基于虚拟无线电技术的多媒体收音接口卡设计

摘要：介绍了一种基于虚拟无线电技术的多媒体收音接口卡设计方法，可以接收调幅和调频信号，试验调试表明，接收效果良好。
关键词：软件无线电 虚拟无线电 多媒体收音接口卡

    软件无线电是一种基于宽带Ａ／Ｄ器件、高速ＤＳＰ芯片，以软件为核心的崭新的体系结构。其基本思想就是将宽带Ａ／Ｄ尽可能地靠近射频天线以便将接收到的模拟信号尽可能早地数字化，尽量通过软件来实现电台的各种功能。主要特点有：灵活性、适应性、开放性。

    虚拟无线电与软件无线电的主要区别就是利用通用微机代替高速ＤＳＰ芯片，完成各种功能，其灵活性、通用性和开放性比软件无线电有过之而无不及。相信随着通用微机运算速度的不断提高，虚拟无线电技术必将得到更加广泛的应用。

１ 多媒体收音接口卡设计思想

    我们根据虚拟无线电的基本原理设计了一个可接收调幅、调频信号的收音接口卡，利用微机所带的音箱或耳机等设备可构成一个多媒体收音机。其组成框图见图１。

１．１ 数据采集部分

    数据采集部分主要由数控放大器和模／数转换器ＡＤ６６４０构成，负责完成数据采集工作。数控放大器分ＡＭ功放通道和ＦＭ通道两路，由微机根据选台情况选择通道。其可调增益最大范围：２０～６０ｄＢ，使信号稳定在大约０．８Ｖ（因为ＡＤ６６４０输入峰峰值Ｖ＝２Ｖ），以增加采样后的有效比特数。根据微机所送ＡＧＣ控制字不同，增益大小可不断调节控制。ＡＤ６６４０是ＡＤ公司生产的新一代模数转换器件，分辨率１２ｂｉｔ，采样速率可达６５ＭＳＰＳ，在５Ｖ供电时功耗仅为７１０ｍＷ。

１．２ 数字下变频器

    由于受微机运算速度的影响，若将采样的数据直接送计算机处理，实时性难以保证。为此我们采用美国Ｈａｒｒｉｓ公司生产的专用可编程下变频器ＨＳＰ５０２１４Ｂ对采样数据做必要的预处理后再通过ＰＣＩ总线送微机，其主要完成功能是将ＩＦ数据下变频成基带数据。ＨＳＰ５０２１４Ｂ包括以下功能模块：输入单元、电平检测、载波数字压控振荡器（ＮＣＯ）、级联积分／梳状滤波器（ＣＩＣ）、５个可选半带滤波器（ＨＢ）、２５５阶可编程ＦＩＲ滤波器、自动增益控制（ＡＧＣ）、重采样滤波器／插值半带滤波器、重采样ＮＣＯ、坐标变换以及输出单元。其结构框图如图２所示。

    该芯片前端处理速度高达６５ＭＳＰＳ，后端处理速度最高达５５ＭＳＰＳ，总的抽取因子范围：４～１６３８４，输出采样速度可达１２．９４ＭＳＰＳ，输出低通带宽最宽为９８２ｋＨｚ（ＩＦ带宽１．９６ＭＨｚ）。最高支持１４ｂｉｔｓ的字长的数据并行输入，输出形式灵活多样。即可并行输出又可串行输出，可选择输出幅度、相位、频率或正交Ｉ、Ｑ两路数据等所需信息。另外，ＨＳＰ５０２１４Ｂ还内带电平检测器，可为Ｉ．Ｆ．自动增益控制提供支持。总之，ＨＳＰ５０２１４Ｂ功能非常强大，使用相当灵活，可用于解调ＡＭ、ＦＭ、ＦＳＫ和ＤＰＳＫ等多种信号。

１．３ Ｓ５９３３与ＰＣＩ总线简介

    ＰＣＩ总线独立于处理器，具有很高的数据传输速率；采用高度综合优化的总线结构，保证系统各部件之间的运作可靠，并与现有总线完全兼容。

    ＡＭＣＣ公司生产的Ｓ５９３３是一种功能强、使用灵活的ＰＣＩ总线控制器专用芯片。该芯片符合ＰＣＩ局部总线规范２．１版，可作为ＰＣＩ总线目标设备（Ｓｌａｖｅ），实现基本的传送要求。也可作为ＰＣＩ总线主控设备（Ｍａｓｔｅｒ），访问其他ＰＣＩ总线设备。Ｓ５９３３的峰值传送速率为１３２ＭＢ／ｓ（３２位ＰＣＩ数据线），完全满足ＨＳＰ５０２１４Ｂ与微机之间的数据传送要求。

１．４ 微机和译码控制电路

    微机除要完成对ＨＳＰ５０２１４Ｂ的初始化、宽带功放控制任务外，还要完成选台控制、语音输出等功能。为此，需要编制配备必要的设备专用驱动程序，以便完成后台操作，而不影响其它工作。译码控制电路选用美国ＡＬＴＥＲＡ公司的ＥＰＭ７１２８ＳＱＣ－１０，完成地址译码和其它控制任务。

２ ＡＭ信号解调流程

    标准幅度调制是最基本的调制方式之一，多用于无线电广播系统。已调制信号的时域表达式为：ＳＡＭ（ｔ）＝Ａ［１＋ＫＡＭｆ（ｔ）］ｃｏｓ（ｗ０ｔ＋θ０），其ｗ０为载波频率；θ０为载波起始相位；ＫＡＭ为调制系数。为了实现满意的调制和解调，要求基带信号的幅度最大值满足如下条件：

    │ＫＡＭｆ（ｔ）│ｍａｘ＜１，否则，将会出现过调制，从而出现过调幅失真。ＡＭ信号可直接采样，其解调流程详见图３。

３ ＦＭ信号的解调流程

    调频波的解调也叫鉴频，其目的是从调频波中不失真地恢复调制信号。我们采用的ＦＭ解调流程如图４所示。

    由于调频广播载波频率太高，必须采用欠采样技术才能满足ＨＳＰ５０２１４Ｂ实时处理要求。所谓欠采样技术就是对于带通信号（频率范围：ｆＬ＜ｆ＜ｆＨ）而言，抽样频率只要满足：2ｆh / K≤ｆｓ≤2ｆL / K-1（Ｋ为整数且２≤Ｋ≤ｆＨ / ｆH－ｆＬ,ｆH-ｆL≤ｆＬ)就可保证采样后的频谱不产生折叠，从而无失真地恢复出调制信号。这对于减小运算量是很有好处的，但对接收机抗混叠滤波器要求较高。我们设输入离散数字信号为：

　

    其中，Δω表示实际中心频率偏离理想情况的漂移量大小。

    经坐标变换，取相位量：



    图４中数字鉴频器的数学模型为：Ｈ（ｚ）＝１－Ｚ－Ｄ，其中Ｄ为可编程设定的延迟因子，取值范围１～８。该鉴频器的频率响应动态范围是：ＲＡＮＧＥ鉴频器＝ＣＷ±Ｆｓａｍｐｏｕｔ／(Ｄ＋１)，其中ＣＷ是选取的中心频率，Ｆｓａｍｐｏｕｔ是鉴频器ＦＩＲ滤波器的输出采样速率。瞬时相位输入数字鉴频器后的输出为：



    如果合理选择采样速率和Ｄ取值，使在ｎ－Ｄ＋１～ｎ范围内ｆ(ｉ)值相等或变化很小，则上式可进一步简化为：Ｆ(ｎ)＝ΔωＤ＋ＤＫＦＭｆ(ｎ)
　
    从上式可知：若Δω不为零，必然会引进干扰。一般频率漂移是一个慢变化的过程，则Δω是一缓慢变化的低频信号。只要频率稳定度满足一定要求（慢变），就可保证Δω落在有用信号频带之外，从而可以利用高通滤波去掉该干扰，这样就解调出了ＦＭ信号。
总之，通过试验样板调试表明，该虚拟无线电收音接口卡解调ＡＭ、ＦＭ信号效果良好，外部配备上天线就可以为计算机增加虚拟收音机功能，从而进一步增强了微机的多媒体效果。