鄭海 倪翔
摘 要:隨著我國軟件無線電技術的快速發(fā)展,人們對于其運用領域也給予了越來越多的關注,在此主要基于軟件無線電的思想指導,采用ARM、FPGA以及AD/DA硬件系統(tǒng)架構,來開發(fā)設計無線電語音通訊系統(tǒng)。該協(xié)調(diào)的整體造型較小,便于攜帶,而且功耗相對較低,因此具有非常廣泛的運用空間,諸如在航空航天、航海船舶通信等方面都具有非常大的運用價值。
關鍵詞:軟件無線電;語音通信系統(tǒng);設計;研究
由于無線電語音通信技術具有靈活、便捷、快速等優(yōu)點,因此在軍事通信、船舶通信以及民用通信等領域都具有非常廣泛的運用。傳統(tǒng)的無線電通信系統(tǒng)的設計相對比較復雜,而且對于設計所需器件具有較多要求,離散器件的功耗非常大,因此對于設計人員來說必須具有非常豐富的信號處理經(jīng)驗和硬件設計經(jīng)驗,這些都極大的增加了無線語言通信系統(tǒng)開發(fā)設計的成本和開發(fā)周期。為了能夠有效的解決上述問題,在此提出基于軟件開發(fā)無線電語音通訊系統(tǒng),這樣可以實現(xiàn)更加可靠、穩(wěn)定的通信功能,大大降低了開發(fā)復雜度,縮短了開發(fā)周期。
一、總體方案的設計
該系統(tǒng)主要包括以下5個主要部分:
主處理器:采用ZYNQ 7000系列作為控制中心,用于信號的分析處理,完成語言信號的調(diào)制和解調(diào)。
射頻模塊:采用高集成射頻捷變收發(fā)器,然后附加帶通濾波器等輔助器具。
語言模塊:主要用來采集語言信號,并對其進行處理。
電源模塊:為系統(tǒng)提供對應的電源。
通信接口、存儲器模塊等:為系統(tǒng)提供可靠、穩(wěn)定時鐘,實現(xiàn)各種信息存儲功能[1]。
二、系統(tǒng)硬件設計部分概述
2.1 主處理器模塊選擇
主處理器采用的是Xilinx退出的Zynq-7000系列可編程芯片,其最大的特點就是具有FPGA+ARM的系統(tǒng)結構,在兩者之間可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的通信功能。傳統(tǒng)的設計往往系統(tǒng)的開發(fā)比較復雜,難度非常大,而采用FPGA相對具有較高的靈活性,可以輕松的實現(xiàn)一些復雜度較高的數(shù)字電路,而且還可以定制電路,在開發(fā)過程中具有非常高的適用性,可以根據(jù)實際的需求實時的進行修改,這在普通的硬件設計中是無法做到的[2]。另外,ARM處理器內(nèi)部還有兩個告訴的處理器核,每個處理器的速度可以達到2.5DMIPS/MHz,最大的運行頻率可以達到800MHz,內(nèi)部還有兩路CAN2.0通訊接口以及兩個USB2.0接口,高速的以太網(wǎng)接口等。該結構可以借助FPGA快速、強大的處理功能,讓整體的運算變得更加靈活、穩(wěn)定,因此該處理器的性能非常優(yōu)越。
2.2 射頻模塊
射頻模塊主要是完成射頻信號的發(fā)送和接收,采用的是LC帶通濾波器、AD9364外加射頻單端磚茶分巴倫變壓器、天線等輔助器件。AD9364具有兩個獨立的信號接收器和發(fā)送器,而且可以相互獨立進行,具有穩(wěn)定、靈活的信號處理器,可以為主處理器提供更加可靠的數(shù)字接口,而且其工作范圍跨度非常大,幾乎可以滿足各種通信系統(tǒng)的頻點要求[3]。AD9364接收器具有優(yōu)異的線性度和超低的噪聲系數(shù),簡化了主處理器算法的相關數(shù)字設計,極大的提高了語音通信質量,極大的降低了射頻模塊研發(fā)成本,降低了人力的投入。發(fā)射通路,主處理器模塊將信號進行調(diào)制后轉變?yōu)?2路的差分信號,然后將該信號進行傳送給AD9364模塊,在此進行插值、濾波等信號的處理,然后轉換為差分調(diào)制RF信號,在將給TCM1-63AX+,然后通過天線將其發(fā)送出去。接收通路主要是在天線接收到信號后,然后經(jīng)過Limiter、LNA、一路混頻以及帶通濾波器,最終將信號傳送給AD9364,并完成信號的濾波、差值等處理,最終將其轉換為12路差分信號,最終完成信號的解調(diào)功能。
2.3 語音模塊
語音模塊主要包括語音采集和放大電路兩個主要部分,在此選用的是SGTL5000+NE5532來實現(xiàn)信號的采集和放大功能。其可以提供多種語音輸入輸出接口,內(nèi)部具有增益控制模塊,可以把控功耗問題。主處理器利用SPI實現(xiàn)對SGTL5000的初始化配置,然后將采集的信號進行處理,主要包括信號的調(diào)制,再通過射頻電路實現(xiàn)信號的發(fā)送[4]。接收過程中主要信號經(jīng)過主處理器完成解調(diào),然后將信號傳輸給語音芯片,完成DA轉換后將信號傳送給放大電路,通過諸如音響或者耳機等進行播放,實現(xiàn)語音的接收功能。其主要的控制框圖如圖1所示:
圖1 語音控制框圖
2.4 電源模塊
為了給系統(tǒng)提供穩(wěn)定、可靠的電源,必須選取對應的電源模塊來提供穩(wěn)定的電壓。在該系統(tǒng)中采用的最大輸出電流為4A,具有快速、穩(wěn)定的瞬態(tài)響應,可以提高多種輸出電壓選項,滿足各種需求。在電路的硬件設計過程中,我們?yōu)榱四軌蚋玫慕档洼斎?、輸出電源噪聲,因此,一般需要在輸入輸出端添?μF、47μF以及0.1μF不同量級的濾波電容,通過阻值來進行電源輸出的把控[5]。一般情況下,DCDC開關頻率和儲能電感大小存在非常大的關聯(lián),為能夠更好的米凱系統(tǒng)電源的干擾,我們在此選用600kHz的開關頻率,在儲能電感方面選擇1.5μH。
三、系統(tǒng)軟件設計概述
該系統(tǒng)的工作流程如圖2所示,首先要進行AD9364的初始化處理,然后進行主處理器內(nèi)部參數(shù)的加載賦值過程,通過RS422通訊協(xié)議將系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)進行實時的刷新,進行上傳和自檢功能。
圖2 系統(tǒng)工作流程框圖
綜上所述,本文提出的利用軟件進行無線電語音通訊系統(tǒng)的設計實現(xiàn)了遠距離、多頻段、高速度語音通訊功能,讓音頻調(diào)制的失真度低于3%,整個系統(tǒng)具有體積小、易于攜帶、研發(fā)周期短,功耗較低等方面的優(yōu)點,可以廣泛的運用于飛機通信、船舶通信以及軍用通信等相關方面。
參考文獻:
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[5]周一青,李國杰.未來移動通信系統(tǒng)中的通信與計算融合[J].電信科學,2018,34(03):1-7.