基于虛擬無線電技術(shù)的多媒體收音接口卡設(shè)計(jì)

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(hào)，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(hào)盡可能早地?cái)?shù)字化，盡量通過軟件來實(shí)現(xiàn)電臺(tái)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(gè)可接收調(diào)幅、調(diào)頻信號(hào)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(gè)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(tái)情況選擇通道。其可調(diào)增益最大范圍：２０～６０ｄＢ，使信號(hào)穩(wěn)定在大約０．８Ｖ（因?yàn)椋粒模叮叮矗拜斎敕宸逯担郑剑玻郑?，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(shí)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(shí)性難以保證。為此我們采用美國(guó)Ｈａｒｒｉｓ公司生產(chǎn)的專用可編程下變頻器ＨＳＰ５０２１４Ｂ對(duì)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(cè)、載波數(shù)字壓控振蕩器（ＮＣＯ）、級(jí)聯(lián)積分／梳狀濾波器（ＣＩＣ）、５個(gè)可選半帶濾波器（ＨＢ）、２５５階可編程ＦＩＲ濾波器、自動(dòng)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(zhǎng)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(cè)器，可為Ｉ．Ｆ．自動(dòng)增益控制提供支持?？傊?，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(hào)。

１．３ Ｓ５９３３與ＰＣＩ總線簡(jiǎn)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(duì)ＨＳＰ５０２１４Ｂ的初始化、寬帶功放控制任務(wù)外，還要完成選臺(tái)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(dòng)程序，以便完成后臺(tái)操作，而不影響其它工作。譯碼控制電路選用美國(guó)ＡＬＴＥＲＡ公司的ＥＰＭ７１２８ＳＱＣ－１０，完成地址譯碼和其它控制任務(wù)。

２ ＡＭ信號(hào)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(hào)的時(shí)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(hào)的幅度最大值滿足如下條件：

    │ＫＡＭｆ（ｔ）│ｍａｘ＜１，否則，將會(huì)出現(xiàn)過調(diào)制，從而出現(xiàn)過調(diào)幅失真。ＡＭ信號(hào)可直接采樣，其解調(diào)流程詳見圖３。

３ ＦＭ信號(hào)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(hào)。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(shí)處理要求。所謂欠采樣技術(shù)就是對(duì)于帶通信號(hào)（頻率范圍：ｆＬ＜ｆ＜ｆＨ）而言，抽樣頻率只要滿足：2ｆh / K≤ｆｓ≤2ｆL / K-1（Ｋ為整數(shù)且２≤Ｋ≤ｆＨ / ｆH－ｆＬ,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(hào)。這對(duì)于減小運(yùn)算量是很有好處的，但對(duì)接收機(jī)抗混疊濾波器要求較高。我們?cè)O(shè)輸入離散數(shù)字信號(hào)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(dòng)態(tài)范圍是：ＲＡＮＧＥ鑒頻器＝ＣＷ±Ｆｓａｍｐｏｕｔ／(Ｄ＋１)，其中ＣＷ是選取的中心頻率，Ｆｓａｍｐｏｕｔ是鑒頻器ＦＩＲ濾波器的輸出采樣速率。瞬時(shí)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(jiǎn)化為：Ｆ(ｎ)＝ΔωＤ＋ＤＫＦＭｆ(ｎ)
　
    從上式可知：若Δω不為零，必然會(huì)引進(jìn)干擾。一般頻率漂移是一個(gè)慢變化的過程，則Δω是一緩慢變化的低頻信號(hào)。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(hào)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(hào)。
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(hào)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。