摘 要：本文以軟件無(wú)線(xiàn)電理論為指導(dǎo)，以π/4 DQPSK調(diào)制為特例，重點(diǎn)介紹了軟件無(wú)線(xiàn)電發(fā)射機(jī)數(shù)字信號(hào)處理部分在FPGA上的實(shí)現(xiàn)，主要包括數(shù)據(jù)映射、成形濾波、CIC插值濾波和NCO等。在設(shè)計(jì)上使用了基于多相濾波和單MAC的成形濾波器及高效CIC插值濾波器，使性能和資源占用率獲得了較好的突破。與專(zhuān)用芯片相比，用FPGA實(shí)現(xiàn)的軟件無(wú)線(xiàn)電發(fā)射機(jī)更具靈活性。
關(guān)鍵詞：軟件無(wú)線(xiàn)電；發(fā)射機(jī)；π/4 DQPSK調(diào)制；現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列；多相濾波；CIC插值濾波器
一、引言
軟件無(wú)線(xiàn)電是近幾年在無(wú)線(xiàn)通信領(lǐng)域提出的一種新的通信系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，其基本思想是以開(kāi)發(fā)性、可擴(kuò)展、結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)的硬件為通用平臺(tái)，把盡可能多的通信功能用可升級(jí)、可替換的軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。這一新概念一經(jīng)提出，就得到了全世界無(wú)線(xiàn)電領(lǐng)域的廣泛關(guān)注。由于它所具有的靈活性、開(kāi)放性等特點(diǎn)，不僅在軍、民無(wú)線(xiàn)通信中獲得了應(yīng)用，而且還被推廣到其它領(lǐng)域。
FPGA (現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列) 是上世紀(jì)80年代中期出現(xiàn)的一類(lèi)新型可編程器件。應(yīng)用FPGA設(shè)計(jì)功能電路時(shí)，可以讓人們的思路從傳統(tǒng)的以單片機(jī)或DSP芯片為核心的系統(tǒng)集成型轉(zhuǎn)向單一專(zhuān)用芯片型設(shè)計(jì)。FPGA技術(shù)的發(fā)展使單個(gè)芯片上集成的邏輯門(mén)數(shù)目越來(lái)越多，實(shí)現(xiàn)的功能越來(lái)越復(fù)雜，人們通過(guò)硬件編程設(shè)計(jì)和研制ASIC，可以極大地提高芯片的研制效率，降低開(kāi)發(fā)費(fèi)用。
基于上述優(yōu)點(diǎn)，用FPGA實(shí)現(xiàn)軟件無(wú)線(xiàn)電發(fā)射機(jī)，不僅降低了產(chǎn)品成本，減小了設(shè)備體積，滿(mǎn)足了系統(tǒng)的需要，而且比專(zhuān)用芯片具有更大的靈活性和可控性。在資源允許下，還可以實(shí)現(xiàn)多路調(diào)制，并能對(duì)每一路發(fā)射信號(hào)的幅度和相位進(jìn)行細(xì)調(diào)，這也是實(shí)現(xiàn)3G智能波束跟蹤算法的基礎(chǔ)。
本文在設(shè)計(jì)上使用了基于多相濾波和單MAC的成形濾波器和高效CIC插值濾波器，充分考慮了性能和資源占用率的關(guān)系，并用MATLAB仿真出各模塊最佳的輸入輸出位數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)了資源占用最少而性能最佳的目的。整個(gè)設(shè)計(jì)利用安立公司的PHS專(zhuān)用測(cè)試儀MT8801C對(duì)其頻譜、眼圖、星座圖和其它各項(xiàng)發(fā)射指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試，均達(dá)到或超過(guò)專(zhuān)用TSP芯片AD6623的效果。
二、軟件無(wú)線(xiàn)電發(fā)射機(jī)數(shù)學(xué)模型
軟件無(wú)線(xiàn)電發(fā)射機(jī)是軟件無(wú)線(xiàn)電兩大組成部分之一，它的主要功能是把需發(fā)射或傳輸?shù)挠脩?hù)信息經(jīng)基帶處理上變頻，調(diào)到規(guī)定的載頻上，再通過(guò)功率放大后送至天線(xiàn)，把電信號(hào)轉(zhuǎn)換為空間傳播的無(wú)線(xiàn)電信號(hào)，發(fā)向空中或經(jīng)傳輸介質(zhì)送到接收方的接收端，由其進(jìn)行接收解調(diào)。其基本組成如圖1所示。本設(shè)計(jì)要做是用FPGA實(shí)現(xiàn)其中的基帶調(diào)制和上變頻部分。
眾所周知，任何一個(gè)無(wú)線(xiàn)電信號(hào)可表示為
式中，a(t)、φ(t)分別表示該信號(hào)的幅度調(diào)制信息和相位調(diào)制信息，f0為信號(hào)載頻。
對(duì)式(1)進(jìn)行數(shù)字化，可得：
式中，Ts=1/fs為采樣間隔。
式(2)通常簡(jiǎn)寫(xiě)為
式中，ω0=2πf0Ts為數(shù)字角頻率，取值0～π（實(shí)信號(hào)）。
為便于進(jìn)行信息調(diào)制，通常把式（3）進(jìn)行正交分解：
調(diào)制的方法是先根據(jù)調(diào)制方式求出I(n)、Q(n)，然后分別與兩個(gè)正交本振cos(ω0n)、sin（ω0n)相乘并求和，即可得調(diào)制信號(hào)。但為了抑制已調(diào)信號(hào)的帶外輻射，在同相和正交支路上還分別增加一個(gè)具有線(xiàn)性相位特性和平方根升余弦幅頻特性的低通濾波器。另外，為了使產(chǎn)生的基帶信號(hào)與后面的采樣速率相匹配，在進(jìn)行正交調(diào)制前還必須通過(guò)內(nèi)插把低速的基帶信號(hào)提升到采樣頻率上，整個(gè)實(shí)現(xiàn)過(guò)程如圖2所示。
三、軟件無(wú)線(xiàn)電發(fā)射機(jī)的FPGA實(shí)現(xiàn)
1.調(diào)制映射的實(shí)現(xiàn)
調(diào)制映射是指把串行比特流映射到星座圖上的相位點(diǎn)，包括串并變換、相位字累加器、延遲單元和一個(gè)ROM查找表。其中相位累加器的前端輸入數(shù)據(jù)寬度為3 bit，其值可為001、011、101或111，它是由串并后的兩比特?cái)?shù)據(jù)決定。由編碼規(guī)則可知，00對(duì)應(yīng)001，01對(duì)應(yīng)011，11對(duì)應(yīng)101，10對(duì)應(yīng)111。將累加器輸出的3 bit數(shù)據(jù)延遲1個(gè)碼元周期與前端輸入相加，并把累加器的輸出作為ROM的地址線(xiàn)，通過(guò)讀取ROM里事先存好的I、Q值，即達(dá)到映射的目點(diǎn)。
上述映射方法適用于所有的數(shù)字調(diào)制，改變的只是累加器的位數(shù)、ROM的深度和內(nèi)部的I、Q值。若調(diào)制方式為絕對(duì)調(diào)制，即一個(gè)星座點(diǎn)固定對(duì)應(yīng)一個(gè)數(shù)據(jù)時(shí)，則去掉累加器和延遲單元，僅用串并后的數(shù)比特作為ROM的地址線(xiàn)即可。
2.成形濾波器的實(shí)現(xiàn)
根據(jù)PHS空中接口RCR STD-28協(xié)議［4］，其調(diào)制的成形濾波器的幅頻特性如式（5）所示：
