摘   要：        文章針對(duì)掌上軟件無(wú)線(xiàn)電平臺(tái)中的下變頻技術(shù)進(jìn)行了論述，比較了直接下變頻與超外差結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)。詳細(xì)介紹了以AD8347為核心的直接下變頻模塊，給出了其實(shí)例應(yīng)用。

引言

軟件無(wú)線(xiàn)電是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、高速數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的迅速發(fā)展而發(fā)展起來(lái)的一種新型的無(wú)線(xiàn)電處理技術(shù)。其基本思想是將寬帶A/D及D/A轉(zhuǎn)換器盡可能地靠近天線(xiàn)，將電臺(tái)的各種功能盡量在一個(gè)開(kāi)放性、模塊化的平臺(tái)上由軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，具有很強(qiáng)的靈活性和可升級(jí)性。軟件無(wú)線(xiàn)電的出現(xiàn)，使無(wú)線(xiàn)電技術(shù)由以硬件為主的時(shí)代走向以軟件為主的時(shí)代，它是繼模擬通信技術(shù)、數(shù)字通信技術(shù)之后的第三代無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)。

一個(gè)理想的軟件無(wú)線(xiàn)電平臺(tái)是直接在射頻信號(hào)上采樣，但由于受寬帶天線(xiàn)、高速A／D及DSP等技術(shù)水平的限制，實(shí)現(xiàn)這樣的理想平臺(tái)的條件目前還不具備，只能在中頻或者基帶上進(jìn)行采樣。因此，當(dāng)前對(duì)軟件無(wú)線(xiàn)電的研究，更多的是在現(xiàn)有的技術(shù)條件下，研究如何最大程度的實(shí)現(xiàn)軟件無(wú)線(xiàn)電所要求的通用性和靈活性，將軟件化、通用化的設(shè)計(jì)思想體現(xiàn)到具體的應(yīng)用實(shí)踐中。圖1示出了一種基于軟件無(wú)線(xiàn)電思想的在基帶信號(hào)采樣處理的擴(kuò)頻通信掌上平臺(tái)。

圖1  直序擴(kuò)頻接收機(jī)的軟件無(wú)線(xiàn)電掌上平臺(tái)結(jié)構(gòu)框圖

圖2  射頻直接下變頻模塊的結(jié)構(gòu)框圖

圖3  軟件無(wú)線(xiàn)電平臺(tái)的DSP模塊框圖

從圖1中可以看出，平臺(tái)主要分成兩大部分：射頻接收的模擬前端和DSP處理模塊。該系統(tǒng)的擴(kuò)頻信號(hào)帶寬在5MHz以上，對(duì)于掌上平臺(tái)的射頻模塊來(lái)說(shuō)，在功耗和體積受限的情況下，如何將寬帶信號(hào)穩(wěn)定而精確地從射頻下變頻至基帶進(jìn)行處理是一大難點(diǎn)。針對(duì)該難點(diǎn)，筆者采用直接下變頻技術(shù)，較好地解決了這個(gè)問(wèn)題。

下變頻實(shí)現(xiàn)方法

下變頻的基本原理是對(duì)射頻調(diào)制信號(hào)進(jìn)行混頻和濾波，將其搬移到較低的頻段或者基帶上處理，其實(shí)現(xiàn)方法主要有兩種：(1)超外差結(jié)構(gòu)；(2)直接下變頻。超外差結(jié)構(gòu)存在兩級(jí)或多級(jí)下變頻過(guò)程，最后在低中頻或者基帶上對(duì)信號(hào)進(jìn)行解調(diào)處理；而直接下變頻技術(shù)省去了中頻變換環(huán)節(jié)，直接將接收到的射頻調(diào)制信號(hào)進(jìn)行一次性下變頻解調(diào)，從而得到基帶信號(hào)。

兩者相比而言，直接下變頻是一種理想的射頻信號(hào)處理方案，一直為無(wú)線(xiàn)通信工程師所期待。可由于制造工藝及元器件尺寸的限制，這種方法長(zhǎng)時(shí)間沒(méi)有得到具體的推廣，而是普遍的選用了超外差式結(jié)構(gòu)方案。但是，對(duì)于強(qiáng)調(diào)體積和功耗的掌上設(shè)備而言，超外差結(jié)構(gòu)與直接下變頻相比，存在顯著的問(wèn)題：

與超外差結(jié)構(gòu)相比，直接下變頻處理也存在一些弱點(diǎn)：

這些電路上的弱點(diǎn)可以通過(guò)細(xì)心的設(shè)計(jì)和調(diào)試有效地解決，代價(jià)較小。綜上所述，采用直接下變頻技術(shù)，直接將射頻信號(hào)變換至基帶進(jìn)行處理，可以省去多級(jí)中頻電路并且能夠減少外圍元器件數(shù)量、成本、功耗、印制電路板面積和設(shè)計(jì)復(fù)雜性，適合掌上設(shè)備的應(yīng)用。     

軟件無(wú)線(xiàn)電平臺(tái)的直接下變頻模塊

平臺(tái)的直接下變頻模塊由AD8347為核心構(gòu)建而成，完成從射頻到基帶的信號(hào)搬移。AD8347是ADI公司的一種單芯片直接下變頻寬帶正交解調(diào)器IC，能夠接收800MHz~2.7GHz范圍內(nèi)的RF輸入并且直接將輸入信號(hào)下變頻為基帶同相/正交分量，然后把這些正交分量送往一個(gè)高速ADC進(jìn)行數(shù)字化。AD8347在片內(nèi)集成了RF和基帶可控制增益放大器，提供70dB的可變?cè)鲆娣秶奢p松實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的寬動(dòng)態(tài)范圍接收設(shè)計(jì)。同時(shí)，它具有50MHz輸出解調(diào)帶寬，可以滿(mǎn)足GSM、CDMA以及最新的3G通信帶寬要求。其信號(hào)輸出具有優(yōu)良的相位與幅度平衡度，正交相位精度可以達(dá)到1°，I/Q幅度不平衡控制在0.3dB(即3.5%)范圍內(nèi)，因而能為無(wú)線(xiàn)本地環(huán)路和微波無(wú)線(xiàn)電連接提供一種經(jīng)濟(jì)的直接變頻解決方案。

另外，AD8347還集成了一個(gè)僅需要-10dBm驅(qū)動(dòng)電平的緩沖本地振蕩驅(qū)動(dòng)器、基帶電平檢測(cè)器、DC失調(diào)調(diào)零電路，以及具有可調(diào)節(jié)DC共模電平的雙通道差分輸出放大器，能夠直接驅(qū)動(dòng)多種雙通道ADC，如AD9201、AD9218等。圖2給出了以AD8347為核心的射頻直接下變頻模塊的結(jié)構(gòu)框圖，主要分成4個(gè)部分：AD8347模塊、低噪聲放大器、本振頻率合成電路和AGC電路。

低噪聲放大器

選用了一個(gè)增益為30dB、噪聲系數(shù)為1.5dB的低噪聲放大器，其具有較大的動(dòng)態(tài)范圍，P-1dB為-3dBm，在機(jī)械結(jié)構(gòu)和電路設(shè)計(jì)中需要注意處理好它和其它電路之間的相互屏蔽問(wèn)題，特別是要重視和本振生成電路的隔離。隔離度做得越好，越可以避免因本振泄漏而使射頻信號(hào)放大器堵塞等現(xiàn)象的出現(xiàn)。

本振頻率合成電路

本振信號(hào)采用TCXO鎖相倍頻得到，采用NS的LMX2347頻綜芯片。本振電路在設(shè)計(jì)時(shí)要注意控制輸出電平的大小，推薦控制在ADI推薦的-8dBm左右，同時(shí)注意兼容性設(shè)計(jì)和屏蔽處理。

AGC電路

本系統(tǒng)采用了擴(kuò)頻體制，要求接收靈敏度較高，而基帶信號(hào)帶寬約為5MHz左右，天線(xiàn)輸入的熱噪聲理想情況下為：

-174(dBm/Hz) * 5(MHz)=-107 dBm

在一般正常的工作情況下信號(hào)的強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于熱噪聲的電平，信噪比達(dá)到-20dB。選擇非相關(guān)AGC來(lái)控制最后輸出的信號(hào)幅度為2VP-P。設(shè)計(jì)時(shí)注意控制AGC的起控點(diǎn)，使其覆蓋具體工作時(shí)可能的信號(hào)輸入強(qiáng)度范圍。

軟件無(wú)線(xiàn)電平臺(tái)的DSP模塊

DSP模塊作為軟件無(wú)線(xiàn)電平臺(tái)的數(shù)據(jù)采集與處理核心，主要包括ADC、FIFO和DSP，圖3即為圖1中DSP模塊核心部分的細(xì)化。系統(tǒng)中擴(kuò)頻通信的帶寬為5MHz，AD8347將調(diào)制在射頻2.2GHz上的寬帶信號(hào)搬移到近零中頻頻段，分為I路和Q路兩路正交信號(hào)輸出。然后由A/D對(duì)I路和Q路信號(hào)采樣，采樣速率為20M/s。最后，A/D采樣的數(shù)據(jù)通過(guò)FIFO傳給DSP進(jìn)行解調(diào)和解擴(kuò)處理。

圖3中的AD9201是ADI公司的一款雙通道、低電壓的高速A/D，每個(gè)通道采樣速率可以達(dá)到每秒20M次采樣。它的精度穩(wěn)定可靠，在全采樣帶寬范圍內(nèi)，精度始終基本保持著10位的精度。其工作電壓設(shè)置相當(dāng)靈活，允許在2.7V~5.5V范圍內(nèi)變動(dòng)，特別適合于便攜式設(shè)備在低電壓下的高速操作。模擬信號(hào)可差分輸入，也可單端對(duì)地輸入，信號(hào)的峰峰值通常設(shè)置為1Vp-p 或者2Vp-p。VREF為AD9201的參考電源輸出端，穩(wěn)定保持在1V，給AD8347提供精確的電壓偏置參考。

核心處理器件為ADI公司的ADSP BF533，該DSP是ADI公司和Intel 公司于2003年初聯(lián)合推出的一款定點(diǎn)DSP，屬于最新的Blackfin系列產(chǎn)品。BF533具有RISC指令結(jié)構(gòu)，運(yùn)作高效，性能十分優(yōu)異。其運(yùn)行在600MHz的主頻上，具有兩個(gè)40 bit的MAC和兩個(gè)32 bit的ALU，10個(gè)地址尋址單元。該DSP內(nèi)部集成了148 k Byte的全速RAM，并具有豐富的外部接口，如SPI、同步和異步串口、看門(mén)狗和多種定時(shí)器等。值得一提的是，BF533功率控制良好，在600MHz的主頻時(shí)功耗只有280mW，并且可以動(dòng)態(tài)地控制電壓輸入，調(diào)整運(yùn)行頻率，減少芯片功耗，十分適合于移動(dòng)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)。

FIFO作為外部的高速數(shù)據(jù)緩存，保證系統(tǒng)時(shí)序的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。其深度為32K字，響應(yīng)速度在100M Hz/s以上。其寫(xiě)入時(shí)鐘WCLK為40MHz，及時(shí)讀取AD9201采集到的雙通道高速數(shù)據(jù)。讀取時(shí)鐘RCLK由BF533控制，進(jìn)行DMA傳送，穩(wěn)定工作在50M 字/秒以上。FIFO提供了半滿(mǎn)標(biāo)志信號(hào)/HF給DSP，以保證數(shù)據(jù)不被填滿(mǎn)和讀空。

系統(tǒng)指標(biāo)分析

以AD8347為核心的射頻直接下變頻模塊的實(shí)測(cè)指標(biāo)如表1所示。

從表中的測(cè)試結(jié)果來(lái)看，基本和ADI公司給出的技術(shù)參數(shù)相吻合。

從DSP模塊來(lái)看，從AD8347輸出的零中頻信號(hào)最高信噪比約為30dB，最低信噪比約為-20dB。在強(qiáng)信噪比環(huán)境下，對(duì)于基帶擴(kuò)頻信號(hào)，DSP模塊解擴(kuò)效果理想，沒(méi)有誤碼。在最低信噪比的環(huán)境下，DSP模塊解擴(kuò)后的誤碼率約為10-5，達(dá)到系統(tǒng)設(shè)計(jì)的預(yù)期目的。

結(jié)語(yǔ)

工程實(shí)踐證明，整個(gè)系統(tǒng)的軟件無(wú)線(xiàn)電處理平臺(tái)結(jié)構(gòu)合理，性能穩(wěn)定。由于盡可能使用了微小封裝的集成電路，接收機(jī)的大小只比名片略大，功耗在1瓦以下，很好地滿(mǎn)足了掌上攜帶的需要。軟件進(jìn)行了模塊化設(shè)計(jì)，升級(jí)方便，具有較強(qiáng)的可移植性和兼容性，可應(yīng)用于3G測(cè)試設(shè)備以及衛(wèi)星通信等諸多方面。該平臺(tái)已經(jīng)成功地在某通信系統(tǒng)中得到應(yīng)用，系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果符合技術(shù)要求。