|
1 引言 軟件無線電SDR(Software Defined Radio)是構造具有開放性、標準化、模塊化的通用硬件平臺，將諸如工作頻段、調制解調類型、數據格式、加密模式、通信協議等功能采用軟件完成，并使寬帶A／D轉換器和D／A轉換器盡可能靠近天線，使用可升級、可重新配置的應用軟件實現無線電臺各種功能，研制出高度靈活、開放的新一代無線通信系統。坐標旋轉數值計算CORDIC(Coordinate Rotation Digital Compute)算法是通過一系列逐次遞減的、與運算基數相關角度的往復偏擺來逼近最終所需達到的旋轉角度，該算法能夠兼顧精度、速度和硬件復雜度，而無需占用大量芯片資源的乘法器，CORDIC算法相結合的方法設計調制解調器，能夠滿足軟件無線電性能要求，并具有重要應用。因此，這里給出一種基于SoPC的通用調制解調器的設計方案。 2 CORDIC算法原理 CORDIC算法原理可用向量旋轉推導。圖1中，向量(x0，y0)沿圓旋轉角度θ后得到新的向量(x，y)，它們之間的關系為： 3 基于SoPC的通用調制解調器 軟件無線電要求在通用硬件平臺上通過運行不同軟件實現多種調制解調方式，這就要求為信號的調制及解調建立通用模型。當代無線通信中，理論上各種通信信號都可采用正交調制方法加以實現，所以，采用正交調制可以建立統一的模型，適用于軟件無線電實現。 實現通用調制器的有效解決方案就是采用CORDIC算法圈。CORDIC算法用在旋轉模式中實現(R，θ)→(X，Y)的坐標變換。圖2給出采用CORDIC算法的AM、PM和FM信號的完整調制器。 要實現幅度調制，需將信號A(t)直接連接CORDIC的半徑R輸入。通常旋轉模式中的CORDIC算法隨半徑增加。這與放大器增益變化相符。無需在AM方案中考慮。倘若不希望線性增加半徑(因子是1.646 8)，則可以使用一個常系數(1／1.646 8)乘法器進行平衡。傳輸信號的相位θ=2πf0t+△φ(t)。若生成FM信號，用△f代替f0，或用累加器計算2π△ft。對于PM信號，則需在信號相位上增加偏移量△φ(t)。這些相位信號相加作為CORDIC處理器的角輸入z或θ。CORDIC旋轉引擎設計如圖3所示，采用DSP Builder設計，可同時輸出兩路正交的正余弦信號。 數字下變頻接收來自A／D轉換器的數據，經正交數字變換與低通濾波后得到基帶信號，即分成I，Q兩路的同相分量與正交分量。與信號調制一樣，解調也是通過幅度、頻率、相位中的一個或多個參數提取信息。那么通用解調器必須先從數字下變頻后的I，Q兩路基帶信號中計算出幅度A(n)和相位? (n)，再通過相位計算出頻率f(n)，最后通過幅度、頻率、相位信息解調出信息比特流。 圖4為一個基于SoPC的通用解調器的設計方案。解調器包含2個CORDIC模塊、3個FIFO(先進先出)模塊和2個RISC(精簡指令)CPU模塊。其中CORDICl完成頻偏補償；CORDIC2具有相位校正和鑒幅與鑒相兩個功能；RISC CPU1用于判斷符號；RISC CPU2用于頻偏估計、相偏估計、位同步以及幅度判決門限的估計。CORDIC模塊通過硬件描述語言(HDL)編程實現，CPU則通過SoPC BUILDER定制NIOS軟核CPU，整個系統在可編程的FPGA上實現。 CORDICl使用旋轉模式，接收來自CPU2的頻偏估計值，對信號進行頻偏校正，輸出為： CORDIC2使用向量模式，接收來自CPU2的相偏估計值對信號進行相偏校正，并完成(x，y)→(R，θ)的坐標轉換，計算幅度A(n)和相位? (n)，實現對信號鑒幅鑒相功能，輸出為： 根據實際需要定制CPU的接口和外設，最后通過NIOSⅡIDE(集成開發環境)進行軟件編程和調試，便于系統開發。以頻率調制為例對通用調制解調器進行仿真。 為了對整個調制解調器進行仿真測試，將調制解調器合并，先對二進制系統信號進行調制然后對其解調。其仿真波形如圖5所示。由圖5看出，解調后的基帶信號與原基帶信號基本一致。 4 結束語 采用SoPC技術與CORDIC算法相結合的方法實現通用調制解調器。CORDIC算法只需簡單的加法和移位操作，無需占用大量芯片資源的乘法器，實現NCO(數字控制振蕩器)時要比查找表法節省大量ROM。使其易于在FPGA上實現。在信號解調時只要從數字下變頻后的I，Q兩路基帶信號中計算幅度和相位，再由相位計算出頻率，從這些幅度、相位和頻率中解調出信號信息。利用CORDIC算法的坐標變換功能計算幅度和相位，實現信號的鑒幅鑒相功能。SoPC的軟硬件協同設計解決方案是系統級設計的新趨勢，將SoPC技術應用到通信軟件無線電領域。充分發揮軟件無線電在開放性的硬件平臺上通過軟件編程實現通信系統各種功能，便于軟件無線電各種功能和系統的升級，充分利用FPGA的可重配置性，這也體現軟件無線電中用軟件完成盡可能多的無線電功能的本質特點。因此采用SoPC技術與CORDIC算法相結合的方法實現軟件無線電通用調制解調器是可行的，降低成本，同時也體現了軟件無線電技術的靈活性。 |
