摘 要：給出了并行多通道接收機(jī)方案，以多速率信號(hào)處理理論為基礎(chǔ)，采用了寬帶中頻帶通采樣的軟件無(wú)線電架構(gòu)。使用TI的數(shù)字上/下變頻轉(zhuǎn)換器GC5016作為接收機(jī)的核心芯片，主要介紹了GC5016的結(jié)構(gòu)和功能，及其作為數(shù)字下變頻器的使用，重點(diǎn)對(duì)CIC和PFIR兩種濾波器在抽取重采樣和濾波整型中的作用進(jìn)行了理論分析和仿真研究。CPLD作為主要的外圍器件，產(chǎn)生配置時(shí)序，在上位機(jī)的控制下完成重配置功能。設(shè)計(jì)大量采用可編程器件，具有較高的集成度、靈活性和廣泛的應(yīng)用前景。

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關(guān)鍵詞：軟件無(wú)線電; 多速率信號(hào)處理; CIC濾波器; PFIR濾波器; GC5016

中圖分類(lèi)號(hào)：TN85-34

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1004-373X(2012)01-0098-04

Design of parallel multi-channel receiver based on GC5016

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XU Zhi-peng， ZHANG Xing-gan， TANG Lan， BAI Ye-chao

(School of Electronic Science and Engineering， Nanjing University， Nanjing 210093， China)

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Abstract：

A scheme of parallel multi-channel receiver is introduced. The scheme is based on the theory of multi-rate signal processing and the broadband band-pass sampling software radio architecture. It used TI′s digital up/down-converter GC5016 as the core chip of the receiver. The structure and function of GC5016 is introduced. The theoretical analysis and simulation research of CIC and PFIR used in re-sampling extraction and filter integral are proposed. CPLD as the main peripheral device generated configuration timing and completed reconfiguration under the control of the PC. The scheme has high integration， flexibility and wide range of application by using programmable devices extensively.

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Keywords： software radio; multi-rate signal processing; CIC filter; PFIR filter; GC5016

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收稿日期：2011-07-22

基金項(xiàng)目：基于部分信道信息反饋的多用戶MIMO-OFDM系統(tǒng)的資源分配問(wèn)題研究(N200902)

0 引 言

軟件無(wú)線電(Software Radio)，也稱軟件定義的無(wú)線電(Software Defined Radio)，是一種既能夠兼容多種制式的無(wú)線通信設(shè)備，也能夠滿足未來(lái)個(gè)性化通信需求的無(wú)線通信體系結(jié)構(gòu)及技術(shù)。20世紀(jì)90年代初，美國(guó)MITRE公司的首席科學(xué)家J.Mitola首先提出這個(gè)概念。它是將模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化和通用化的硬件單元以總線或者交換方式連接起來(lái)構(gòu)成的通用平臺(tái)，通過(guò)在這種平臺(tái)上加載模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化和通用化的軟件，實(shí)現(xiàn)各種無(wú)線通信功能的一種開(kāi)放體系結(jié)構(gòu)及技術(shù)[1]。

促使軟件無(wú)線電產(chǎn)生和發(fā)展的原因主要包括軍事、民用、技術(shù)和市場(chǎng)需求在內(nèi)的現(xiàn)實(shí)需求以及大規(guī)模集成電路、個(gè)人計(jì)算機(jī)及其網(wǎng)絡(luò)、高速數(shù)字信號(hào)處理、新型軟件工程方法、現(xiàn)代控制論等技術(shù)進(jìn)步的產(chǎn)物[1]。

1 中頻接收機(jī)總體設(shè)計(jì)

軟件無(wú)線電的基本思想就是盡可能地簡(jiǎn)化射頻模擬前端，使A/D變換盡可能地靠近天線，盡早地完成模擬信號(hào)的數(shù)字化，并對(duì)其盡可能多地用軟件進(jìn)行處理?？梢钥闯觯珹/D起著最為關(guān)鍵的作用，但目前A/D的性能無(wú)法實(shí)現(xiàn)射頻直接采樣，所以目前的軟件無(wú)線電接收機(jī)采用了折衷方案，大都是在中頻上完成數(shù)字化。本研究針對(duì)的是已完成模擬下變頻的70 MHz或者140 MHz的中頻信號(hào)。硬件的總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。4路A/D對(duì)中頻信號(hào)進(jìn)行采樣，并送入GC5016完成數(shù)字下變頻，F(xiàn)PGA完成部分基帶信號(hào)處理，在PCI9054橋接芯片的控制下通過(guò)PCI總線將處理后的數(shù)據(jù)送入PC機(jī)進(jìn)行再處理。同時(shí)，PC上位機(jī)通過(guò)PCI總線控制CPLD對(duì)GC5016和FPGA進(jìn)行配置和重配置，具有一定的可重構(gòu)性。

盡管采用了中頻帶通采樣技術(shù)，但相對(duì)于FPGA或者DSP處理能力來(lái)說(shuō)，數(shù)據(jù)速率仍然太高，很難滿足實(shí)時(shí)性要求。一個(gè)實(shí)際的無(wú)線信號(hào)帶寬有限，對(duì)單信號(hào)采樣時(shí)所需的采樣率并不高，對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行抽取，以降低采樣率是完全可行的。多速率信號(hào)處理中的抽取理論是軟件無(wú)線電接收機(jī)的理論基礎(chǔ)。圖2是一個(gè)完整的D倍抽取器結(jié)構(gòu)圖，圖中HLP(ejω)為其帶寬小于π/D的低通濾波器，是濾除信號(hào)頻譜中高于π/D的部分，用以防止采樣率降低后信號(hào)頻譜造成的混疊。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

圖2 完整的抽取器結(jié)構(gòu)圖

2 模塊功能描述

2.1 數(shù)字下變頻(DDC)

GC5016是一種靈活的寬帶四信道數(shù)字上下變頻器，可設(shè)計(jì)用于高速、高帶寬的數(shù)字信號(hào)處理應(yīng)用，例如3G蜂窩收發(fā)基站的發(fā)送和接收信道，也可用于通用目的的數(shù)字濾波。四個(gè)相同的處理信道可以獨(dú)立地配置為上變頻，下變頻或者兩上兩下的組合。本文將它們配置為四個(gè)下變頻通道，作為通用的數(shù)字濾波器使用。在四信道模式下輸入速率高達(dá)160 MSPS，無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍為115 dB，16個(gè)255階的FIR濾波器，64個(gè)并行輸入/輸出位，提供靈活的I/O選項(xiàng)。

在下變頻模式中，信道接收實(shí)數(shù)據(jù)或者復(fù)數(shù)據(jù)，在選定的載波頻率上解調(diào)，并進(jìn)行抽取，自動(dòng)增益放大，產(chǎn)生20位的輸出。信道的輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)格式化后，以實(shí)數(shù)或者復(fù)數(shù)的形式加到四個(gè)輸出端口，完成數(shù)字下變頻。

下變頻信道處理流程中，首先經(jīng)過(guò)接收輸入格式器(Receive Input Formatter，RINF)將ADC采樣的數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)化為復(fù)輸入格式。在混頻段，通過(guò)接收輸入信道選擇(Receiver Input Selection，RSEL)、數(shù)控振蕩器(Numerically Controlled Oscillator，NCO)和復(fù)混頻邏輯，將中頻信號(hào)載波頻率混頻搬移至0 Hz，形成零中頻信號(hào)或稱基帶信號(hào)?；祛l之后是5級(jí)的積分梳狀(Cascade Integrator Comb)抽取濾波器，提供1～256的整數(shù)倍抽取和復(fù)濾波?？删幊痰挠邢逈_擊響應(yīng)濾波器(Programmable Finite Impulse Response Filter，PFIR)提供CIC的矯正，頻譜銳化以及進(jìn)一步的抽取，PFIR的抽取率是1～16倍。復(fù)功率計(jì)對(duì)信號(hào)增益進(jìn)行監(jiān)視，輸出下變頻之后的信號(hào)。

2.2 基帶處理

軟件無(wú)線電的基帶處理需要具有如下特征：強(qiáng)大的運(yùn)算能力、完全的靈活性、模塊化、可增減性和開(kāi)放的體系結(jié)構(gòu)。FPGA以很高的集成度和靈活的可重新配置功能，非常適合軟件無(wú)線電基帶處理領(lǐng)域。在FPGA中可以完成信號(hào)的載波估計(jì)和同步，符號(hào)時(shí)鐘估計(jì)和同步，信道均衡，信號(hào)的解調(diào)、解擴(kuò)等等。通過(guò)上位機(jī)的控制和交互，完成部分乃至全部的基帶處理，并將數(shù)據(jù)通過(guò)PCI總線送入計(jì)算機(jī)，依靠廉價(jià)的PC以及其組成的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)完成部分基帶和上層數(shù)據(jù)的處理工作。

2.3 重配置電路

軟件無(wú)線電要求在一個(gè)通用的硬件平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)各種通信功能，因此可重構(gòu)性必然成為軟件無(wú)線電的根本特性。FPGA可以根據(jù)不同的配置信息構(gòu)建不同的硬件電路，再配合微處理器或者其他可編程器件來(lái)模擬FPGA的配置時(shí)序，這就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)FPGA重配置的控制。在此思想指導(dǎo)下，本文利用CPLD的通用I/O口產(chǎn)生配置時(shí)序，通過(guò)PCI總線傳送新的配置文件，在上位機(jī)的控制下，實(shí)現(xiàn)了對(duì)FPGA的重新配置。上/下變頻芯片GC5016的重配置與FPGA相同，被控芯片和上位機(jī)的相互配合即在一定程度上實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的在線重構(gòu)技術(shù)。PCI9054芯片用于FPGA，CPLD和PCI總線之間的橋接工作，已經(jīng)相當(dāng)成熟，在此不再贅述。

3 濾波器理論分析

GC5016芯片包含兩類(lèi)濾波器，CIC(級(jí)聯(lián)積分梳狀)濾波器和PFIR(可編程有限沖擊響應(yīng))濾波器。CIC濾波器已被證明在高速抽取或插值系統(tǒng)中是非常有效的單元。在下變頻中CIC可以將中頻采樣的信號(hào)按需要降低到基帶。CIC濾波器是IIR和FIR濾波器的組合，它能用簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)、較少的資源靈活地實(shí)現(xiàn)輸入、輸出數(shù)字信號(hào)的速率變換，往往在DDC中用作第一級(jí)處理[2]。

FIR濾波器，即有限沖擊響應(yīng)濾波器是指沖激響應(yīng)函數(shù)h(n)為有限個(gè)值的數(shù)字濾波器。FIR濾波器具有許多獨(dú)特的優(yōu)越性，除了可以做成具有嚴(yán)格的線性相位外，還可以滿足任意的幅度特性要求，也不存在不穩(wěn)定問(wèn)題，且設(shè)計(jì)相對(duì)成熟。

理論分析中采用了實(shí)信號(hào)形式進(jìn)行分析，而實(shí)際的芯片處理通過(guò)模塊復(fù)制實(shí)現(xiàn)了復(fù)信號(hào)的處理。

3.1 CIC濾波器

CIC濾波器用來(lái)實(shí)現(xiàn)第一級(jí)的整數(shù)倍抽取，如圖3所示。該濾波器的沖激響應(yīng)具有如下形式：

h(n)=1， 0≤n≤D－10，else

(1)

式中:D即為抽取因子，也是CIC濾波器的階數(shù)。其z變換為：



H(z)=11－z－1#8226;(1－z－D)=H1(z)#8226;H2(z)

(2)



總的頻率響應(yīng)為：

H(ejω)=H1(ejω)#8226;H2(ejω) 

=D#8226;SaωD2#8226;Sa－1ω2

(3)

第一旁瓣電平為：H(ejω)ω=1.5#8226;2πD=1sin3π2D，

當(dāng)D1時(shí)，sin3π2D≈3π2D，它與主瓣電平(D)的差值為13.46 dB?？梢?jiàn)，單極CIC濾波器的旁瓣電平較大，阻帶衰減很差。為了降低旁瓣電平，可以采用多級(jí)CIC濾波器級(jí)聯(lián)的方法，如圖4所示，GC5016采用五級(jí)級(jí)聯(lián)的方式，提供1～256級(jí)的抽取率，具有67 dB左右的阻帶衰減，基本滿足實(shí)際需求。其頻率響應(yīng)為:

H5(ejω)=D5#8226;Sa5ωD2#8226;Sa－5ω2

(4)

圖3 積分梳狀濾波器的實(shí)現(xiàn)

圖4 多級(jí)級(jí)聯(lián)CIC抽取濾波器的等效結(jié)構(gòu)

由于CIC濾波器的通帶傾斜較大，信號(hào)通過(guò)CIC濾波器之后，頻譜會(huì)產(chǎn)生一定的傾斜，且伴有較大損耗，所以后端的PFIR濾波器在繼續(xù)對(duì)信號(hào)進(jìn)行抽取降速的基礎(chǔ)上，還要對(duì)信號(hào)進(jìn)行一定程度的補(bǔ)償，以便抵消CIC濾波器的通帶傾斜。

3.2 PFIR濾波器

用一個(gè)已知的窗函數(shù)ω(k)去截取一個(gè)理想濾波器的沖激函數(shù)hid(k)，就能得到一個(gè)實(shí)際可用的FIR濾波器沖擊函數(shù)h(k)，即窗函數(shù)法，這是最簡(jiǎn)單、最常用的設(shè)計(jì)FIR濾波器的方法。常用的窗函數(shù)ω(k)有矩形窗、漢寧窗、海明窗、布-哈窗(Blackman-Harris)以及凱撒(Kaiser)窗等。除此之外，還有等波紋最佳一致逼近法(Parks-Mcclellan最優(yōu)法)及頻域采樣法等。

FIR濾波器的階數(shù)即窗函數(shù)長(zhǎng)度是由濾波器的實(shí)際需求決定的，對(duì)于某些類(lèi)型的窗函數(shù)，給定δp，δs，fC，fA等濾波器參數(shù)就可確定所需的濾波器階數(shù)。例如對(duì)凱撒窗，當(dāng)δ=δp=δs時(shí)，則N由下式給出:

N=－20lg δ－7.9514.36×Δf+1=－20lg δ－7.9514.36×Δf#8226;fs+1

=－20lg δ－7.9514.36(fA－fC)#8226;fs+1

(5)

式中:Δf，fC，fA分別為實(shí)際模擬帶寬和頻率值;fs為采樣頻率。由上式可見(jiàn)，數(shù)字濾波器的階數(shù)N與濾波器的歸一化過(guò)渡帶寬度成反比，與濾波器帶內(nèi)波動(dòng)的對(duì)數(shù)值成正比，過(guò)渡帶越窄帶內(nèi)波動(dòng)越小，所需的濾波器階數(shù)越大，實(shí)現(xiàn)起來(lái)也越困難，所以實(shí)際應(yīng)用中，需要對(duì)三者進(jìn)行權(quán)衡折衷。目前有很多商用濾波器設(shè)計(jì)軟件包可供選擇，Matlab的信號(hào)處理和濾波器設(shè)計(jì)工具箱，提供了強(qiáng)大的設(shè)計(jì)和仿真功能。本文使用Matlab對(duì)GC5016的濾波器設(shè)計(jì)進(jìn)行了仿真。

4 仿真及結(jié)果

仿真實(shí)用Matlab的濾波器設(shè)計(jì)工具箱，假設(shè)抽取因子M=8，差分延時(shí)D=1，信號(hào)通帶為2 MHz，阻帶衰減Ast為80 dB，采樣率fs為100 MHz，則CIC濾波器的幅頻響應(yīng)如圖5所示。

圖5 CIC濾波器的幅頻響應(yīng)

假設(shè)FIR濾波器的抽取因子M2=4，阻帶為4.25 MHz，通帶為2.25 MHz，通帶紋波Ap為0.1 dB，則FIR濾波器的幅頻響應(yīng)如圖6所示，級(jí)聯(lián)之后的幅頻響應(yīng)如圖7所示。

濾波器設(shè)計(jì)工具箱可以直接導(dǎo)出上述濾波器的系數(shù)，通過(guò)相應(yīng)的開(kāi)發(fā)工具寫(xiě)入GC5016的配置文件，即完成了從仿真到實(shí)踐的開(kāi)發(fā)過(guò)程。



圖6 FIR濾波器的幅頻響應(yīng)

圖7 濾波器級(jí)聯(lián)的幅頻響應(yīng)

5 結(jié) 語(yǔ)

軟件無(wú)線電以可升級(jí)和可重配置的軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)各種無(wú)線電功能的新架構(gòu)，在軍用和民用領(lǐng)域越來(lái)越顯示出強(qiáng)大的生命力。本文介紹了以數(shù)字上下變頻器

GC5016和可重配置的FPGA為核心的多通道接收機(jī)

設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)表明，該多通道接收機(jī)具有一定的靈活性和開(kāi)放性。未來(lái)還可以在4通道的基礎(chǔ)上，利用多個(gè)多通道接收機(jī)實(shí)現(xiàn)新一代陣列處理系統(tǒng)，具有較強(qiáng)的生命力和廣泛的應(yīng)用前景。

參 考 文 獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：

徐志鵬 男，1983年出生，江蘇東臺(tái)人，碩士研究生。主要研究方向?yàn)樾盘?hào)與信息處理。