中频软件无线电系统的FPGA实现方案

统方法

　　为解决数字信号处理资源匮乏这一问题，目前实现中频软件无线电系统的传统方法有2种，即用多个DSP实现和用DSP+参数化ASIC实现。

　　(1)多个DSP方法

　　这种方法一般采用多个DSP组成树状或网状结构，并行处理数据流，但这种方法最大的弊端是系统体积大、供耗高、成本高。

　　(2)DSP+参数化ASIC方法

　　这种系统是目前较多采用的实现方法。在这种系统中，参数化ASIC可有限编程，完成对数字信号处理速度要求较高的部分，DSP做较低速的数字信号处理。这种方法虽然减小了系统的体积，降低了功耗，但是由于参数化ASIC可编程的限制较大，严重地限制了系统的灵活性和开放性，难以体现软件无线电的优越性。

　　3．用FPGA实现中频软件无线电的优势

　　本文采用FPGA来实现中频软件无线电。表1和表2所示的比较分析表明，FPGA与参数化ASIC、DSP比较有很多优势，它不但在功耗、体积、成本方面优于参数化ASIC、DSP，而且处理效率高、现场可编程性能良好。不同于DSP的单流处理方式，FPGA是多流并行处理，这种处理方式使FPGA能完成DSP难以实现的许多功能，如FIR/IIR滤波器、扩频、跳频模式。因此，FPGA能很好地体现软件无线电的灵活性和开放性，很适合在软件无线电中做高速数字信号处理，是实现中频软件无线电的理想选择。

　　4．采用FPGA实现中频软件无线电系统

　　图3为所实现的中频软件无线电系统框图。系统从IF（中频）进行A/D和D/A变换。下面就系统的各部分做一介绍。

　　1 宽带D/A和A/D转换器

　　D/A和A/D转换器分别把中频数字信号转换成模拟信号，中频模拟信号转换成数字信号。D/A变换器和A/D变换器的选择，直接关系到软件无线电的总体性能。因此，必须根据系统的要求，综合考虑D/A变换器和A/D变换器的各方面性能，做出选择。

　　(1)宽带D/A转换器

　　选用了AD公司的AD9713B，性能指标如下:

　　1)具有12 bit精度；

　　2)转换速率最快为80 MSPS；

　　3)SFDR（无杂散动态范围）为70 dBc。

　　这里，DAC锁存时钟为40 MHz。AD9713B后接两级放大器，将模拟信号放大后输出。

　　(2)宽带A/D转换器

　　在软件无线电中，对ADC的性能要求很高，ADC的选择比DAC更为重要。选择ADC时，需要考虑其采样频率、带宽、转换位数和SFDR。而这几个性能指标是互为约束的，必须综合考虑确定。

　　在此，ADC选用AD公司生产的AD9042。AD9042是高速、高性能、低功耗的单片12位模/数变换器，其性能指标如下：

　　1)最大采样速率41 MSPS；

　　2)SFDR为80 dBc；

　　3)信噪比为68 dB。

　　实际使用中，采样时钟为40 MHz，AD9042的性能很好。

　　2FPGA――数字信号处理模块

　　FPGA选用了Altera公司的APEX EP20K200E器件，这个器件为20万门容量，1.8 V低功耗，具有多种I/O接口和多钟配置方式的单片系统级集成的可编程逻辑器件。

　　FPGA主要完成数字上/下变频、滤波、调制/解调、扩频/解扩、载波以及PN（伪随机码）的同步和跟踪等功能。

　　FPGA的设计结构如图4所示。在此，以DSSS（直接序列扩频）信号为例说明。发射的设计为，系统将125 kbit/s的数据映射成上下支路各62.5 kbit/s的数据与PN码产生器输出的4Mchip/s的PN码相乘扩频，然后由14 bit 的FIR滤波器完成内插滤波，滤波器输出的信号为20 MHz，与NCO相乘上变频至中频，并取高12 bit输出至D/A变换器。接收的设计与发射相对应，A/D变换器输出的40 MHz的12 bit中频数字信号与NCO相乘正交下变频成I、Q两路信号，这2路信号经抽取滤波变为20 MHz的基带信号，输入到解扩电路完成PN码的捕获、解扩（用[HJ71mm]?匹配滤波器相关器实现）以及信号相关后的功率检测，解扩后的信号和检测到的功率信号输入到码跟踪电路完成码元跟踪，最后完成解码，恢复数据。完成这些功能，所占的FPGA资源为：7142个LE（逻辑单元），16896 ESB(嵌入式逻辑块) bits。

　　3 PC机及其接口

　　PC机为FPGA提供软件开发环境，完成在线/离线的软件开发和调试，并通过RS232口与FPGA通信，实时下载软件到FPGA。

　　五、系统性能

　　系统采用FPGA完全实现了中频软件无线电系统的软件可编程，具有很高的灵活性、开放性和通用性。设计的FPGA软件模块，如NCO、数字滤波器等可为多种调制/解调模式所使用。各种调制/解调模式相应的配置软件以文件的形式存储在微机里，可根据具体要求下载到FPGA，从而实现调制/解调模式的实时改变。经测试，系统采用的时钟为40 MHz时，可达到的工作性能如下：

　　（1）中频载波：可以任意设置，最高可达16 MHz，最大频率误差为0.009 Hz；

　　（2）信息速率：可变，最高可达4 Mbit/s；

　　（3）调制/解调模式：通过更换软件，系统可实现AM、PM、FM、BPSK、QPSK、DSSS等模式。

　　 六、 结论

FPGA在软件无线电中的应用已经