基于dsp和ad9857的数字上变频设计硕士学位论文(编辑修改稿)

基于dsp和ad9857的数字上变频设计硕士学位论文(编辑修改稿)内容摘要：

......... 45 系统软件设计 ................................................................................................ 45 算法有效性验证 ............................................................................................ 47 第六章 总结与展望 .............................................................................................................. 51 参考文献 .................................................................................................................................. 52 致 谢 ...................................................................................................................................... 55 1 第一章 绪论 海洋是人类赖以生存和发展的重要环境，是地球表面尚未得到充分利用 的巨大资源宝库，尤其是在人类社会面临人口膨胀、资源匮乏、环境污染等一系列重大难题的今天，海洋的充分开发利用是人类社会面临的重大任务和研究课题。 海上的任何活动，无论是海洋开发与研究，还是海洋环境监测、灾害预报和保卫领海主权，都依赖于对风、浪、流、潮等海洋环境要素基础数据、变化规律的掌握和预测预报。 因此迫切需要先进的海洋环境监测设备和技术，对海洋环境实现全方位、多手段的立体监测，及时准确地掌握海洋自身运动变化的规律。 167。 高频地波雷达 国际上近三十年发展起来的高频地波雷达是一种可以连续监测大面积海域的遥 感设备，可以探测到波浪的定向分布、流速流向、风速风向等海洋表面动力学基础要素的信息，以及海面上低速移动的舰船、低空飞行的飞机等硬目标。 高频地波雷达用于海洋环境监测具有明显的优势：覆盖范围大，探测精度高，运行费用低廉，实时性好，不受天气及海洋气象条件影响，可全天候工作，并能探测到视距以外的海域，是现有海洋遥感设备不可替代的关键技术 [1,2,3]。 武汉大学于 1986 年开始用高频无线电波探测海洋表面状态参数的研究，并于 1993年利用自行研制的海态监测分析雷达 OSMAR(Ocean State Measuring and Analyzing Radar)在广西北海圆满完成现场实验 [1]，随后于 20xx 年成功研制了两部探测风、浪、流及海上低速移动目标的中远程高频地波雷达 OSMAR20xx。 整体性能指标达到国外 90年代中期先进水平 [4]。 20xx～ 20xx 年，结合当前最新集成电路技术和新兴的软件无线电技术，对 OSMAR20xx 的接收系统进行了升级，取名 OSMAR20xx，新的雷达系统集成度更高，灵活性更强，可操作性更好。 设计雷达系统的传统方法是根据探测目标的性质，采用基于硬件、面向用途的设计方法，设计出的雷达系统往往 功能比较单一、灵活性差，无法适应在不同的环境下对不同属性的目标进行智能化跟踪探测的需要，若探测任务变更，原有的设备就可能无法胜任，需要更换整套设备。 不仅雷达研制单位需要付出许多重复性劳动，雷达用户也增加了额外的购买成本，给使用和维护雷达也带来极大的不便。 若能研制出同时兼顾近程、中程和远程的高频地波雷达通用平台，利用软件重新配置雷达工作参数来完成不同海域的探测任务，就能实现一机多用，真正体现出高频地波雷达在海洋遥感、目标探测等方面廉价高效的优势。 2 167。 基于软件无线电的雷达通用平台 软件无线电是在 20 世纪 90 年代初期提出来的一种新的无线通信系统体系结构。 它的基本思想是以开放的、可扩展的、结构简单的硬件为通用平台，把尽可能多的通信功能用可升级、可替换的软件来实现。 如果能把软件无线电的设计思想应用于雷达的设计研制，也就是实现软件化雷达，那么就能比较圆满的解决目前雷达设计中所存在的问题。 在无须更换硬件设备的情况下就可以探测不同的海域，或执行同一海域的不同探测任务。 软件无线电概述 众所周知，由于无线通信设备简单、便于携带、易于操作、架设方便等特点，在现代通信中的起着举足轻重的作用，广泛的应用 也使得无线通信系统的种类越来越多，越来越复杂。 不同的无线通信系统由于自身的特点而应用于不同的场合：短波电台适合远距离传输，发射功率不大，其 “中继系统 ”电离层不会被摧毁；卫星通信能传播高质量的信息，提供很宽的频带；微波通信抗干扰能力强，适合大数据量传送，但只能用于点对点传输。 然而工作频段、波形结构、调制方式、通信协议、数字信息的编码加密方式等的不同，极大的限制了不同通信系统之间的通信互联，给协同作战、跨国经商、海外旅游等活动带来极大的不便。 为了解决兼容性问题，各国进行了积极探索， 1992 年 5 月，在美 国电信系统会议（ IEEE National Telesystems Conference）上， MITRE 公司的 Joe Mitola 首次明确提出了软件无线电的概念，其核心思想是：构造一个具有开放化、标准化、模块化的通用硬件平台，使 A/D 和 D/A 尽量接近天线，并通过软件加载实现各种无线通信系统的不同功能 [5]。 软件无线电的主要特点可以归纳如下： 1. 系统功能软件化：软件无线电将 A/D 和 D/A 变换尽量向射频端靠拢 ,将中频以下全部进行数字化处理，使通信功能由软件来控制，硬件系统的更新换代变成软件版本的升级，开发周期与 费用大为降低。 2. 系统结构实现模块化：采用模块化设计，模块的物理和电气接口技术指标符合开放标准。 同类模块通用性好，通过更换或升级某模块就可实现新的通信功能。 3. 利于互换：不同的通信系统都基于相同标准的硬件平台 ,只要加载相应的软件就可完成不同的电台与不同系统之间的互联。 4. 系统监控方便：由于软件无线电至少在中频以下进行数字化处理 ,通过软件就可很方便地完成宽带天线监控、系统频带调整、信道监测与自适应选择、信号波形在线编程、调制解调方式控制及信源编码与加密处理。 3 雷达通用硬件平台 数字信号处理、数据处理系 统是整个雷达软件无线电技术的灵魂和核心，而接收和发射系统则为软件无线电技术的应用提供了舞台。 我们可以这样理解：发射系统通过软件控制而任意变换各种波形；接收系统和信号处理系统可在一个通用的、开放式的硬件平台，尽可能用软件来接收各种形式的信号，完成各种算法的运算，输出各种数据格式的运算结果；数据处理系统则以嵌入式计算机作为通用的、开放式的硬件平台，尽可能用软件来实现各种目标数据处理功能、多雷达信号特征融合功能和外设通信功能。 这样，应用软件无线电技术的雷达就具有很好的互通性、灵活性和兼容性，使系统互联和升级变得非 常方便，因而也具有很好的可靠性；抗干扰性、抗摧毁性、保密性和安全性。 因此软件无线电成为数字雷达系统的突破性技术。 1. 硬件平台原理 D S P数 字上 变频D / A放 大器晶 体滤 波器数 字下 变频总线未 来 更 高级 的 D S P本 振 信 号A / D晶 体滤 波器放 大器混 频器混 频器射 频前 端射 频前 端 图 11 雷达通用硬件平台原理图 雷达通用硬件平台原理框图 [2,6]如图 11 所示。 雷达处理中频为 ，发射与接收中基带信号与中频信号之间的变换都在数字域中完成。 混频器的本振频率为4 2 .5 ~ 7 0 .5M Hz M Hz，射频信号频率为 2 ~ 30MHz MHz。 发射信号的产生过程是：先由 DSP 产生两个正交的基带，经软件调制后送入数字上变频器（ DUC）中进行内插处理、正交数字混频，以提高输出信号的数据率，输出的数据送入数 /模转换器（ DAC），由 DAC 变成模拟中频信号，然后经过滤波和功率放大后进入混频器混频得到射频信号，再经过射频端电路送到天线上发射出去。 雷达接收信号的过程与发射信号相反，接收信号经过射频端滤波放大后，与本振信号混频，得到中频处理信号，再次滤波放大后，送入模 /数转换器（ ADC）转换为数字信号，再经过数字下变 频器（ DDC）降速处理得到低速基带数字信号，最后送给 DSP处理。 由图上可以看出，从基带信号的产生到雷达处理中频全部都在数字域中完成，这种 4 设计思想带来的最大好处是灵活性强，便于修改。 图中省略了 DSP 芯片的一些外设设备，如片外 RAM 和 FLASH 等 (后文会详细介绍 )，选择不同的芯片，平台结构也会稍有变化。 如图中标识的，受限于目前 DSP 的处理能力，数字上 /下变频由专用的芯片来完成，然而随着数字技术的进一步发展， DSP 芯片的规模和速度的进一步提高，最终所有的数字信号处理将由 DSP 芯片完成，从而真正实现软件无线电。 2. 硬件平台关键技术 软件无线电有很多优势，但同时它也对相关技术提出了更高的要求。 基于软件无线电的通用硬件平台的具体实现，需要以下关键技术 [6,7,8,9]：  开放式总线结构 软件无线电的一个重要特点是其开放性，这主要体现在软件无线电所采用的开放式标准化的总线结构上，只有采用先进的标准化总线，才能发挥软件无线电适应性广，升级换代方便等特点。 高频地波海洋监测雷达的系统总线的选择从 VME 到 VXI 再到如今的 LXI，总线性能不断优化，可靠性和数据传输率也不断提高。  高速数字信号处理技术 DSP 芯片是软件无线电的 灵魂和核心所在，软件无线电的灵活性、开放性、兼容性等特点主要通过 DSP 芯片为中心的通用硬件平台及 DSP 软件来实现。 从前端接收下来的信号，或从功放发射出去的信号都要经过 DSP 芯片的处理：或频谱分析、信号解调、信号类型识别，或进行信号的数字上下变频，或进行各种各样的数字调制、数字滤波、比特流的编码、译码、同步信号的获取等等。 软件无线电中的 DSP 芯片除了能适应运算处理的高速度、高精度、大动态范围、大运算量外，还应具有高效率的结构和指令集、较大的内存容量、较低的功耗等特点。 DSP 芯片擅长实时数据处理，但在智能控制 方面有所欠缺。 上面提到，如果采样速率较高， DSP 处理数据的压力将会非常大，即使是目前处理速度最快的单片 DSP 芯片TI 公司的 C6X 系列，这还不能完全满足软件无线电的要求。 另外系统进行实时处理时，大量的数据要进出 DSP， DSP 吞吐数据能力的不足也是一个瓶颈。 因此很难用 DSP直接处理宽带射频或中频信号。 由于实际通信往往是窄带的，其信号带宽为几十或几百KHz ，可以用多速率信号处理技术对信号预处理，再由 DSP 完成各种功能。 目前采用的办法是用 DUC， DDC 或 FPGA 等专用芯片先完成数据处理的部分功能，再用 DSP 处理剩余的工作。 另外，也可以利用多个 DSP 并行处理的方法来提高 DSP 的数据处理能力。 在使用多个处理器时，必须采用合理有效的方法来连接和协调它们之间的工作，例如：共享中间结果、程序信息、协调工作内容等，这需要在多个处理器之间采用高速专用的数据链路。  数字上 /下变频技术 传统的雷达发射通道采用模拟变频技术，用模拟基带信号和本振信号混频形成中频已调信号，精度很难做得很高，线性度也不高，还有多次谐波。 而数字上变频技术可以 5 实现高精度，高线性度，无谐波分量的频谱搬移，而且 由于有内插过程，基带信号的速率可以较低，这也为 DSP 处理基带数字信号的调制编码减轻了负担。 雷达对接收信号在中频进行数字化， ADC 的采样速率较高，用 DSP 器件或软件对信号后处理的运算量将会非常大。 解决的办法是， A/D 变换之后先对采样数据进行下变频，把采样数据变换到基带，再利用抽取滤波器降低数据速率，将这些运算量大的任务交给专用芯片完成，既保持了软件无线电的优点，系统又具有可实现性。 目前单片的 DUC 和 DDC 集成了频率变换、数据率变换、数字滤波、增益控制、重采样、数模转换等一系列功能。 DSP 产生的两路正交、 同相数据通过 DUC 处理得到所需载频的模拟信号；而采样数据通过 DDC 处理后形成正交、同相两路输出，两个通路上所用的处理单元相同，保证了两路输出在幅度和相位上具有较好一致性。  高速 A/D、 D/A 变换技术 在软件无线电通信体统中，要达到尽可能多的以数字信号形式处理无线信号，必须把 ADC、 DAC 尽量靠近射频前端，为了减少模拟环节，在较高的中频，甚至射频段就开始对信号进行 A/D 或 D/A。 为达到此要求， ADC 必须有很高的采样速率和工作带宽，为适应复杂的电磁环境，还要求 ADC 具有大的动态范围。 而对于 DAC 来说，软件无线 电要求 DAC 拥有高的转换速率和分辨率，但是同时这两个指标是不太容易实现的。 目前常用的解决办法是使用多片高速低分辨率的 DAC（电流输出型）并联工作。