唐俊1,范紅1，2,嚴(yán)杰3,倪林1，2,曹愛玲1
?。?. 東華大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，上海 201620；2.東華大學(xué) 數(shù)字化紡織服裝技術(shù)教育部工程研究中心，上海 201620；3.東方明珠傳輸有限公司，上海 200052）
摘要：利用射頻捷變收發(fā)器AD9361接收調(diào)頻廣播信號(hào)，將射頻信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理。處理后的廣播信號(hào)按所要求的頻段進(jìn)行發(fā)射，實(shí)現(xiàn)廣播信號(hào)更廣泛的傳播。較傳統(tǒng)通信系統(tǒng)中頻段的改變是利用模擬電路來實(shí)現(xiàn)的，每個(gè)電路只能對(duì)應(yīng)固定的頻段，無線通信數(shù)字中繼器則具有更好的靈活性和通用性。
關(guān)鍵詞：調(diào)頻廣播; 數(shù)字中繼器；軟件無線電; AD9361
0引言
隨著地下軌道交通的日益擴(kuò)大，地下隧道中對(duì)廣播信號(hào)的傳輸質(zhì)量的要求越來越高，同時(shí)隧道也會(huì)對(duì)廣播信號(hào)產(chǎn)生衰減和隔絕的作用。在現(xiàn)有技術(shù)中，地下廣播信號(hào)采用光纖覆蓋傳輸方式，成本高、建設(shè)周期長且布線有很大的局限性。隨著無線通信與芯片技術(shù)的迅猛發(fā)展，軟件無線電的概念開始廣泛流行。ADI公司推出一款面向軟件無線電應(yīng)用的革命性解決方案——AD9361射頻捷變收發(fā)器，支持多種可編程無線電應(yīng)用［1］。本文采用一種基于SoC和AD9361的無線數(shù)字中繼傳輸系統(tǒng)，具有很強(qiáng)的可重新編程和可重構(gòu)的能力，實(shí)現(xiàn)了對(duì)射頻信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)的處理和傳輸。
1AD9361的結(jié)構(gòu)和工作原理
本文所述的無線射頻收發(fā)機(jī)關(guān)鍵部分是AD9361射頻（RF）捷變收發(fā)器，工作頻率范圍為70 MHz~6.0 GHz，支持的通道帶寬范圍為200 kHz~56 MHz，涵蓋大部分特許執(zhí)照和免執(zhí)照頻段；在單個(gè)器件中集成了提供所有收發(fā)器功能的所有必要RF、混合信號(hào)和數(shù)字模塊［2］。
AD9361芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。AD9361有兩個(gè)獨(dú)立的接收器和發(fā)射器：接收器含有一個(gè)低噪聲放大器(LNA)，其后是相內(nèi)(I)和正交(Q)放大器、混頻器和頻帶整形濾波器，該濾波器可以將接收到的信號(hào)下變頻為基帶；數(shù)圖1AD9361捷變收發(fā)器字化信號(hào)可以通過一系列抽取濾波器和一個(gè)完全可編程的128抽頭FIR濾波器進(jìn)行進(jìn)一步調(diào)整。各個(gè)數(shù)字濾波器模塊的采樣速率可以通過更改抽取系數(shù)來進(jìn)行調(diào)整，從而產(chǎn)生需要的輸出數(shù)據(jù)速率；接收器擁有兩個(gè)獨(dú)立控制的通道I和Q，每個(gè)通道含有3個(gè)輸入RX(A、B、C)。
圖3數(shù)字下變頻結(jié)構(gòu)圖發(fā)射器與接收器相同，都含有兩個(gè)獨(dú)立控制的通道I和Q，每個(gè)通道含有兩個(gè)輸出通道TX(A、B)，通道提供了所需的數(shù)字處理、混合信號(hào)和射頻模塊，能夠形成一個(gè)直接變頻系統(tǒng)，同時(shí)共用一個(gè)通用型頻率合成器。從基帶處理器收到的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)入FIR濾波器，經(jīng)濾波器后發(fā)送到插值濾波器中，實(shí)現(xiàn)細(xì)致的濾波和數(shù)據(jù)速率插值處理，然后進(jìn)入DAC；每個(gè)DAC都擁有可調(diào)的采樣速率，最后信號(hào)通過I、Q兩路通道進(jìn)入射頻模塊進(jìn)行上變頻。
射頻收發(fā)機(jī)結(jié)構(gòu)如圖2所示。AD9361芯片板卡ADFMCOMMS3通過FMC插口與基于Xilinx ZynqTM7000擴(kuò)展式處理平臺(tái)連接［3］，完成硬件的搭建。同時(shí)通過搭建一個(gè)在ARM芯片上的嵌入式Linux系統(tǒng)，用SD卡驅(qū)動(dòng)，調(diào)試完成后，射頻收發(fā)機(jī)完成，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)信號(hào)的接收、處理、發(fā)射。
2數(shù)字變頻
在無線通信系統(tǒng)中，為了信道的復(fù)用，信號(hào)的頻率一般都很高，所以要進(jìn)行頻率的轉(zhuǎn)換后才能進(jìn)行信號(hào)的處理。頻率的轉(zhuǎn)換無非是兩種，一種是頻率的增加，叫上變頻；另一種則是頻率的減小，叫下變頻。廣播信號(hào)在收發(fā)信機(jī)中分別經(jīng)過下變頻和上變頻，實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的數(shù)字變頻。
本系統(tǒng)采用了寬帶中頻帶通采樣軟件無線電結(jié)構(gòu)，將前端接收到的射頻信號(hào)通過高放、混頻、中放、分段濾波，從高頻降到中頻，經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換和帶通采樣后進(jìn)入數(shù)字信號(hào)處理器件中。數(shù)字下變頻（DDC）原理框圖如圖3所示，可以看出本振信號(hào)（LO）由NCO(數(shù)字控制振蕩器)產(chǎn)生，數(shù)字混頻器對(duì)其進(jìn)行正交解調(diào)，將接收到的中頻信號(hào)下變頻到零中頻；接著經(jīng)過數(shù)字低通濾波器進(jìn)行抗混疊濾波和信號(hào)提??；最后經(jīng)抽取器，降低采樣率，以利于后期基帶信號(hào)處理［4］。
數(shù)字上變頻（DUC）原理框圖如圖4所示。在無線通信發(fā)射機(jī)中它是核心物理模塊，主要部件為內(nèi)插器以及數(shù)字振蕩器［5］?；鶐?shù)字信號(hào)經(jīng)FIR濾波后再進(jìn)入插值濾波器中，實(shí)現(xiàn)細(xì)致的濾波和數(shù)據(jù)速率插值處理；其中內(nèi)插器通過在原始的采樣間隔內(nèi)增加新的采樣點(diǎn)，從而提高信號(hào)的采樣率；完成采樣率的變換后，進(jìn)行數(shù)字上變頻，它是用數(shù)字振蕩器（NCO）實(shí)現(xiàn)的。
本文利用AD9361接收部分中將接收到的調(diào)頻廣播信號(hào)通過數(shù)字下變頻將射頻信號(hào)變頻到零中頻0~21 MHz上，信號(hào)通過一個(gè)不帶插值的128抽頭FIR濾波器和一系列的插值濾波器，實(shí)現(xiàn)信號(hào)濾波和數(shù)據(jù)速率插值處理，再進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換。當(dāng)基帶模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為基帶數(shù)字信號(hào)時(shí)，這里的信號(hào)分別是I和Q兩路信號(hào)，二者又經(jīng)過基帶低通濾波，以移除采樣偽像［6］，然后進(jìn)入上變頻混頻器，實(shí)現(xiàn)I和Q信號(hào)的重新組合，并在載波頻率下進(jìn)行調(diào)制，調(diào)制到需要傳輸?shù)念l率上［7］。I、Q組合信號(hào)通過二級(jí)低通濾波器，由它們提供額外的頻帶整形處理，然后再將信號(hào)傳輸至輸出放大器，實(shí)現(xiàn)信號(hào)發(fā)送［8］。
在Linux系統(tǒng)終端中確定發(fā)射信號(hào)的本振、帶寬和采樣率之后，實(shí)現(xiàn)信號(hào)頻段搬移。操作如下：
對(duì)本振頻率的設(shè)定：
root:/##>cat out_altvoltage0_TX_LO_frequency//查看當(dāng)前本振頻率
root:/##>echo 97000000
>out_altvoltage0_TX_LO_frequency//設(shè)定發(fā)射信號(hào)的本振頻率從87 MHz搬到97 MHz
對(duì)帶寬的設(shè)置：
root:/##>cat out_voltage_rf_bandwidth//查看當(dāng)前帶寬頻率
root:/## >echo 21000000 >
out_voltage_rf_bandwidth//設(shè)置帶寬頻率為21 MHz，調(diào)頻廣播信號(hào)從87 MHz~108 MHz
采樣頻率的設(shè)定：
root:/##>cat out_voltage_sampling_frequency//查看當(dāng)前采樣頻率
root:/##>echo 50000000>out_voltage_sampling_frequency//設(shè)置采樣頻率為50 MHz，采樣頻率至少是帶寬的兩倍
3實(shí)現(xiàn)結(jié)果分析
實(shí)驗(yàn)實(shí)際效果的觀測(cè)，本文分別利用收發(fā)信機(jī)和頻譜分析儀對(duì)搬移后的信號(hào)進(jìn)行接收和分析。收發(fā)信機(jī)接收空中87 MHz~108 MHz的所有調(diào)頻廣播信號(hào)，如圖5所示。圖中從左下角窗口可以讀出接收到的廣播信號(hào)頻點(diǎn)，分別為P0:87.9MHz；P1:99MHz；P2:97.7 MHz；P3：91.4 MHz；P4：94.0 MHz；P5：93.4 MHz；P6:90.9 MHz；P7:89.9MHz；P8:94.7MHz；P9:101.7 MHz；P10:107.7MHz。通過數(shù)字變頻將信號(hào)頻率由原來的87 MHz搬移到97 MHz，控制數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器信道和改變信道狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)接收到的信號(hào)的再發(fā)射。
收發(fā)信機(jī)接收97 MHz~118 MHz信號(hào)如圖6所示，從圖中可以看出，收發(fā)信機(jī)接收到了97 MHz~118 MHz內(nèi)的廣播信號(hào)，而如果頻段沒有改變，廣播信號(hào)超過108 MHz以后是不能接收到的，因此說明信號(hào)的頻段通過數(shù)字變頻后實(shí)現(xiàn)了搬移。
頻譜分析儀接收到的信號(hào)如圖7所示，接收的信號(hào)起始頻率為97 MHz，截止頻率為119 MHz，中心頻率為108 MHz，通過移動(dòng)Mark光標(biāo)讀出接收到的信號(hào)，也可以看出信號(hào)頻段實(shí)現(xiàn)了搬移。最后在發(fā)射端口接上發(fā)射天線，用收音機(jī)分別接收原有頻段87 MHz~108 MHz中所有廣播頻道，并且將這些頻道上調(diào)10 MHz，例如將上海廣播調(diào)頻信號(hào)87.9上調(diào)至沒有節(jié)目的97.9頻道，97.7頻道的節(jié)目內(nèi)容與87.9頻道中的一致，切換頻道沒有停滯和延時(shí)，證明頻段搬移成功。
4結(jié)論
通過具體的實(shí)踐操作，利用AD9361芯片接收調(diào)頻廣播信號(hào)，將射頻信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理。處理后的廣播信號(hào)按所要求的頻段進(jìn)行發(fā)射，實(shí)現(xiàn)了廣播信號(hào)更廣泛的傳播。以處理器為中心的FPGA平臺(tái)——Zyng平臺(tái)的應(yīng)用和嵌入式Linux操作系統(tǒng)的運(yùn)用，提高了集成度和降低操作難度。AD9361將其他平臺(tái)的分立式器件集成到一塊芯片上，大大提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和集成度。
本文采用的數(shù)字中繼技術(shù)不僅僅局限于對(duì)調(diào)頻廣播的應(yīng)用，只要在AD9361的工作頻率范圍70 MHz~6 GHz內(nèi)的任意信號(hào)，都可以進(jìn)行接收、發(fā)射和數(shù)字處理，具有廣泛的應(yīng)用前景。
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