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基于軟件無線電的多制式信號發生器的設計與實現
摘要：提出了一種軟件無線電通用信號發生器的設計方案，包括硬件構成和軟件算法的實現。該信號發生器為軟件無線電的研究與開發提供了便利條件。關鍵詞：軟件無線電 DSP DDS
軟件無線電是一種無線電通信新的體系結構。在1992年5月美國電信系統會議上，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，構成通用的基本硬件平臺，并通過軟件加載來實現各種無線通信功能的開放式的體系結構。它使得通信系統擺脫了面向設計思想，被認為是無線通信從模擬到數字、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，調制解調技術是移動通信系統空中接口的重要組成部分。在不同的蜂窩半徑和應用環境下，移動通信的信道呈現不同的衰落特性，根據移動信道的衰落情況，自動地改變調制方式，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 多制式信號發生器硬件原理圖
作者設計了一個基于DSP+DDS結構的可編程調制器的硬件平臺，并在此硬件平臺上實現了各種模擬調制和數字調制的通用軟件算法。當改變調制制式時，無需再次下載程序，而且調制制式、比特速率、輸出中頻均可調。
1 硬件結構
通常，信號源輸出的波形多數是對周期的01序列進行調制，輸出波形單一，只能作為解調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制方式也是有限的。用DSP+DDS構成的通用多制式信號發生器不僅可以實現模擬調制，而且可以實現各種數字調制。DSP利于基帶信號的實時處理，可以實現高速調制，而DDS具有頻率分辨率高、頻率變化速度快、相位連續、易于數字控制等特點。圖1給出多制式信號發生器硬件原理圖。
信號發生器主要由三部分構成：控制單元、數字信號處理器(DSP)、正交數字上變頻器（Quadrature Digital Upconverter）。
DSP采用TI公司的TMS320VC5402，它獨特的哈佛結構、硬件密集型方案和靈活的指令系統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位是一個相位連續的直接數字頻率合成器DDS(Direct Digital Synthesizer)。在該方案中，AD9857工作在正交調制模式。它的32位頻率控制字使輸出頻率的最高精確度為：SYSCLK（系統時鐘）除以2 32。
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控制單元決定采用哪一種調制制式、比特速率及輸出中頻頻率。
DSP讀入控制單元的數據，然后經過串口向AD9857發送控制字。原始信息數據（是由DSP產生的偽隨機序列）首先在DSP中進行編碼、調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，經過串并變換，轉換成兩路并行的I/Q數據，進行內插和上變頻運算，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制合二為一。
AD9857對輸入的數字信號進行采樣和內插，降低了DSP的處理負擔，使整個系統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。它采用數字信號處理技術，在可編程控制的通用硬件平臺上，利用軟件來定主實現無線電臺的各部分功能，包括對無線波段、信道調制、接入方式、數據速率的編程等。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。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，只要某一調制方式及其對應的輸出狀態數目是有限的，就可以借助表法來實現。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，該表格存儲了經過量化的14位有符號的二進制數。表格的設計應達到查表過程簡單，同時滿足不同的調制方式。用這個表還可以實現正弦函數的計算，只需將當前相位移相π/2。
除了一張通用的余弦表，針對不同的調制方式還需分別建立對應的調制星座圖映射表，按照調制方式分類組成一個相位表格庫。對于差分相位調制，該表格為差分相位表格。當調制方式確定后，根據得到的碼元，查表計算當前相位Φk。
圖2以（π/4）DQPSK調制方式為例，介紹差分相位調制軟件算法。數字存儲區存儲的是一個周期的余弦函數波形樣點，設存儲區的采樣點數為N，表格的移動步長為d。原始調制每兩個比特一組，通過表1中的調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，根據偏移地址調制信號的數據。
設f(i)=cos(id),其中0≤i<N,d=2π/N
那么，當前相位Φk（0≤Φk<2π）的偏移地址為：Φk×N/2π。
(π/4)DQPSK對應的絕對相位Φk的可能取值有：0°、45、90°、135°、180°、225°、270°、315°。如果N=144,即d=2.5，則Φk在余弦表中對應的偏移地址為：0°、18°、36°、54°、72°、90°、108°、126°。
表1 調制星座圖
3 調制信號波形
采用PCB四層板設計，實現了該信號發生器的硬件平臺，并在此平臺基礎上完成了以下調制方式的軟件編程：AM、DSB、SSB、FM、GMSK、FSK、BPSK、DBPSK、QPSK、(π/4)DQPSK、8PSK、4-64 Star-QAM。其中數字調制方式的碼元速率可達到1MHz（即對于四相調制，比特速率可達2Mbps；對于32QAM調制，比特速率可達5Mbps），載波頻率可達到70MHz，調制方式、比特（或碼元）速率、輸出中頻均可調。
圖3是用該信號發生器產生的幾種調制信號的波形，其中模擬調制以AM調制為例，數字調制以DQPSK、FSK、16QAM調制為例。
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