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1．引言 軟件無線電(software defined radio)是由J．Mitola在1992年提出的一個概念，它的核心思想是在完全可編程的硬件平臺上通過注入不同的軟件，實現對工作頻段、調制解調方式、信道多址方式等無線功能的改變。調制解調技術在軟件無線電的研究過程中是一個重要的組成部分。目前對于軟件無線電調制技術的實現多是采用具有調制功能的專用芯片(其中應用較為廣泛的是AD公司的AD985X系列)或是可編程器件和專用器件相結合的設計方法實現，然而在某些場合，這些調制方式和控制方式與系統的要求差距很大。因而，完全采用高性能的FPGA器件設計出符合自己需要的調制電路就是一個很好的解決方法，它提供了一個良好的數字無線通訊系統驗證環境，可以將多種調制算法在實驗平臺上實現，并通過平臺提供的基本控制系統實現對系統的驗證仿真，并且用這種軟件化硬件的設計方案，可以產生多種模式的數字調試方式，具有多功能性、通用性、集成度高、易于升級等優點。 本文采用了Altera公司推出的FPGA的DSP開發工具DSP Builder軟件，基于DDS(直接數字頻率合成)技術原理，設計了一種適合于軟件無線電使用的可控數字調制器，可以完成FSK、PSK、ASK等調制方式，并采用此方法在FPGA芯片上進行系統實現。 2．FSK、PSK、ASK調制原理 在數字通信系統中，數字基帶信號通常要經過數字編碼然后調制后再傳輸。常見的調制方式有頻移鍵控(FSK)、相移鍵控(PSK)、幅移鍵控(ASK)等。 以基帶數字波形序列來表示｛ak｝，通常二進制數字基帶信號表示為： 其中，ak為二元碼符號，1或0；g()為單極性不歸0波形，歸一化幅度；Tb為二元序列碼元問隔。 則頻移鍵控(FSK)信號為： 其中W1為傳號載頻；W2為空號載頻；θ1．和θ2分別為傳號與空號載波的初相，在[-π，π]均勻分布；w0=(w1+w2)／2為載波頻率；kTb≤t≤(k+1)Tb。 對于所設計的系統采用正交調制，對此表現在已調信號(傳號與空號)各自的相關系數--正交關系。FSK和ASK相關系數均為ρ12=0，PSK的相關系數為ρ12= 一l。一般的，要滿足此條件，應考慮到載波頻率fo是碼元頻率Rb=1/Tb整數倍，即fo=mRb或1bit間隔包括整數個載波周期，即Tb=mTo，這是對以后在DSP Builder中優化系統時的依據。實現上述調制的方法有多種，采用DDS技術做正交調制，能夠克服解調輸出的嚴重失真，提高抗噪聲性能。 3．DDS的基本原理 直接數字合成(DDS，Direct Digital Synthesize)是一種新型的頻率合成技術。DDS以數控振蕩器的方式產生頻率、相位和幅度可控的正弦波。以DDS產生的正弦波作為調制的載波，可以達到精確、無偏離、便于集成等優點。圖1為DDS的基本實現原理結構圖同。 電路包括相位累加器、相位調制器、正弦ROM查找表、基準時鐘源、D／A轉換器等組成。其中前三者是DDS結構中的數字部分，具有數控頻率合成的功能。DDS是基于查找表方法，將一個正弦波周期的N個均勻采樣點存儲在存儲器中，以均勻速率將這些采樣點輸送到DAC，即可得到一個單頻正弦波，如果每隔K個采樣點輸出一個數據，則會得到K倍頻的正弦波。但是，系統會存在一個上限頻率，這取決于N的選擇和系統的采樣頻率。設一正弦波為： 將一個周期的正弦平均分為N份，取N為2的整數冪。則每一份的相位的大小是： δ=2 π/N (4) 如果每隔K個點輸出一個采樣值，則相位增量就是K δ，輸出頻率為： f=K δ／2πTs=Kf/N (5) 根據采樣定理，K應該滿足K≤N／2。如果想得到更高的輸出頻率，只有增加一個周期的采樣點N，也就是增加采樣頻率。這是以后計算中頻調制參數的依據。 DDS在此可調調制系統中作為載波信號發生部分，與傳統的頻率合成技術相比，具有頻率穩定度高，頻率轉換速度快，輸出相對帶寬寬，頻率分辨率高等特點，而且DDS的這些功能應用于軟件無線電中，可以部分降低CPU的處理負擔，使整個系統的性能達到較好的程度。 4．基于DSP Builder的軟件無線電調制模塊設計 DSP Builder是Altem公司推出的一個面向DSP開發的系統級工具，通過Simulink的圖形化界面進行設計。Altera的DSP Builder 將Math Works的Matlab和Simulink系統級的設計工具與Altem的開發工具組合在一起，為用戶提供了一個完整的DSP開發平臺，縮短DSP開發的周期。DSP Builder。設計流程如圖2. 根據DDS基本原理，基于Matlab／Altera DSP Build 建立適合軟件無線電的調制器模型如圖3。電路全部采用有符號數，其中頻率字為32位，幅度字為l 8位，分別控制載波的頻率值及載波幅度值。系統由兩個控制按鍵(key l和key2)、一個信號輸入端、三個初值輸入端(key3、key4和key5)組成。其中key l和key2控制調制方式，key3和key4是載波的頻率控制字輸入口，key5是載波幅度控制字的輸入端。 整個系統主要由一個DDS構成，包括兩個查表ROM及其他控制電路。當key1、key2為11、01、00時，分別實現FSK、PSK、ASK調制；當key1、key2為10時無信號輸出。在信號的輸人端接收被調制的信號。由AltBus、Parallel Adder Substractor、Delay 構成DDS的核心部分--相位累加器。正弦查找表模塊LUT的計算式為： 255*sin(10*[O：1*pi／(2∧10)：10*pi])+256 受存儲器容量和成本限制，正弦查找表模塊LUT容量有限，這里設置為10位，為了獲得較高的頻率分辨率，DDS模塊的頻率字設置為32位，也即相位累加器字長位32位，DDS將獲得fcal/232頻率分辨率。 由于要達到軟件無線電傳輸標準的調制器設計，通過計算得到頻率字的取值。設基帶碼元速率為1kHz，系統采樣頻率為32MHz，即對每個碼元采樣32個點，要達到一個中頻載頻取中頻載頻為：f1=600k，f2=1M，取N=232，根據式(5)，可得其頻率控制字分別為： Key1=80000000；key2=134000000；取幅度控制字key5=233。對此系統進行仿真驗證。 5 系統仿真及硬件實現。 按照圖3所示的調制器結構在Simulink中完成仿真系統的搭建，并對其進行系統級仿真，施加合適的激勵．添加合適的觀察區間，在模型窗口選擇"Simulink"菜單，再選Start項仿真。雙擊Scope 模塊，分別得到FSK、PSK、ASK仿真波形，如圖4。 FSK模型(key1=1，key2=1)：FSK調制載波的頻率有兩種，這兩個頻率值可通過key3和key4來設置。當輸入是高電平1時，選擇的頻率是key4，在正弦查找表ROM中取數據作為輸出；當輸入為低電平0時，選擇的頻率值為key3，在正弦查找表ROM中取數據作為輸出。 PSK模型(key l=0，key2=1)：由兩個ROM來完成，一個正弦查表，另一個余弦查表。它的調制載波頻率也是由key3來設置的。當輸入信號為高電平l時，選擇正弦查表ROM中的數據輸出；當輸入信號為低電平0時，選擇余弦查表ROM的數據作為輸出。 ASK模型(kev1=O，key2=O)：調制載波的頻率是由key3來設置。當輸入信號偉為高電平1時，選擇DDS中的正弦信號作為輸出，而當輸入信號為低電平O時，選擇一個常量值作為輸出，從而實現ASK調制。 通過Simulink系統級仿真后對模塊進行編譯，這在Simulink中自動完成后續的綜合、時序分析等操作。通過SignalComplier(如圖4)把Simulink的模塊文件(．mdl)轉換成通過的硬件描述語言VHDL文件，選定Cyclone系列芯片，并由Quartus II進行綜合、適配、時序分析，最終得到可供下載使用的.sof文件。 打開Quartus II，進行Cyclone系列的EP1C6Q240C8芯片，進行重新編譯、仿真，下載到芯片通過D／A采樣后可以從示波器中看到圖3所示調制波形，通過撥碼開關控制使其能實現可調的系統功能。 6．結論 該設計避免了編寫繁瑣的硬件描述程序，同時避免了向ROM中填寫大量的波形數據。充分利用了Matlab中Simulink的DSP Builder 工具箱的圖形化界面建模、系統仿真功能，同時又區別于完全圖形化的方法。針對第二代RFID的標準中混頻是從600KHz-4MHz中頻上變頻，數據速率基本上是1200bps、2400bps，文中的基于軟件無線電的調制器所達到的600KHz、1MHz中頻，數據速率達到1000bps的設計基本滿足一般應用的需求。而對于如何控制調制器的頻率是下一步研究的內容。 |
