摘要：介紹了一種基于虛擬無線電技術的多媒體收音接口卡設計方法,可以接收調幅和調頻信號,試驗調試表明,接收效果良好。

    關鍵詞：軟件無線電 虛擬無線電 多媒體收音接口卡

    軟件無線電是一種基于寬帶Ａ／Ｄ器件、高速ＤＳＰ芯片,以軟件為核心的嶄新的體系結構。其基本思想就是將寬帶Ａ／Ｄ盡可能地靠近射頻天線以便將接收到的模擬信號盡可能早地數字化,盡量通過軟件來實現電臺的各種功能。主要特點有：靈活性、適應性、開放性。

    虛擬無線電與軟件無線電的主要區別就是利用通用微機代替高速ＤＳＰ芯片,完成各種功能,其靈活性、通用性和開放性比軟件無線電有過之而無不及。相信隨著通用微機運算速度的不斷提高,虛擬無線電技術必將得到更加廣泛的應用。

１ 多媒體收音接口卡設計思想

    我們根據虛擬無線電的基本原理設計了一個可接收調幅、調頻信號的收音接口卡,利用微機所帶的音箱或耳機等設備可構成一個多媒體收音機。其組成框圖見圖１。

１．１ 數據采集部分

    數據采集部分主要由數控放大器和模／數轉換器ＡＤ６６４０構成,負責完成數據采集工作。數控放大器分ＡＭ功放通道和ＦＭ通道兩路,由微機根據選臺情況選擇通道。其可調增益最大范圍：２０～６０ｄＢ,使信號穩定在大約０．８Ｖ（因為ＡＤ６６４０輸入峰峰值Ｖ＝２Ｖ）,以增加采樣后的有效比特數。根據微機所送ＡＧＣ控制字不同,增益大小可不斷調節控制。ＡＤ６６４０是ＡＤ公司生產的新一代模數轉換器件,分辨率１２ｂｉｔ,采樣速率可達６５ＭＳＰＳ,在５Ｖ供電時功耗僅為７１０ｍＷ。

１．２ 數字下變頻器

    由于受微機運算速度的影響,若將采樣的數據直接送計算機處理,實時性難以保證。為此我們采用美國Ｈａｒｒｉｓ公司生產的專用可編程下變頻器ＨＳＰ５０２１４Ｂ對采樣數據做必要的預處理后再通過ＰＣＩ總線送微機,其主要完成功能是將ＩＦ數據下變頻成基帶數據。ＨＳＰ５０２１４Ｂ包括以下功能模塊：輸入單元、電平檢測、載波數字壓控振蕩器（ＮＣＯ）、級聯積分／梳狀濾波器（ＣＩＣ）、５個可選半帶濾波器（ＨＢ）、２５５階可編程ＦＩＲ濾波器、自動增益控制（ＡＧＣ）、重采樣濾波器／插值半帶濾波器、重采樣ＮＣＯ、坐標變換以及輸出單元。其結構框圖如圖２所示。

    該芯片前端處理速度高達６５ＭＳＰＳ,后端處理速度最高達５５ＭＳＰＳ,總的抽取因子范圍：４～１６３８４,輸出采樣速度可達１２．９４ＭＳＰＳ,輸出低通帶寬最寬為９８２ｋＨｚ（ＩＦ帶寬１．９６ＭＨｚ）。最高支持１４ｂｉｔｓ的字長的數據并行輸入,輸出形式靈活多樣。即可并行輸出又可串行輸出,可選擇輸出幅度、相位、頻率或正交Ｉ、Ｑ兩路數據等所需信息。另外,ＨＳＰ５０２１４Ｂ還內帶電平檢測器,可為Ｉ．Ｆ．自動增益控制提供支持。總之,ＨＳＰ５０２１４Ｂ功能非常強大,使用相當靈活,可用于解調ＡＭ、ＦＭ、ＦＳＫ和ＤＰＳＫ等多種信號。

１．３ Ｓ５９３３與ＰＣＩ總線簡介

    ＰＣＩ總線獨立于處理器,具有很高的數據傳輸速率;采用高度綜合優化的總線結構,保證系統各部件之間的運作可靠,并與現有總線完全兼容。

    ＡＭＣＣ公司生產的Ｓ５９３３是一種功能強、使用靈活的ＰＣＩ總線控制器專用芯片。該芯片符合ＰＣＩ局部總線規范２．１版,可作為ＰＣＩ總線目標設備（Ｓｌａｖｅ）,實現基本的傳送要求。也可作為ＰＣＩ總線主控設備（Ｍａｓｔｅｒ）,訪問其他ＰＣＩ總線設備。Ｓ５９３３的峰值傳送速率為１３２ＭＢ／ｓ（３２位ＰＣＩ數據線）,完全滿足ＨＳＰ５０２１４Ｂ與微機之間的數據傳送要求。

１．４ 微機和譯碼控制電路

    微機除要完成對ＨＳＰ５０２１４Ｂ的初始化、寬帶功放控制任務外,還要完成選臺控制、語音輸出等功能。為此,需要編制配備必要的設備專用驅動程序,以便完成后臺操作,而不影響其它工作。譯碼控制電路選用美國ＡＬＴＥＲＡ公司的ＥＰＭ７１２８ＳＱＣ－１０,完成地址譯碼和其它控制任務。

２ ＡＭ信號解調流程

    標準幅度調制是最基本的調制方式之一,多用于無線電廣播系統。已調制信號的時域表達式為：ＳＡＭ（ｔ）＝Ａ［１＋ＫＡＭｆ（ｔ）］ｃｏｓ（ｗ０ｔ＋θ０）,其ｗ０為載波頻率;θ０為載波起始相位;ＫＡＭ為調制系數。為了實現滿意的調制和解調,要求基帶信號的幅度最大值滿足如下條件：

    │ＫＡＭｆ（ｔ）│ｍａｘ＜１,否則,將會出現過調制,從而出現過調幅失真。ＡＭ信號可直接采樣,其解調流程詳見圖３。

３ ＦＭ信號的解調流程

    調頻波的解調也叫鑒頻,其目的是從調頻波中不失真地恢復調制信號。我們采用的ＦＭ解調流程如圖４所示。

    由于調頻廣播載波頻率太高,必須采用欠采樣技術才能滿足ＨＳＰ５０２１４Ｂ實時處理要求。所謂欠采樣技術就是對于帶通信號（頻率范圍：ｆＬ＜ｆ＜ｆＨ）而言,抽樣頻率只要滿足：2ｆh / K≤ｆｓ≤2ｆL / K-1（Ｋ為整數且２≤Ｋ≤ｆＨ / ｆH－ｆＬ,ｆH-ｆL≤ｆＬ)就可保證采樣后的頻譜不產生折疊,從而無失真地恢復出調制信號。這對于減小運算量是很有好處的,但對接收機抗混疊濾波器要求較高。我們設輸入離散數字信號為：

?

    其中,Δω表示實際中心頻率偏離理想情況的漂移量大小。

    經坐標變換,取相位量：



    圖４中數字鑒頻器的數學模型為：Ｈ（ｚ）＝１－Ｚ－Ｄ,其中Ｄ為可編程設定的延遲因子,取值范圍１～８。該鑒頻器的頻率響應動態范圍是：ＲＡＮＧＥ鑒頻器＝ＣＷ±Ｆｓａｍｐｏｕｔ／(Ｄ＋１),其中ＣＷ是選取的中心頻率,Ｆｓａｍｐｏｕｔ是鑒頻器ＦＩＲ濾波器的輸出采樣速率。瞬時相位輸入數字鑒頻器后的輸出為：



    如果合理選擇采樣速率和Ｄ取值,使在ｎ－Ｄ＋１～ｎ范圍內ｆ(ｉ)值相等或變化很小,則上式可進一步簡化為：Ｆ(ｎ)＝ΔωＤ＋ＤＫＦＭｆ(ｎ)
?
    從上式可知：若Δω不為零,必然會引進干擾。一般頻率漂移是一個慢變化的過程,則Δω是一緩慢變化的低頻信號。只要頻率穩定度滿足一定要求（慢變）,就可保證Δω落在有用信號頻帶之外,從而可以利用高通濾波去掉該干擾,這樣就解調出了ＦＭ信號。
總之,通過試驗樣板調試表明,該虛擬無線電收音接口卡解調ＡＭ、ＦＭ信號效果良好,外部配備上天線就可以為計算機增加虛擬收音機功能,從而進一步增強了微機的多媒體效果。