基于GC5016的并行多通道接收机研究

0 引言
    软件无线电(Software Radio)，也称软件定义的无线电(Software Defined Radio)，是一种既能够兼容多种制式的无线通信设备，也能够满足未来个性化通信需求的无线通信体系结构及技术。20世纪90年代初，美国MITRE公司的首席科学家J．Mitola首先提出这个概念。它足将模块化、标准化和通用化的硬件单元以总线或者交换方式连接起来构成的通用平台，通过在这种平台上加载模块化、标准化和通用化的软件，实现各种无线通信功能的一种开放体系结构及技术。
    促使软件无线电产生和发展的原因主要包括军事、民用、技术和市场需求住内的现实需求以及大规模集成电路、个人计算机及其网络、高速数字信号处理、新型软件工程方法、现代控制论等技术进步的产物。

1 中频接收机总体设计
    软件无线电的基本思想就是尽可能地简化射频模拟前端，使A／D变换尽可能地靠近天线，尽早地完成模拟信号的数字化，并对其尽可能多地用软件进行处理。可以看出，A／D起着最为关键的作用，但目前A／D的性能无法实现射频直接采样，所以目前的软件无线电接收机采用了折衷方案，大都是在中频上完成数字化。本研究针对的是已完成模拟下变频的70MHz或者140MHz的中频信号。硬件的总体设计框图如图1所示。4路A／D对中频信号进行采样，并送入GC5016完成数字下变频，FPGA完成部分基带信号处理，在PCI9054桥接芯片的控制下通过PCI总线将处理后的数据送入PC机进行再处理。同时，PC上位机通过PCI总线控制CPLD对GC5016和FPGA进行配置和重配置，具有一定的可重构性。

    尽管采用了中频带通采样技术，但相对于FPGA或者DSP处理能力来说，数据速率仍然太高，很难满足实时性要求。一个实际的无线信号带宽有限，对单信号采样时所需的采样率并不高，对采样数据进行抽取，以降低采样率是完全可行的。多速率信号处理中的抽取理论是软件无线电接收机的理论基础。图2是一个完整的D倍抽取器结构图，图中HLP(ejw)为其带宽小于π／D的低通滤波器，是滤除信号频谱中高于π／D的部分，用以防止采样率降低后信号频谱造成的混叠。

    由于CIC滤波器的通带倾斜较大，信号通过CIC滤波器之后，频谱会产生一定的倾斜，且伴有较大损耗，所以后端的PFIR滤波器在继续对信号进行抽取降速的基础上，还要对信号进行一定程度的补偿，以便抵消CIC滤波器的通带倾斜。
3．2 PFIR滤波器
    用一个已知的窗函数ω(k)去截取一个理想滤波器的冲激函数hid(k)，就能得到一个实际可用的FIR滤波器冲击函数h(k)，即窗函数法，这是最简单、最常用的设计FIR滤波器的方法。常用的窗函数ω(k)有矩形窗、汉宁窗、海明窗、布-哈窗(Blackman-Harris)以及凯撒(Kaise r)窗等。除此之外，还有等波纹最佳一致逼近法(Parks-Mcclellan最优法)及频域采样法等。
    FIR滤波器的阶数即窗函数长度是由滤波器的实际需求决定的，对于某些类型的窗函数，给定δp，δs，fC，fA等滤波器参数就可确定所需的滤波器阶数。例如对凯撒窗，当δ=δp=δs时，则N由下式给出：
    
    式中：△f，fC，fA分别为实际模拟带宽和频率值；fs为采样频率。由上式可见，数字滤波器的阶数N与滤波器的归一化过渡带宽度成反比，与滤波器带内波动的对数值成正比，过渡带越窄带内波动越小，所需的滤波器阶数越大，实现起来也越困难，所以实际应用中，需要对
三者进行权衡折衷。目前有很多商用滤波器设计软件包可供选择，Matlab的信号处理和滤波器设计工具箱，提供了强大的设计和仿真功能。本文使用Matlab对GC5016的滤波器设计进行了仿真。

4 仿真及结果
    仿真实用Matlab的滤波器设计工具箱，假设抽取因子M=8，差分延时D=1，信号通带为2 MHz，阻带衰减Ast为80 dB，采样率fs为100MHz，则CIC滤波器的幅频响应如图5所示。

    滤波器设计工具箱可以直接导出上述滤波器的系数，通过相应的开发工具写入GC5016的配置文件，即完成了从仿真到实践的开发过程。

5 结语
    软件无线电以可升级和可重配置的软件来实现各种无线电功能的新架构，在军用和民用领域越来越显示出强大的生命力。本文介绍了以数字上下变频器GC5016和可重配置的FPGA为核心的多通道接收机设计。实验表明，该多通道接收机具有一定的灵活性和开放性。未来还可以在4通道的基础上，利用多个多通道接收机实现新一代阵列处理系统，具有较强的牛命力和广泛的应用前景。