為了解決軍事部門之間的通信問題，Joseph Mitola博士于1992年提出了“軟件無線電”的概念[1]。其基本思想是以開放性、可擴展性、結構精簡的硬件作為通用平臺。把盡可能多的無線電功能用可重構、可升級的構件化軟件實現[2]。
    軟件無線電的數字硬件系統作為軟件的載體和核心，必須有高速度、高精度、實時的運算能力。目前主要有ASIC、FPGA、DSP作可選方案。
    ASIC是硬連線結構處理單元，在固定的芯片上實現系統，其電路具有速度快和功耗低的優點；然而ASIC設計周期長、成本高、功能相對固化致使靈活性不夠。DSP可通過編程實現功能的修改和升級，具有極大的靈活性；但DSP對所有信號的處理都是串行實現的，當面對并行處理需求時，效率較低。FPGA有底層硬件的現場可重構能力，比ASIC有更高的靈活性；而且可以構造多個并行處理單元，比DSP具有更高的并行運算效率。因此成為軟件無線電首選方案。
1 系統實現
    本文旨在采用FPGA實現中頻數字化系統，并在系統上實現頻率調制。系統包括AD、DA接口設計和調頻算法的實現。ADC選用PCM1801；DA選用AD9762，調頻由直接頻率合成DDS(Direct Digital Synthesizer)算法實現[3]。
    PCM1871音頻ADC采樣得到的串行數據，在AD IP Core中轉化為并行，經調制后，再由DA IP核轉化成DA所需要的數據格式并輸出。全局時鐘模塊為AD、DDS、DA提供時鐘，系統結構如圖1所示。
    圖1中的結構有如下優勢：通過配置不同的算法IP核，可以靈活實現多種調制；FPGA輸出的是頻率較低的數字中頻，降低了對DA的帶寬要求及高速數字信號傳輸帶來的信號串擾；輔以不同的本振便能工作在不同頻段下。充分體現了軟件無線電的優勢。

1.1 AD采樣電路與驅動

    PCM1801是低功耗16 bit立體聲音頻ADC。由于采用了過采樣和梳妝濾波電路，降低了對采樣保持電路和抗混跌濾波器的要求，提高了性噪比。其靈活的配置模式、多樣數據輸出格式使得PCM1801芯片廣泛使用于DVD、電子音樂設備等。
    PCM1801內部由帶隙電壓源、差分電路、5階Δ-Σ ADC、梳妝濾波器和串行接口電路組成。帶隙電壓源為差分轉換電路和Δ-Σ AD提供穩定的參考源。差分電路用于將單端聲道信號轉換為差分形式，以改善信號動態范圍和提高電源紋波抑制性能。轉化后數據經Δ-Σ ADC 64倍過采樣后再經梳妝濾波器轉化為1倍采樣率、16 bit的數據格式。串行接口電路根據管腳的配置，將量化后數據以制定的格式輸出。
    由數據手冊可知，當格式控制管腳（FMT）為高時，音頻輸出格式為IIS：在聲道控制管腳變化后的第2個時鐘上升沿開始， Dout管腳上由高位向低位輸出數字化的音頻電壓。當聲道控制管腳（LRCK）為低時輸出左聲道信號，否則輸出右聲道信號。根據時序要求，在FPGA上設計其接口并仿真如圖2所示。

    Data_in為模擬ADC輸入的串行信號。為簡化設計，FMT、LRCK恒定為高，即設置芯片一直以IIS格式輸出右聲道信號。BCK為ADC串行輸出時鐘，SCKI為ADC內部數字濾波器時鐘。
1.2 DDS與頻率調制
    直接數字頻率合成DDS是從相位出發直接合成所需波形的一種頻率合成技術，通常由相位累加器、波形存儲ROM、DA轉換器和低通濾波器組成。DDS的工作原理為：在參考時鐘的驅動下，相位累加器對頻率控制字進行線性累加，得到的相對碼對波形存儲器尋址，使之輸出相應的幅度碼，經模數轉換得到階梯波，最后用低通濾波器對其進行平滑，得到所需頻率的平滑連續波形，其結構如圖3所示[4]。
    DDS模塊的輸出頻率fout是系統工作頻率fclk、相位累加器比特數N及頻率控制字K的函數，其數學關系為：



    將式(1)～式(5)中相關參數設置如下：fclk為125 MHz，f(t)為單頻正弦波，ωc為10.9 MHz的FM中頻[6]，DDS頻率分辨率為1 Hz，設置XILINX DDS IP Core[7]，FM仿真波形如圖4所示。
1.3 DA電路與驅動
    AD9762是125 MHz采樣率、12 bit分辨率DAC，為差分電流輸出，滿量程為20 mA。由于其具有高的無雜散動態范圍和低功耗，廣泛應用于基帶信號調制和DDS應用。在本系統中，AD9762將FPGA輸出的數字化中頻信號轉化為差分電流信號，再經后級電路轉化為電壓信號。其電路圖如圖5所示。

    DAC接收到FPGA輸出的并行數據后，在時鐘上升沿將數據轉化為差分電流信號。由于DAC輸入數據率為125 MS/s，為保持信號完整性，在高速信號輸入腳進行了串聯端接[8]。輸出的差分電流信號經運放轉化成電壓信號。為了改善交流性能，在運放差分輸入管腳之間并入20 pF的電容，構成低通濾波器，防止DA輸出的階躍電流信號擺率過大使運放出現飽和失真。

2 系統測試
    將以上各模塊連接、編譯后下載至目標板，測試波形如圖6所示。

    CH1是輸入的基帶信號，CH2是調制后波形，同時對已調波形用示波器的FFT功能分析了頻譜。圖中中頻輸出波形穩定，頻譜范圍和FM理論頻譜范圍一致，實現了中頻數字化調制的功能。
    本文按照軟件無線電理念，設計了FPGA中頻數字化硬件平臺，并在此基礎上實現了FM調制。測試結果驗證了系統方案的正確性。在不改變硬件的條件下，通過對FPGA進行不同的配置，能實現多種調制方式，充分體現了軟件無線電系統可重構的優點。同時，該系統的實現也為軟件無線電通信節點的開發提供了方案支持。
參考文獻
[1] 楊小牛，樓才義，徐健文．軟件無線電技術與應用[M]．北京：北京理工大學出版社，2010：9-10.
[2] 單亞嫻，王華，匡鏡明.一種基于軟件無線電的通用調制器的設計與實現[J].電子技術應用，2004，30(2).
[3] 陳守金，于鴻洋，葛錦環.新型DVB-C信道編碼、中頻調制的全數字實現[J]，電子技術應用，2006，32(5).
[4] 藍天，張金林．直接數字頻率合成器DDS的優化設計[J]．電子技術應用，2007，33(5).
[5] 張輝，曹麗娜．通信原理[M]．北京：科學出版社，2007：104-105.
[6] 國家質量技術監督局．米波調頻廣播技術規范[Z].2000.
[7] 田耘．Xilinx ISE Design Suite 10.x FPGA開發指南[M]．北京：清華大學出版社，2008：82-86.
[8] 韓剛，耿征．基于FPGA的高速高密度PCB設計中的信號完整性分析[J]．計算機應用，2010(10)：2854-2859.