ISL5216在软件无线电接收机中的应用

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摘 要:首先简要介绍了软件无线电的概念以引出数字下变频器件在软件无线电中的应用。然后对ISL5216 的结构与性能进行了说明。接着在一个软件无线电接收机中使用了此款芯片,并说明此接收机的工作流程以及如何实现软件接收控制的。最后以如何实现AM和FM解调为例进行说明,给出了实现解调的原理说明以及如何使用ISL5216 配置软件进行设置,以及修改特定寄存器来实现FM解调,且给出了解调后输出的波形以及对应频谱,并对输出结果进行了分析。

关键词:ISL5216;软件无线电;数字下变频器;AM解调;FM解调

引言

20 世纪90 年代中期,MILTRE 公司的JeoMitola 在里程碑性的文章中首次明确提出了软件无线电的概念。其中心思想是宽带A/D 和D/A 尽可能靠近天线,并且在一个开放化、标准化、模块化的通用硬件平台上将各种无线电功能用软件来完成,使得新一代无线通信系统具有高度灵活性、开放性。由于移动通信系统工作在900MHz ,1800MHz 这样的频带上,如果直接在射频采样,巨大的数据量使得DSP 的处理速度跟不上,将射频信号经由DDC(数字下变频器) 进行下变频和抽取,这样DSP的负担大大减轻。生产数字下变频器的最著名、应用最广泛的公司是美国的Intersil公司(原名Harris) 和Gray Chip 公司。下面将介绍Intersil 公司的ISL5216 的性能,并以如何实现AM和FM 解调为例介绍其应用。

ISL5216 的性能

ISL5216 是Intersil 公司推出的性能强大的可编程数字下变频器芯片(DDC) ,他被设计用来实现高动态范围的应用。他能应用在窄带TDMA ,如IS-95CDMA 的数字软件无线电基站接收机,而宽带应用主要有W-CDMA 和UMTS 的数字软件无线电基站接收机。其结构如图1所示。


图1  ISL5216 结构示意图

ISL5216 有4路独立可编程的数字下变频通道。对于输入的信号可以选择任意一个通道来进行处理,也可以四路同时并行处理。每条通道都可分为前端部分和后端部分,前端和后端通过总线路由(BUSROUTING)连接。单通道输出带宽能达到1MHz ,还能通过总线路由将通道级联以提供更大的带宽。前端部分由数字混频器,可编程数字控制振荡器(NCO) 和积分梳状滤波器(CIC)组成。NCO的32位频率字在输入信号采样率为95MSPS 时可提供22.1MHz 的分辨率,其无杂散动态范围>115dB。1~5级CIC滤波器可提供最大65536的抽取率。后端部分由有限冲击响应滤波器(FIR) 、自动增益控制(AGC) 模块和笛卡尔坐标到极坐标转换器组成。

FIR 滤波器模块由一组半带抽取滤波器(HBF) 、内插滤波器、最高255 阶FIR 滤波器以及重采样滤波器组成,滤波器抽头总数最高为384 。笛卡尔坐标到极坐标转换器提供幅度和相位输出,他之后与鉴频器相连接实现FM 解调。ISL5216 支持最高95 MSPS 的输入,4 路并行的17 位的输入端支持16 位定点或一路到多路的17 位浮点输入信号。此外,ISL5216具有110dB 的带外衰减,4 到大于65536倍的抽取率,24位的内部数据通路,4 个独立通道每个通道提供2 路串行输出,可选择包括I 分量、Q 量、幅度、相位、频率和AGC增益等多种输出形式,且串行输出的格式能够从4 位定点到32 位浮点等多种输出格式中选择。ISL5216还提供微处理器接口以对内部寄存器进行读写操作,并能通过此接口将4路通道的数据以FIFO的方式读出。

ISL5216 在一个软件无线电接收机中的应用

如图2所示,软件无线电接收机的工作流程是先由高速A/D 进行采样, 采样信号经过缓冲之后存入大容量SRAM。此接收机可以工作在定频或跳频状态。工作在定频状态时,接收信号经A/D 采样和FIFO之后直接进入ISL5216的输入端进行处理。工作在跳频状态时,接收信号缓冲之后在FPGA 内完成快速傅里叶变换,然后将快速傅里叶变换计算出的频点以及当前频点数据在SRAM 中的起始地址送给DSP进行处理,DSP 通过一定的解跳算法将外部信号的跳频点找出,接着DSP 将跳频点的频率写入DDC(即ISL5216)以便进行解调,并将当前跳频点的数据在SRAM 中的起始地址返回给FPGA ,由FPGA将SRAM 的当前数据读出送入DDC的输入端进行下变频、抽取和解调。解调后的串行信号通过串行到并行信号的转换后可在PC上显示和存储。PC可通过串行接口与DSP通信,将DSP的工作状态、DDC 的NCO中心频率、输出速率以及滤波器带宽等指令发送给DSP ,DSP解析指令之后可从FLASH中调取DDC的配置参数对DDC进行重新设置。通过这样一个确定的硬件平台,只需要修改DDC的内部寄存器进行设置就能够实现对解调中心频率、输出速率、滤波器带宽等参数的软件控制,实现了一个可任意速率输出、任意带宽控制的软件无线电接收机的功能。

图2  软件无线电接收机原理图

使用ISL5216 来实现AM和FM解调

当一个采样频率为40MHz 的已调制信号(AM或FM调制) 进入ISL5216的四路通道之一,并与数控振荡器产生的载波频率进行混频过后,其信号将由如图3 所示进行解调。

图3  ISL5216 信道配置原理图

信号首先通过抽取因子为20的CIC(级联积分梳状)滤波器, 将40MHz 的信号速率降低到2MHz 。然后HBF5(半带滤波器5) 进行抽取因子为2 的抽取,接着通过抽取因子为4 的FIR2,这时信号的速率已经降为250kSPS。FIR2是一个带宽为400kHz的低通滤波器,用来降低带外噪声干扰。FIR2输出的信号在通过AGC和鉴频器后并不直接输出,而是反馈回FCE(滤波器计算引擎) 进入FIR3 ,滤波后的信号才会输出FCE。FIR3是一个带宽为20kHz 的低通滤波器,抽取因子为2,其信号输出速率为125 kHz。如有需要可以在输出之前、FIR3之后连接重采样滤波器,进行分数抽取因子的抽取,使输出的信号速率能与后续处理设备的速率相匹配。

FIR 滤波器的系数使用Matlab中的remez 函数计算可得,将系数按照滤波器文件格式制作成*.imp文件格式。使用ISL5216配置软件对ISL5216的内部寄存器进行设置。为能进行AM 和FM 解调,设置如图4 所示。FIR2 的输出需要反馈回FCE 以进行最后一级的滤波,但ISL5216 配置软件并不支持反馈设置,必须设计人员自己修改寄存器的值。地址为*108 和*10C 的指令寄存器必须进行修改。FIR2 对应的指令寄存器为*108~*10B ,其中地址为3108的寄存器的比特位28:18 需要进行修改,由290C02C0改为2A8C02C0 ,作用是使能AGCLF ,Path(1 :0) 设为“01”,OS 停止, FB 设为1。FIR3 对64通信设备等: ISL5216 在软件无线电接收机中的应用应的指令寄存器为*10C~ *10F ,其中地址为*10C 的寄存器的比特位28 : 18 需要进行修改,由2D0402C0 改为2D1002C0 。最后在串行输出的时候,应将输出格式选为I2和Q2 。AM 解调时,解调输出在I2 ,而FM解调时,解调输出在Q2。

图4  ISL5216 配置软件设置AM ,FM 解调的界面图

现在输入的AM 调制的调制信号频率为2kHz ,载波频率为6MHz ,调制度为35%。FM调制的调制信号频率为2kHz ,载波频率为6MHz ,最大频偏为15kHz 。其解调后的波形及频谱如图5 ,图6 所示。


图5  AM 解调后的波形及其频谱图


图6  FM 解调后的波形及其频谱图

如图5 所示AM 解调输出的频谱在零频附近有一个很强的低频率干扰,这是由于信号源产生的信号的频率不准所导致的。将信号源输出的信号接入频谱分析仪,当输出一个6MHz 的信号时,在频谱仪上看到大概20 Hz 的偏差。故当AM 调制信号进入ISL5216 进行6MHz 下变频、解调之后,会发现信号仍然被一个频率大概20Hz 的小信号调制,在频谱上的反映就是零频附近有强分量。2 kHz处的分量是解调出的调制信号,但在4kHz ,6 kHz处却有分量,这是由于前端使用的是非线性放大器出现的协波分量,其余的协波分量已被滤波器滤除。如图6所示FM解调输出的频谱就非常干净,2kHz 就是解调出的调制信号。通过这两幅频谱图也说明了FM 调制比AM调制的抗干扰性能更好。在ISL5216 中对FM 解调使用了鉴频器,即非相干解调的方法,故比AM 解调采用相干解调方法的解调效果好。

结 语

本文通过使用ISL5216 来完成AM 和FM 的解调,说明ISL5216 在数字下变频处理过程中的操作,并能通过他实现NCO 可调、带宽可变、输出速率可调的软件无线电接收机。ISL5216 是一款功能十分强大的多通道数字下变频芯片,只要熟练掌握能够完成高抽取因子的抽取以及多种调制信号的解调,为中频信号处理提供方便。使用此款芯片只要合理配置其内部寄存器,就能够设计出性能优良的软件无线电接收机。