基于 AD9959 的 FM 及以下波段軟件無線電發(fā)射系統(tǒng)

0 引 言

軟件無線電系統(tǒng)基于軟件定義無線電通信協(xié)議，而非使用硬件連線 [1]，打破了設備通信功能的實現僅僅依賴于硬件發(fā)展的格局 [2]。近些年，軟件無線電已成為一個重要的研究課題 [3]。基于 ARM 和 DDS 搭建的軟件無線電發(fā)射系統(tǒng)能夠發(fā)揮 ARM 在嵌入式領域的優(yōu)勢 [4]，實現軟件無線電通用性、靈活性、便于互聯(lián)和升級的優(yōu)勢 [5]。

1 系統(tǒng)整體設計

本系統(tǒng)采用圖 1 所示的 A/D-ARM-DDS 硬件架構，模塊化設計，通過使用 DDS 保證輸出信號的準確性和穩(wěn)定性。系統(tǒng)各模塊間采用高速通信方式進行數據傳輸。系統(tǒng)使用DMA 讀取 STM32 內置 ADC 的數據，通過 SPI 總線將處理后的數據發(fā)送至AD9959。模塊間的通信在定時器中斷中進行。

2 系統(tǒng)模塊簡介

2.1 信號采集

信號采集部分由STM32內置ADC和外圍偏置電路組成，系統(tǒng)對輸入的信號進行單聲道采樣，采樣頻率為 25 kHz，滿足調頻廣播 22 kHz 的要求 [6]。圖 2 所示的偏置電路在信號輸出端連接兩個等值電阻 R1 和 R2，用于將輸入的帶有正負電壓的音頻信號偏置到 0 ～ 3.3 V。電阻阻值不宜過高，以免影響信號拾取 ；不宜過低，導致電阻電流過大，影響系統(tǒng)安全。

2.2 信號處理

STM32F103 內置 12 位逐次逼近型模擬數字轉換器，采樣分辨率為 12 bit，采樣頻率最高可達 1 MHz。系統(tǒng)通過STM32 內置定時器實現 25 kHz 的定時采樣，即每隔 4 μs 采樣一次，采樣數據經 DMA 傳輸至 STM32 內存。AD9959 的串行 I/O 口提供了一個 SPI 操作模式，端口 SCLK 的最大速度為 200 MHz。本系統(tǒng)中，STM32 通過硬件 SPI 與 AD9959通信。配置硬件 SPI 工作在 2 分頻狀態(tài)，STM32F103 主頻為72 MHz，可得 SPI 時鐘頻率為 36 MHz。每次更新 AD9959頻率需傳輸 7 B 數據，由于

即系統(tǒng)可在 4 μs 的定時器中斷間隙完成數據傳輸。

2.3 信號發(fā)射

信號發(fā)射部分由 AD9959 芯片和低通濾波電路組成。AD9959 由美國 ADI 公司生產，采用先進的 DDS 技術，可生成最高 200 MHz 的正弦波。其集成了四個高速 10 位 DAC，500 MSPS，具有優(yōu)良的寬帶和窄帶 SFDR。每個通道有一個專門的 32 位頻率調諧字，14 位相位偏移和一個 10 位幅度輸出調節(jié)。AD9959 通道的輸出頻率（fout）可由式（1）得出 ：

式 中：fs 為系統(tǒng)時鐘頻率；FTW 為頻率調諧字， 且0 ≤ FTW ≤ 231，相位累加器容量為 232。通過在 AD9959 的信號輸出端連接 200 MHz 的低通濾波器將 DAC 輸出信號中的部分高次諧波濾除，實現 FM 信號的生成。低通濾波器電路如圖 3 所示。

2.4 調制參數計算

FM 調制是一種角度調制，其將基帶信號的電壓與調制信號的頻率相對應 [7]。由于 AD9959 可以實現頻率單獨可控，且單獨改變頻率時信號的相位連續(xù)，所以在信號處理部分，系統(tǒng)通過公式（2）將輸入電壓轉化為對應頻率并由DDS生成，即可將輸入信號轉化為可被解調的 FM 信號。

式中：fFM為AD9959在當次ADC采樣后需生成的正弦波頻率； VADC 為 ADC 采樣值。fFM，f 頻偏和 f 載波的單位為 Hz。

3 軟件設計

系統(tǒng)上電后開始工作，將輸入信號調制到預定參數并發(fā)射。系統(tǒng)上電后首先通過公式（2）計算出 ADC 各量化值對應的調制后頻率，并建立對應查詢表。在完成初始化后，系統(tǒng)以 25 kHz 的頻率進入定時器中斷。在每次中斷時 STM32通過查表將 ADC 轉化為頻率值，并通過 SPI 總線發(fā)送至AD9959 頻率調諧寄存器，給 AD9959 對應引腳發(fā)送更新數據指令，AD9959 隨即將發(fā)送的正弦波更新為相應頻率，系統(tǒng)的載波頻率可通過按鍵更改。系統(tǒng)流程如圖 4 所示。

4 系統(tǒng)測試

系統(tǒng)采用 5 V/1 A 單電源供電，保證射頻信號的功率處于安全范圍內。將語音采集、信號處理、信號產生模塊進行拼接，設置載波頻率為 85.4 MHz，頻偏為 75 kHz。系統(tǒng)工作后即可通過 FM 收音機在一定距離內收聽到發(fā)射的音頻。采用 TEA5767 芯片組成的 FM 收音機模塊進行信號接收和解調，以驗證無線電發(fā)射系統(tǒng)的性能。在信號輸入端輸入音頻信號，對比原始信號和經 FM 調制并解調后的信號，可看到音頻信號能夠被較好地還原，即系統(tǒng)能夠實現音頻信號的 FM 調制。調制前和解調后的音頻信號波形如圖 5 所示。

之后，在系統(tǒng)的信號輸入端加上不同頻率的正弦信號，觀察其解調后的波形。測試結果統(tǒng)計見表 1 所列。

系統(tǒng)的音頻采樣頻率為 25 kHz，理論上可達到無線電廣播的聲音品質。在實際測試中，系統(tǒng)能穩(wěn)定傳輸語音信號，對于高于 3 kHz 的信號誤差相對增加，根據奈奎斯特采樣定理，本系統(tǒng)可以采集 12.5 kHz 以下的音頻信號。

5 結 語

本文主要介紹了利用 STM32+AD9959 的 FM 及其以下波段的簡易軟件無線電發(fā)射系統(tǒng)，經過測試表明本系統(tǒng)可以適用于 150 MHz 及以下頻段的信號調制發(fā)射，獲得良好的效果。