摘 要: 介紹了軟件無線電的思想和結構，提出了一種實現軟件無線電試驗平臺的設計方案，隨后對各個模塊進行了分析。整個試驗平臺可以根據用戶的需求產生各種調制制式的中頻信號;也可以接收各種中頻信號，并下變頻成基帶信號。另外，它利用通用微機完成形式多樣的基帶信號處理，使得整個平臺結構簡單，功能強大。
軟件無線電技術是近幾年發展的新技術，是繼無線電通訊從模擬到數字，從固定到移動的第三次革命。當初，是由于解決軍事通訊中的不同體制、不同標準之間的兼容性而提出來的一種技術要求。但是，近幾年來，由于第三代移動通訊標準UMTS (Universal Mobile Telecommunications Systems)的提出，它要求支持多媒體的信息傳輸，如語音、圖像、傳真、互聯網服務。這就要求它支持寬帶的移動多媒體服務，只有利用軟件無線電技術才能如此復雜地傳輸數據，這為軟件無線電提供了更為廣闊的應用前景。軟件無線電的基本概念是利用通用的硬件作為無線通信的平臺，而把盡可能多的個人通信功能和服務采用軟件來實現。它的優勢主要表現在以下四個方面:(1)系統的結構通用，功能實現靈活;(2)系統的改進和升級方便;(3)不同通信系統之間可以進行通信;(4)具有良好的復用性。
軟件無線電的基本概念是把硬件作為無線電的基本平臺，而把盡可能多的無線電及個人通信功能用軟件實現。這樣，無線通信新系統，新產品的開發將逐步轉移到軟件上，軟件無線電的關鍵思想與傳統結構的區別在于:將AD和DA向RF端靠近，由基帶移到中頻，甚至到射頻，同時用高速的DSP/CPU代替傳統的專用數字電路和低速DSP/CPU做A/D后的一系列處理。圖1給出了軟件無線電的理想結構。但是由于現在DSP、ADC、DAC技術等還不能滿足這種理想結構的要求，圖2給出了現在具備的條件能夠實現的軟件無線電結構，它將專用的可編程DUC，DDC代替了DSP的中頻信號處理功能。在本文中討論的軟件無線電試驗平臺的結構是基于圖2所示的結構進行設計的，對此我們利用了可編程的上變頻和下變頻芯片代替數字處理器(DSP)，用以彌補目前DSP運算速度不能滿足軟件無線電要求的缺陷。
1 系統結構
我們設計的軟件無線電試驗平臺的系統結構圖如圖3所示，它主要由發射模塊和接收模塊兩個主要部分組成。系統的發射模塊可以處理多種基帶信號，并可由用戶選擇調制方式、設置發送濾波器系數以及輸出頻率，并最終生成中頻為10～20MHz的多種調制信號(如AM、FM、MPSK、MFSK、QAM等)。系統的接收模塊能夠接收多種指示的中頻信號(如AM、FM、MPSK、MFSK、QAM等)，要求調制信號的載頻在20MHz以下，模擬調制信號的基帶帶寬不超過500kHz，數字調制信號的碼元速率不超過16kSPS。整個系統由一片CPLD芯片進行控制，由此可以簡化電路，方便調試，提高系統工作的可靠性。
在系統的設計中，我們并沒有采用傳統的方法利用DSP進行基帶信號處理，而是利用通用微機對基帶信號進行處理，并采用PCI總線進行數據傳輸，主要基于以下兩個原因:一則當前通用計算機發展迅速，如基于奔騰III的通用計算機的綜合處理性能接近甚至超過第三代的DSP處理芯片(如TI公司的TMS320C50系列)，利用通用微機對基帶信號進行處理比DSP更方便。二則PCI總線具有很高的傳輸速率(峰值速率可達132MB/s)，而我們設計的系統的基帶信號傳輸速率是在1000kSPS以下，所以利用PCI總線來傳輸數據完全可以滿足要求。
系統的硬件結構主要包括總線控制器S5933、外部FIFO、全局控制器CPLD、數字上變頻器件HSP50215、數字下變頻器件HSP50214B、HSP50210、高速D/A器件AD9762等單元。如圖3所示，待發射的基帶信號由PCI總線輸入，經FIFO緩存后送入數字上變頻器件HSP50215，高速D/A器件將HSP50215輸出的數字信號轉化為模擬中頻信號;高速的A/D器件將中頻的調制信號數字化以后傳輸給HSP50214B，下變頻得到的基帶信號經FIFO緩存，由S5933經PCI總線傳給計算機處理。
2 各個功能模塊分析
2.1 總線控制器S5933
S5933是由AMCC公司生產的一種功能強、使用靈活的PCI總線控制器專用芯片，該芯片符合PCI局部總線規范2.1版。它提供了操作簡單而功能強大的開發接口:PCI接口與Addon接口，PCI接口與PCI總線相連，Addon接口與用戶的電路相連，用戶不用理會PCI總線的繁瑣規范，只需對Addon接口進行PCI擴展板的設計。S5933支持DMA傳輸，它的峰值傳送速率為132MB/s(32位PCI數據線)，完全可以滿足基帶信號的雙向傳輸。
S5933提供3種數據傳輸方式:信箱方式、PASSTHRU方式、FIFO方式。信箱方式用于PCI總線與Addon接口之間進行簡單的數據傳輸。PASSTHUR方式使得主機以訪問內存的方式訪問Addon接口的擴展存儲空間。FIFO方式可以實現數據在PCI總線上進行DMA傳輸。此我們利用PASSTHRU方式實現對擴展板的可編程芯片的控制字和濾波器系數的訪問，使得此試驗平臺可以工作在不同的方式中。利用FIFO方式實現基帶信號在PCI總線上的DMA傳輸。
2.2 可編程數字下變頻器HSP50214B與HSP50210
HSP50214B是由HARRIS公司生產的一種可編程數字下變頻芯片，它對數字化的中頻信號進行下變頻、抽取濾波、窄帶低通濾波、增益控制、重采樣、坐標轉換的數字信號處理，輸出的基帶信號可以由一般的DSP或通用微機處理。HSP50214B支持各種數字解調方式(如BPSK、BASK、MPSK、MSK、MQAMD等)和各種模擬解調方式(如AM、FM、VBS、SSB等)。輸入的數字化中頻信號的速率可達65MSPS，輸出的基帶信號的速率可達12.94MSPS，帶寬可達982kHz。它的一個重要特性是可以通過改變內部寄存器的值從而改變整個芯片的工作方式和狀態，我們可以通過軟件改變解調的方式、中頻信號的輸入方式、載波的中心頻率與相移、數控振蕩器的頻率、增益控制的方式、輸入和輸出數據的格式等;另外，HSP50214B中有兩個(I、Q兩路通道)可編程的256階濾波器，它具有整形和抽取的功能。
HSP50210是由HARRIS公司生產的一種數字載波相位估計器件，它與HSP50215一起完成PSK信號的解調。
2.3 可編程數字上變頻器HSP50215
HSP50215是由HARRIS公司生產的一種可編程數字上變頻芯片，它支持各種數字調制方式(如BPSK、BASK、MPSK、MSK、MQAMD等)和各種模擬調制方式(如AM、FM、VBS、SSB等)。HSP50215的基帶數據的輸入速率可達3.23MSPS，而經它上變頻調制的信號的輸出速率可達52MSPS，輸出的中頻載波頻率在10～20MHz之間。它的一個重要特性是可以通過改變內部寄存器的值從而改變整個芯片的工作方式和狀態，我們可以通過軟件改變調制的方式、基帶信號的輸入速率、載波的中心頻率、輸入和輸出數據的格式、同步方式等;另外，HSP50215中有兩個(I、Q兩路通道)可編程的256階濾波器，它具有整形和插值的功能。
2.4 全局控制器CPLD
整個系統的所有控制邏輯由一片CPLD器件(Altera公司的EPM7192)承擔，其控制對象包括S5933的Add-on接口、外部FIFO、HSP50215的控制接口和HSP50214B的控制接口。全局控制器主要完成以下任務:設置HSP50215內部寄存器;實現基帶數據主機內存與HSP50215輸入通道之間的傳輸以及實現基帶數據主機內存與HSP50214B輸入通道之間的傳輸。對于下變頻模塊，由于解調的過程存在相位和載波同步的問題(由HSP50210完成)，所以在系統的工作過程中要在線改變HSP50214B內部寄存器，設計控制邏輯中要著重考慮。對于下變頻模塊，由于調制過程不存在類似于鎖相環的反饋結構，這意味著一旦啟動基帶數據傳輸后不需要再更改HSP50215控制參數。因此寫HSP50215控制字與基帶數據傳輸是兩個相互獨立的控制邏輯，這使得設計過程比較清晰。
參考文獻
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2 Walter H.W. Software Radio Technology：A European Perspective.IEEE Communication Magazine，February 1999：118～123.
3 HSP50215 Digital Upconverter，See http：//www.intersil.com
4 HSP50214 DigitalB Downconverter，See http：//www.intersil.com
5 薛兆寶等.PCI總線.微計算機應用，1997(5)：165～169