石成伟
石家庄海山实业发展总公司，河北 石家庄 050000
摘要：传统的广播监测接收机基本都基于超外差模式设计，硬件依耐性强，信号适应性差，功能单一。芯片工艺技术的快速发展使软件无线电技术的应用变成可能，进而促进了广播接收机技术的发展。软件无线电的基本思想是对射频信号进行直接采样，通过在高速处理器上加载不同的软件单元，实现对不同模式信号的解调。同时通过软件无线电射频端直接采样，防止前端模拟器件对信号质量的干扰。本文主要介绍了一种以FPGA软件无线电接收机的应用，可实现多通道、多模式的信道解调和信号频谱数据扫描，作为广播质量保证系统升级改造基础性硬件更新的可选方案。
关键词：软件无线电；嵌入式；应用
1设计思想及原理
软件无线电接收机的设计思想是使高速宽带AD的变换尽可能靠近天线，通过对数字化的信号采用数字信号处理技术，在可编程芯片上采用软件来实现对无线信号的解调。由于软件无线电对前端模拟硬件的依赖程度低，具有开放性、可编程性，接收机的设计重点应放在程序设计和算法实现上，这样可以很好地满足多种模式的通信标准，缩短接收机的开发时间和设计成本本文研究基于软件无线电技术的广播信号接收系统，根据实际需求利用FPGA和DSP的硬件平台，实现了AM、FM、DRM等解调方式。具体利用FPGA的高速并行处理功能，实现AD数据采集、数字解调算法、数字滤波、载波同步等功能。利用DSP的高速计算能力，实现解调数据的计算，FFT、音频数据的压缩编码，网络协议等功能。射频信号经过AD采样，由FPGA芯片运算解调输出测量数据和音频，再由DSP对音频信号进行滤波处理并建立网络协议栈，通过TCP/UDP协议输出测量结果和音频。
2AD9268简介
AD9268是一款双通道、16位、80MSPS/105MSPS/125MSPS模数转
换器（ADC）。这款双通道ADC内部采用多级流水线架构，集成硬件纠错逻辑单元。两个ADC通道均具有大带宽、具有采样保持功能的模拟放大器，支持可设置的多种输入模式及输入范围。而且芯片内部集成高精度的基准电源，可简化硬件复杂度。专用的占空比稳定器可以补偿采样时钟的波动，使采样数据稳定可靠。采样数据直接通过高速LVDS接口送出，LVDS接口兼容多种电压模式。AD9268是16位高速AD，无杂散动态范围可以达到88dBc。利用AD9268的双通道特性，在80MHz采样频率下，可实现对短波段和FM频段的直接采样。芯片具有如下特性：一是芯片内具有扰动功能，可用于提高模拟输入信号的无杂散动态范围；二是专有的差分输入模式在300MHz输入频率时仍能保持较好的信噪比性能；三是支持多种产品特性和功能，如数据格式化（偏移二进制、二进制补码或格雷码）、时钟DCS使能、省电模式、测试模式以及基准电压模式等；四是支持差分模拟输入、650MHz带宽ADC时钟占空比稳定器9dB通道隔离/串扰。
3解调算法原理
本文的数字解调是基于正交解调方式，正交解调简单来说就是将已调信号搬到基带上并分成I/Q两路，再根据不同的调制方式采用解调算法。
3.1AM解调
调幅信号是载波的振荡幅度随制信号的大小变化而变化为了方便计算，我们假设调制信号为单音正弦波信号。利用AGC技术，使音频输出不随输入载波幅度A变化，输出稳定的原调制信号。利用这种方法解调，可减少载波频率不匹配，即解调频率与信号载波频率之间允许一定的载频偏差。因此AM信号用正交解调算法解调时，不要求载频严格的同频同相。
3.2AM调幅度测量
以单音调制为例，设Ucm是载波振荡幅度，UΩm是调制信号的振幅，ω是载波信号的角频率，Ω是调制信号角频率，m是信号的调幅度数值，则单音调制信号m=UΩm/Ucm（%）。设调幅信号正峰值为A=Ucm+UΩm，调幅信号的负峰值为B=Ucm-UΩm，调制不失真（正负峰对称），在经过数字化处理后，A和B的数值很容易得出。
3.3FM解调
调频广播是载波信号的瞬时频率值随着调制信号的变化成线性变化的一
种调制模式，对正交分量和同相分量的公式的比值做反正切运算，调频信号通过正交解调，相比传统解调方式可提高抗载频失配性能，解调频率与信号的载波频率存在频率差和相位差时，对正交分量的同相分量的比值做反正切与差分运算，当FM载波频率失配，且差值是常量时，解调的数只是增加了一个常量，在减去直流分量之后就可得到调制信号m(n)。
3.4FPGA和DSP芯片
FPGA采用了KINTEX-7FPGAXC7K325T，这款FPGA最高主频可达500MHz，含有326080个逻辑单元、840个DSP单元，还有ISE软件提供的数字信号处理IP核，完全可以满足本设计的需求。DSP处理单元采用TI双核处理芯片OMAPL138，OMAPL138包含一个C674X核心和一个ARM9核心，主频为456MHz。同时含有丰富的外设接口，可以满足嵌入式应用平台的功能需求。本设计主要利用ARM9的通用处理功能，实现丰富的网络协议栈功能和通信接口；利用DSP核心的数字信号处理能力，实现数据运算、音频编码等功能。FPGA和OMAPL138之间采用16位高速并行总线进行通信，速度可达48Mbps。
4频谱信号处理
实时的频谱信号数据对广播信号检测十分重要，FFT处理可以将所有频谱信息同时展示出来，不用通过扫频就可以实时观察整个频段内的频谱信息，而且可以实时监测。这里我们利用FPGA来完成FFT计算，由于FPGA的高速并行处理能力，计算延时可以忽略不计。FFT的实时处理可以提供较好的频率分辨精度和高灵敏度。频谱FFT的计算是在对RF信号直接数字采样之后，因此不会有混频器和本振信号的干扰。在FFT计算点数和采样率足够的情况下，可以完整得出整个频段的频谱数据。本设计中的FFT计算，在考虑FPGA性能和资源情况下，使用8192(当采样点数为2的幂次时，其精度更高，计算速度会更快，8192=213)个采样点做FFT，采样率为80MHz。由于FFT计算后得到的信号频谱数据具有的镜像特性，频谱分布在-40MHz~40MHz，-40MHz~0与0~40MHz之间的数据完全对称，只需要分析一边的数据即可。这里取0~40MHz之间的数据，因此频谱分辨率为40000000/8192=4.882kHz。
5采样方式
5.1AM频段
MF和HF频段主要是30MHz以下频段，采用低通采样方式即Nyquist采样。低通采样只需要满足采样频率大于等于2倍的信号最高频率，即可完整恢复原始信号。HF段的最高工作频率是30MHz，我们AD的采样频率是80MHz，因此完全满足低通采样方式的要求。在理想情况下，ADC的采样频率在高于最高频率2倍时，采样得到的数据带宽包含从直流到fs/2（fs是采样频率）的整个范围的信号。因此AM段采样得到的信号包含0~40MHz以内的所有信号。
5.2FM频段
由于FM频段在88MHz~108MHz信号频率远远高于AD的采样频率，使用低通采样采集FM信号，需要很高的采样频率。现有的器件无法满足要求，因此FM部分使用带通采样方式。带通信号是指信号有效频谱在fL和fH中间，fL是下边界频率，fH是上边界频率。带宽为B=fH-fL。对于FM信号来说就是只需要采集到108-88=20MHz的带宽信号就可以。
结语
现已在当前硬件平台上实现了16通道的AM和FM信号解调，解调信号清晰、灵敏度高。所有16个通道都支持10kHz带宽的零中频信号输出，通过对10kHz带宽的零中频信号数字解调，可以实现DRM数字广播信号接收，同时实时送出整频段的射频频谱数据，方便用户实时观测频谱信号变化。本设计验证了基于FPGA的软无线电可行性，下一步计划实现单边带等更多解调模式。
参考文献
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