基于软件无线电的中短波接收机设计

2011-03-06徐明义周鸣籁

通信技术 2011年7期

徐明义，周鸣籁

（苏州大学电子信息学院，江苏苏州 215006）

0 引言

传统 AM广播具有调制技术简单、覆盖范围广、传播距离远等优点，但随着数字技术的飞速发展，调幅广播的数字化成为必然趋势。DRM系统就是世界范围内针对 30 MHz以下长、中、短波波段的数字广播标准[1]。它在保持AM体制的信号带宽下，实现接近FM广播的声音质量。目前，全球已有超过50个广播电台播出 DRM制式的节目，可以说现在是模拟 AM广播向数字化广播的过渡阶段。美国 Silicon Laboratories公司的 Si473X芯片是业界首款涵盖短波与长波频带的集成式 AM/FM 收音机芯片，采用内置DSP的数字低中频架构，对模拟调频和调幅广播信号进行数字化转换，利用软件无线电原理对其进行处理和解调，实现从天线输入到音频输出等所有功能。

为实现模拟广播数字化接收，同时兼容未来的数字广播标准，软件无线电技术无疑是绝佳的选择。理想的软件无线电[2]要求对天线接收的模拟信号经过放大后直接采样数字化，这对后续器件要求很高，目前难以实现。然而无线电信号大都是窄带信号,如调幅广播的带宽仅为9 kHz或10 kHz,若单独对某一信号进行接收解调时就完全可以应用带通信号采样定理对其进行数字化。即可以先由窄带电调滤波器选择所需的信号，进行放大后再采样数字化。这种基于带通采样的软件无线电结构称为射频直接带通采样，它实现起来容易得多，从硬件结构来看也非常接近于理想软件无线电。在这种结构中电调滤波器是设计的关键，为此，在介绍接收机硬件结构后，重点研究了电调滤波器的设计。

1 接收机的硬件结构

图 1为接收机的硬件框图，其中上半部分为接收机的模拟前端。AM接收系统相对简单，主要包括接收：射频接收、A/D转换、数字解调和 D/A输出。DRM接收系统包括：射频接收、A/D转换、数字解调、帧解码、正交频分复用解调、解交织、信道解码、信源解码、D/A转换等。图 1中模拟前端接收到的模拟信号通过 A/D转变数字信号，再通过处理器运行接收软件程序。处理器现在多采用FPGA，这是因为 FPGA是多流并行处理，处理比特流信号速度非常快，很适合做高速数字信号处理。在设计时多采用经过严格测试和优化的 IP核，这样可以大大减少设计和调试时间[3]。AM的基带处理用FPGA很容易实现,具体而言 FPGA要实现信号抽取滤波器，乘法器，开方运算（Cordic旋转）和FIR低通滤波器。DRM基带处理部分若只用 FPGA，芯片资源会占用很多，难以完整实现。为此,对于比特流信号的处理采用 FPGA实现，而对于控制单元则放在ARM中实现。

接收机工作时，由 FPGA产生一个跳频数控信号，通过D/A将其转换为一个模拟信号，再通过运放部分进行信号调整，最后得出的模拟信号即为电调滤波器的调谐电压[4]，其中D/A芯片采用TLV5636。FPGA采用Xilinx Spartan-3A系列的XC3S1400A芯片，该芯片资源为140万门，主要实现一些可以并行运算并且对速度要求比较高的功能模块，如信号采样率变换、码元开窗、信道解码等功能模块。XC3S1400A芯片的配置信息断电后消失，上电时必须重新配置，因此系统中添加了一块FLASH芯片，用以存放配置信息。A/D芯片采用 ADI公司的 AD6640,其最高采样频率为 65MHz，输入带宽为 300 MHz。A/D之前的驱动放大器把信号源和A/D隔离开，给ADC提供低阻驱动，同时给A/D提供所需增益，放大器采用 AD9631，AD9631具有出色的建立时间、带宽和低失真性能。D/A芯片采用AD1934，实现音频数模转换。ARM微处理器采用AT91SAM9G45芯片，其配套的SDRAM和FLASH分别为K4S561632和K9F2G08U0A-P。ARM系统主要完成软件控制、系统同步、均衡、MSC解复接等功能模块[5]。

2 电调滤波器的设计

接收机的模拟前端电路是由电调滤波器、高增益放大器组成。电调滤波器是通过改变滤波网络中的可变电容，来实现网络频率响应的变化，利用电压改变可变电容的容量，从而实现调节滤波器的带宽及中心频率等性能，满足系统需要的频率响应。电调滤波器是射频带通采样的核心部件，目前生产电调滤波器的公司很少，且价格昂贵。LC滤波器由于具有结构简单，造价低廉，性能稳定的优点，考虑到接收系统工作在中短波频率，要求调谐速度快，采用LC电调滤波方案设计滤波器。

电调谐滤波器实际上就是电容耦合式同步调谐滤波器，由若干个并联谐振回路组成。在这里选择电容耦合式谐振滤波器[6]，是因为它适用于设计窄带滤波器（即 Q值高的滤波器），用并联形式是由于串联时偏置回路复杂，至少需要一个电阻且电感的杂散电容不易被吸收[7]。选择同步调谐滤波器的一个关键要素在于这种滤波器能够以简单的电路形式实现电调谐，同时使得构成的滤波器线圈的电感量相等，有利于滤波器的制作。设计电调滤波器主要的目的是使整个窄带滤波系统的响应速度快，所以在对滤波器模型的选择上面，阶数不能太高，以免影响滤波器的建立时间，建立时间过长的话，即使控制端的时间再短也会对整机响应时间影响很大。为此选取如图 2的 2阶电容耦合谐振器式滤波器。

图2为一个2阶谐振器耦合式带通滤波器，其中L1和C1, L2与C2 分别组成谐振回路,它们决定着滤波器的中心频率，C0是耦合电容, 决定着滤波器的相对带宽，如果希望滤波器相对带宽不变, 只调节中心频率,则 C0可采用固定容值的电容器实现[8]。为了达到电调目的，在设计时用变容二极管取代调谐回路中的电容，变容二极管的结电容会随温度变化而变化，使用时可能会产生失调和频率漂移，因此，一般将两个变容二极管反相串联使用（见图 3），这样可使失调降低15～20 dB。在图3所示电路中，调谐电压通过扼流电感和偏置电阻加到变容二极管，通过改变调谐电压改变变容二极管的结电容，即可改变调谐频率。

图2 2阶谐振器耦合式带通滤波器

图3 电调滤波原理

如果固定电感的电感量，要实现 500 kHz～30 MHz频段的电调滤波，变容二极管的电容容量变化范围要达到几千倍，很显然变容二极管的参数是达不到的。所以在具体设计时，要对 500 kHz～30 MHz分段实现电调滤波。电调滤波器的频段划分成 3个频率段,分别为∶500 kHz～2 MHz,2～8 MHz，8～30 MHz。此时各频段中心频率的变化比率约为 4，变容二极管的电容比率均约为 16。变容二极管可采用 1SV149，1SV149是一款高 Q值、低电压控制的变容二极管，在外加反向偏压 1 V和 8 V，其电容量比值高达20。各频段的转换通过开关二极管进行，图 4为滤波器的频段切换图，其中VD1、VD2和VD3为PIN二极管，PIN二极管采用HSMP-386Z。通过频段转换开关 S选择所需的频率段，直流电压V通过电阻 R加到开关二极管正极，使该段导通。

图4 频段切换电路

3 电路仿真

基于图 3，建立仿真模型和设计各种参数，利用Multisim软件对电调滤波器进行电路设计和仿真。当设置电感线圈值为 250 uH,设置变容二极管的调谐电压为 4 V,其容量值约为 100 pF，得到如图 5的幅频特性仿真图，此时电调滤波器中心频率为1 MHz，带宽为10 kHz。将调谐电压设置为6 V，变容二极管的容量值约为45 pF，就可得到如图 6的幅频特性仿真图，此时电调滤波器中心频率约为 1.5 MHz，带宽为 10 kHz。通过仿真发现该滤波器达到电调效果。