎn)和強(qiáng)大生命力。

擴(kuò)頻通信是以增加信息傳輸?shù)膸挒榇鷥r(jià)的。而現(xiàn)有的頻帶資源非常有限,為了提高單位帶寬內(nèi)信息傳輸?shù)乃俾?筆者提出采用直接序列擴(kuò)頻cdma思想。在發(fā)端,將一路串行的數(shù)據(jù)信息經(jīng)串/并轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換為n路并行的數(shù)據(jù)信息,然后分別用n個(gè)相互正交的pn碼對(duì)每路信息進(jìn)行調(diào)制完成擴(kuò)頻,形成n路擴(kuò)頻的基帶信息,每路基帶信息再經(jīng)過基帶成形濾波,上變頻調(diào)制到同一中頻后再將n路信號(hào)合成送給射頻接口完成發(fā)送。在收端,用與發(fā)端相同的n個(gè)pn碼分別與接收信號(hào)進(jìn)行互相關(guān)運(yùn)算,然后與判決門限比較獲取同步信息,比較互相關(guān)值大小獲得用戶數(shù)據(jù),將恢復(fù)的n路數(shù)據(jù)再進(jìn)行并/串轉(zhuǎn)換即恢復(fù)出原始發(fā)送信息。這樣,整個(gè)系統(tǒng)所需的傳輸帶寬就降低為原來的1/n。

多路中頻數(shù)字化直擴(kuò)系統(tǒng)的原理示意圖如圖1所示。

1 多路中頻數(shù)字化直擴(kuò)通信系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。

a/d轉(zhuǎn)換器采用ad公司的ad6644,它的最高采樣率可達(dá)65msps,分辨率為14位。在本系統(tǒng)中,由ad6644直接對(duì)6mhz中頻信號(hào)進(jìn)行過采樣,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的中頻數(shù)字化,采樣時(shí)鐘為19.6608mhz。

數(shù)字下變頻器選用ad公司的ad6620,它是美國(guó)ad公司推出的高性能數(shù)字信號(hào)處理芯片,可以完成高速數(shù)字信號(hào)的下變頻及抽取濾波工作,功能強(qiáng)大。內(nèi)部信號(hào)處理單元由四個(gè)部分組成:頻率變換器、二階固定系數(shù)梳狀抽取濾波器(cic2)、五階固定系數(shù)梳狀抽取濾波器(cic5)和一個(gè)系數(shù)可編程的抽取濾波器(rcf)。在本系統(tǒng)中,ad6620的初始化由dsp tms320lc31完成,ad6620通過并口向dsp輸出處理后的基帶數(shù)據(jù)。

d/a轉(zhuǎn)換器采用ad公司的ad9772a,它的最高轉(zhuǎn)換速率為160mhz,轉(zhuǎn)換位數(shù)為14位。在本系統(tǒng)中,由ad9772a完成發(fā)射單元的多路合成數(shù)字中頻向模擬中頻的轉(zhuǎn)換,轉(zhuǎn)換時(shí)鐘頻率為19.6608mhz。

數(shù)字上變頻器采用ad公司的ad6623,其主要特征有以下幾點(diǎn):高達(dá)104mhz的工作時(shí)鐘、單片集成四個(gè)獨(dú)立的數(shù)字發(fā)射通道、可編程插值濾波器和增益控制。ad6623內(nèi)部的信號(hào)處理包括以下四個(gè)部分:頻率變換器、二階重插值級(jí)聯(lián)積分梳狀濾波器(rcic2)、五階插值級(jí)聯(lián)積分梳狀濾波器(cic5)以及一個(gè)ram系數(shù)濾波器(rcf)。在本系統(tǒng)中共采用四片ad6623組成16路直接序列擴(kuò)頻發(fā)射單元,每一路分別從fpga處取得擴(kuò)頻基帶信息,進(jìn)行基帶成形濾波、插值和上變頻調(diào)制到6mhz的中頻,最后將16路中頻調(diào)制信號(hào)合成為一路,再經(jīng)d/a轉(zhuǎn)換后送給射頻發(fā)射單元接口。

dsp采用ti公司的tms320lc31。tms320lc31采用改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu),是一種能進(jìn)行浮點(diǎn)運(yùn)算的數(shù)字信號(hào)處理芯片,主頻可達(dá)60mhz。在本系統(tǒng)中,tms320lc31主要完成的功能是:在發(fā)射過程中,由程序產(chǎn)生模擬的基帶信息,當(dāng)dsp檢測(cè)到fpga產(chǎn)生的申請(qǐng)數(shù)據(jù)的中斷信號(hào)時(shí)就將模擬基帶信息通過數(shù)據(jù)總線送給fpga;在接收過程中,dsp通過fpga產(chǎn)生的中斷信號(hào)分別對(duì)已完成解擴(kuò)的各路數(shù)據(jù)進(jìn)行接收,完成各路信息的解調(diào),并將解調(diào)出的各路信息進(jìn)行并串轉(zhuǎn)換還原為發(fā)射時(shí)的一路串行信息。此外,dsp在系統(tǒng)上電時(shí)負(fù)責(zé)完成ad6623和ad6620的初始化,在運(yùn)行過程中,還要負(fù)責(zé)ad6620的載波恢復(fù)。

fpga采用的是altera公司的ep1s40b956c7,它內(nèi)部含有41250個(gè)邏輯單元,可用的i/o管腳為683個(gè),速度為0.7ns,完全可以滿足系統(tǒng)的各項(xiàng)性能要求。在本系統(tǒng)的發(fā)射過程中,由fpga向dsp發(fā)中斷申請(qǐng),獲得待發(fā)送的基帶信息。在fpga中,將一路串行的基帶信息轉(zhuǎn)換為16路并行的基帶信息,并分別與16個(gè)互相正交的pn碼相乘完成擴(kuò)頻,然后分別送給四片ad6623的16個(gè)數(shù)據(jù)通道。在接收過程中,數(shù)字下變頻器ad6620將下變頻、濾波后的基帶數(shù)據(jù)送給fpga,分別與16個(gè)本地正交pn進(jìn)行匹配,完成16路pn碼的捕獲跟蹤,從而實(shí)現(xiàn)16路數(shù)據(jù)的解擴(kuò)。最后fpga向dsp發(fā)送中斷,由dsp完成16路數(shù)據(jù)的組裝還原。

2 關(guān)鍵技術(shù)

ad6623內(nèi)集成了四個(gè)獨(dú)立的數(shù)字信號(hào)處理器(tsp),每個(gè)tsp由可編程內(nèi)插系數(shù)濾波器(rcf)、可編程功率控制單元、可編程五階級(jí)聯(lián)積分梳狀濾波器(cic5)、二階重采樣級(jí)聯(lián)積分梳狀濾波器(rcic2)和一個(gè)數(shù)控振蕩器(nco)等五個(gè)級(jí)聯(lián)的信號(hào)處理單元組成。通過對(duì)這五個(gè)信號(hào)處理單元參數(shù)的不同設(shè)置,可以使系統(tǒng)以同一套硬件實(shí)現(xiàn)不同的功能。

2.1 nco頻率值的設(shè)定

ad6623的每一個(gè)通道都有一個(gè)獨(dú)立的調(diào)制器,它可以把從cic濾波器中接收的數(shù)據(jù)上變頻成數(shù)字中頻,并送入多載波合并單元。該調(diào)制器由一個(gè)32比特的正交nco和一個(gè)正交幅度混頻器(qam)組成,該數(shù)字中頻的計(jì)算公式如下:

式中,nco_ frequency是寫入寄存器oxn02中的值;fif是期望的中頻頻率; fnco是nco的頻率,在輸出是實(shí)數(shù)時(shí)是系統(tǒng)工作時(shí)鐘fclk的一半,而在輸出是復(fù)數(shù)時(shí)是fclk的四分之一。

在此系統(tǒng)中,輸出為實(shí)數(shù)模式,要求上變頻到fif為6mhz的數(shù)字中頻,系統(tǒng)工作時(shí)鐘fclk為19.6608mhz,帶入上式可求得nco_ frequency的十六進(jìn)制表示為4e200000。

2.2 插值系數(shù)的的設(shè)定

在本系統(tǒng)中,ad6623的每個(gè)通道要將chip速率為614.4khz的擴(kuò)頻信息插值到等于系統(tǒng)的工作時(shí)鐘頻率19.6608mhz,這樣總的插值系數(shù)為32(19.6608mhz/614.4khz)。利用ad公司提供的filter design軟件可得到一組最佳的各級(jí)濾波器插值系數(shù)的分配方案:mcic2=1,lcic2=1,cic5=4,mrcf=8。

2.3 濾波器系數(shù)的設(shè)定

fir濾波器的設(shè)計(jì)目標(biāo)是讓614.4khz的低通目標(biāo)信號(hào)盡可能地通過,并抑制帶外干擾。從濾波器幅頻特性曲線的角度來看,也就是要求通帶波動(dòng)盡可能地小,通帶寬度盡可能地與信號(hào)帶寬相等,過渡帶盡可能地銳利,阻帶衰減盡可能地大。通常,fir濾波器的階數(shù)越高,幅頻特性越好,ad6623提供的濾波器階數(shù)最高可達(dá)255階,具體選擇多少要根據(jù)實(shí)際情況而定。

在本系統(tǒng)中使用窗函數(shù)設(shè)計(jì)法(或稱傅立葉級(jí)數(shù)法)確定濾波器系數(shù),即由理想的濾波器頻率響應(yīng)hd(w)經(jīng)傅立葉反變換導(dǎo)出hd(n),然后用一個(gè)有限長(zhǎng)窗函數(shù)序列w(n)截取。由于輸入給可編程系數(shù)濾波器的數(shù)據(jù)經(jīng)過了一次插值,且插值系數(shù)mrcf為8,因此此時(shí)輸入數(shù)據(jù)的采樣率fs為:

fs=614.4k×8＝4.9152mhz

因?yàn)榻刂诡l率fc為614.4khz,所以數(shù)字域截止頻率wc為:

這表明在通帶|w|≤wc范圍內(nèi),hd(ejw)的幅度是均勻的,且其值為1、相位為-wα。
　　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(duì)稱,對(duì)稱中心長(zhǎng)度應(yīng)為長(zhǎng)度的一半(n-1)/2,且α=(n-1)/2,取n＝255,則α＝127。于是可得濾波器的系數(shù)為:

fir濾波器的幅頻響應(yīng)曲線如圖3所示。

2.4 載波合并單元

ad6623的載波合并單元用來合并各信道的輸出以產(chǎn)生多載波信號(hào),該結(jié)果與18比特寬帶輸入總線上的內(nèi)容相加后,將在高速時(shí)鐘的上升沿送至18比特寬帶輸出總線。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

在基于圖2的硬件平臺(tái)下,dsp將模擬速率為307.2kbps的基帶信息序列送給fpga作為發(fā)送信息序列,經(jīng)串/并轉(zhuǎn)換后每路信息速率降低為19.2kbps, pn碼長(zhǎng)為32,所以擴(kuò)頻后每路chip速率為614.4kbps。在發(fā)射端,發(fā)送信息序列經(jīng)fpga擴(kuò)頻調(diào)制后送給ad6623上變頻,然后送給ad9772a完成d/a變換;在接收端,中頻信號(hào)經(jīng)過ad6644采樣和ad6620下變頻后,再經(jīng)fpga解擴(kuò)和dsp檢測(cè),解調(diào)出的信息經(jīng)計(jì)算機(jī)串口送給計(jì)算機(jī)顯示器顯示解調(diào)結(jié)果。經(jīng)實(shí)際電路驗(yàn)證,dsp能正確解調(diào)出所發(fā)送的擴(kuò)頻信號(hào)。證明利用ad6623等所設(shè)計(jì)的中頻數(shù)字化多路直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng),具有硬件設(shè)計(jì)靈活、資源消耗少、調(diào)試修改方便等優(yōu)點(diǎn),對(duì)軟件進(jìn)行一定的修改,則可以作為一種通用的多路中頻數(shù)字化直擴(kuò)通信系統(tǒng)處理平臺(tái)。

基于ad6623的多路中頻數(shù)字化直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng),可以方便地改變系統(tǒng)的調(diào)制方式和調(diào)制頻率,而且還可以適應(yīng)不同信息速率和各種偽碼碼長(zhǎng)的直接序列擴(kuò)頻通信,關(guān)鍵一點(diǎn)在于它采用了碼分多址的思想,使得帶寬利用率大大提高。實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明:系統(tǒng)效果良好,控制靈活,適應(yīng)范圍廣,具有較好的應(yīng)用前景。