摘 要： 介紹了一種基于虛擬無線電技術(shù)的多媒體收音接口卡設(shè)計(jì)方法，可以接收調(diào)幅和調(diào)頻信號，試驗(yàn)調(diào)試表明，接收效果良好。
關(guān)鍵詞： 軟件無線電 虛擬無線電 多媒體收音接口卡
軟件無線電是一種基于寬帶A/D器件、高速DSP芯片，以軟件為核心的嶄新的體系結(jié)構(gòu)。其基本思想就是將寬帶A/D盡可能地靠近射頻天線以便將接收到的模擬信號盡可能早地?cái)?shù)字化，盡量通過軟件來實(shí)現(xiàn)電臺的各種功能。主要特點(diǎn)有：靈活性、適應(yīng)性、開放性。
虛擬無線電與軟件無線電的主要區(qū)別就是利用通用微機(jī)代替高速DSP芯片，完成各種功能，其靈活性、通用性和開放性比軟件無線電有過之而無不及。相信隨著通用微機(jī)運(yùn)算速度的不斷提高，虛擬無線電技術(shù)必將得到更加廣泛的應(yīng)用。
1 多媒體收音接口卡設(shè)計(jì)思想
我們根據(jù)虛擬無線電的基本原理設(shè)計(jì)了一個可接收調(diào)幅、調(diào)頻信號的收音接口卡，利用微機(jī)所帶的音箱或耳機(jī)等設(shè)備可構(gòu)成一個多媒體收音機(jī)。其組成框圖見圖1。
1.1 數(shù)據(jù)采集部分
數(shù)據(jù)采集部分主要由數(shù)控放大器和模/數(shù)轉(zhuǎn)換器AD6640構(gòu)成，負(fù)責(zé)完成數(shù)據(jù)采集工作。數(shù)控放大器分AM功放通道和FM通道兩路，由微機(jī)根據(jù)選臺情況選擇通道。其可調(diào)增益最大范圍：20～60dB，使信號穩(wěn)定在大約0.8V(因?yàn)锳D6640輸入峰峰值V＝2V)，以增加采樣后的有效比特?cái)?shù)。根據(jù)微機(jī)所送AGC控制字不同，增益大小可不斷調(diào)節(jié)控制。AD6640是AD公司生產(chǎn)的新一代模數(shù)轉(zhuǎn)換器件，分辨率12bit，采樣速率可達(dá)65MSPS，在5V供電時功耗僅為710mW。
1.2 數(shù)字下變頻器
由于受微機(jī)運(yùn)算速度的影響，若將采樣的數(shù)據(jù)直接送計(jì)算機(jī)處理，實(shí)時性難以保證。為此我們采用美國Harris公司生產(chǎn)的專用可編程下變頻器HSP50214B對采樣數(shù)據(jù)做必要的預(yù)處理后再通過PCI總線送微機(jī)，其主要完成功能是將IF數(shù)據(jù)下變頻成基帶數(shù)據(jù)。HSP50214B包括以下功能模塊：輸入單元、電平檢測、載波數(shù)字壓控振蕩器(NCO)、級聯(lián)積分/梳狀濾波器(CIC)、5個可選半帶濾波器(HB)、255階可編程FIR濾波器、自動增益控制(AGC)、重采樣濾波器/插值半帶濾波器、重采樣NCO、坐標(biāo)變換以及輸出單元。其結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。
該芯片前端處理速度高達(dá)65MSPS，后端處理速度最高達(dá)55MSPS，總的抽取因子范圍：4～16384，輸出采樣速度可達(dá)12.94MSPS，輸出低通帶寬最寬為982kHz(IF帶寬1.96MHz)。最高支持14bits的字長的數(shù)據(jù)并行輸入，輸出形式靈活多樣。即可并行輸出又可串行輸出，可選擇輸出幅度、相位、頻率或正交I、Q兩路數(shù)據(jù)等所需信息。另外，HSP50214B還內(nèi)帶電平檢測器，可為I.F.自動增益控制提供支持。總之，HSP50214B功能非常強(qiáng)大，使用相當(dāng)靈活，可用于解調(diào)AM、FM、FSK和DPSK等多種信號。
1.3 S5933與PCI總線簡介
PCI總線獨(dú)立于處理器，具有很高的數(shù)據(jù)傳輸速率；采用高度綜合優(yōu)化的總線結(jié)構(gòu)，保證系統(tǒng)各部件之間的運(yùn)作可靠，并與現(xiàn)有總線完全兼容。
AMCC公司生產(chǎn)的S5933是一種功能強(qiáng)、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(guī)范2.1版，可作為PCI總線目標(biāo)設(shè)備(Slave)，實(shí)現(xiàn)基本的傳送要求。也可作為PCI總線主控設(shè)備(Master)，訪問其他PCI總線設(shè)備。S5933的峰值傳送速率為132MB/s(32位PCI數(shù)據(jù)線)，完全滿足HSP50214B與微機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳送要求。
1.4 微機(jī)和譯碼控制電路
微機(jī)除要完成對HSP50214B的初始化、寬帶功放控制任務(wù)外，還要完成選臺控制、語音輸出等功能。為此，需要編制配備必要的設(shè)備專用驅(qū)動程序，以便完成后臺操作，而不影響其它工作。譯碼控制電路選用美國ALTERA公司的EPM7128SQC－10，完成地址譯碼和其它控制任務(wù)。
2 AM信號解調(diào)流程
標(biāo)準(zhǔn)幅度調(diào)制是最基本的調(diào)制方式之一，多用于無線電廣播系統(tǒng)。已調(diào)制信號的時域表達(dá)式為：SAM(t)＝A[1+KAMf(t)]cos(w0t+θ0)，其w0為載波頻率；θ0為載波起始相位；KAM為調(diào)制系數(shù)。為了實(shí)現(xiàn)滿意的調(diào)制和解調(diào)，要求基帶信號的幅度最大值滿足如下條件：│KAMf(t)│max＜1，否則，將會出現(xiàn)過調(diào)制，從而出現(xiàn)過調(diào)幅失真。AM信號可直接采樣，其解調(diào)流程詳見圖3。
3 FM信號的解調(diào)流程
調(diào)頻波的解調(diào)也叫鑒頻，其目的是從調(diào)頻波中不失真地恢復(fù)調(diào)制信號。我們采用的FM解調(diào)流程如圖4所示。
由于調(diào)頻廣播載波頻率太高，必須采用欠采樣技術(shù)才能滿足HSP50214B實(shí)時處理要求。所謂欠采樣技術(shù)就是對于帶通信號(頻率范圍：fL＜f＜fH)而言，抽樣頻率只要滿足
(K為整數(shù)且2≤K≤
, fH－fL≤fL)就可保證采樣后的頻譜不產(chǎn)生折疊，從而無失真地恢復(fù)出調(diào)制信號。這對于減小運(yùn)算量是很有好處的，但對接收機(jī)抗混疊濾波器要求較高。我們設(shè)輸入離散數(shù)字信號為：
其中，Δω表示實(shí)際中心頻率偏離理想情況的漂移量大小。
經(jīng)坐標(biāo)變換，取相位量：
圖4中數(shù)字鑒頻器的數(shù)學(xué)模型為：H(z)＝1－Z－D，其中D為可編程設(shè)定的延遲因子，取值范圍1～8。該鑒頻器的頻率響應(yīng)動態(tài)范圍是：RANGE鑒頻器＝CW±Fsampout/(D+1)，其中CW是選取的中心頻率，F(xiàn)sampout是鑒頻器FIR濾波器的輸出采樣速率。瞬時相位輸入數(shù)字鑒頻器后的輸出為：
如果合理選擇采樣速率和D取值，使在n－D+1～n范圍內(nèi)f(i)值相等或變化很小，則上式可進(jìn)一步簡化為：F(n)＝ΔωD+DKFMf(n)
從上式可知：若Δω不為零，必然會引進(jìn)干擾。一般頻率漂移是一個慢變化的過程，則Δω是一緩慢變化的低頻信號。只要頻率穩(wěn)定度滿足一定要求(慢變)，就可保證Δω落在有用信號頻帶之外，從而可以利用高通濾波去掉該干擾，這樣就解調(diào)出了FM信號。
總之，通過試驗(yàn)樣板調(diào)試表明，該虛擬無線電收音接口卡解調(diào)AM、FM信號效果良好，外部配備上天線就可以為計(jì)算機(jī)增加虛擬收音機(jī)功能，從而進(jìn)一步增強(qiáng)了微機(jī)的多媒體效果。
參考文獻(xiàn)
1 HSP50214B數(shù)據(jù)手冊
2 AD6640芯片資料
3 S5933數(shù)據(jù)手冊
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