1  引言

　　軟件無線電SDR(Software Defined Radio)是構(gòu)造具有開放性、標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的通用硬件平臺，將諸如工作頻段、調(diào)制解調(diào)類型、數(shù)據(jù)格式、加密模式、通信協(xié)議等功能采用軟件完成，并使寬帶A／D轉(zhuǎn)換器和D／A轉(zhuǎn)換器盡可能靠近天線，使用可升級、可重新配置的應(yīng)用軟件實(shí)現(xiàn)無線電臺各種功能，研制出高度靈活、開放的新一代無線通信系統(tǒng)。坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)數(shù)值計算CORDIC(Coordinate Rotation Digital Compute)算法是通過一系列逐次遞減的、與運(yùn)算基數(shù)相關(guān)角度的往復(fù)偏擺來逼近終所需達(dá)到的旋轉(zhuǎn)角度，該算法能夠兼顧、速度和硬件復(fù)雜度，而無需占用大量芯片資源的乘法器，CORDIC算法相結(jié)合的方法設(shè)計調(diào)制解調(diào)器，能夠滿足軟件無線電性能要求，并具有重要應(yīng)用。因此，這里給出一種基于SoPC的通用調(diào)制解調(diào)器的設(shè)計方案。

　　2  CORDIC算法原理

　　CORDIC算法原理可用向量旋轉(zhuǎn)推導(dǎo)。圖1中，向量(x0，y0)沿圓旋轉(zhuǎn)角度θ后得到新的向量(x，y)，它們之間的關(guān)系為：

　　不管是以單角度旋轉(zhuǎn)還是以一系列角度之和進(jìn)行多次旋轉(zhuǎn)，其終結(jié)果是一樣的。若每次旋轉(zhuǎn)θi，則令每次旋轉(zhuǎn)角度，并提取，這樣可用一組迭找方程表示：

     式中，為逆時針旋轉(zhuǎn)，-1為順時針旋轉(zhuǎn)。

　　令為修正因子。當(dāng)確定迭代次數(shù)。Kn也就確定了。按式（2）迭代的終結(jié)果為：

　　由式（3）看出。比預(yù)期結(jié)果有An的增益放大。其收斂條件是Zi趨于0，該模式為旋轉(zhuǎn)計算模式。當(dāng)收斂條件為時，可得到向量計算模式。其迭代方程為：

　　3  基于SoPC的通用調(diào)制解調(diào)器

　　軟件無線電要求在通用硬件平臺上通過運(yùn)行不同軟件實(shí)現(xiàn)多種調(diào)制解調(diào)方式，這就要求為信號的調(diào)制及解調(diào)建立通用模型。當(dāng)代無線通信中，理論上各種通信信號都可采用正交調(diào)制方法加以實(shí)現(xiàn)，所以，采用正交調(diào)制可以建立統(tǒng)一的模型，適用于軟件無線電實(shí)現(xiàn)。

　　實(shí)現(xiàn)通用調(diào)制器的有效解決方案就是采用CORDIC算法圈。CORDIC算法用在旋轉(zhuǎn)模式中實(shí)現(xiàn)(R，θ)→(X，Y)的坐標(biāo)變換。圖2給出采用CORDIC算法的AM、PM和FM信號的完整調(diào)制器。

圖2  采用CORDIC的通用調(diào)解器

　　要實(shí)現(xiàn)幅度調(diào)制，需將信號A(t)直接連接CORDIC的半徑R輸入。通常旋轉(zhuǎn)模式中的CORDIC算法隨半徑增加。這與放大器增益變化相符。無需在AM方案中考慮。倘若不希望線性增加半徑(因子是1.646 8)，則可以使用一個常系數(shù)(1／1.646 8)乘法器進(jìn)行平衡。傳輸信號的相位θ=2πf0t+△φ(t)。若生成FM信號，用△f代替f0，或用累加器計算2π△ft。對于PM信號，則需在信號相位上增加偏移量△φ(t)。這些相位信號相加作為CORDIC處理器的角輸入z或θ。CORDIC旋轉(zhuǎn)引擎設(shè)計如圖3所示，采用DSP Builder設(shè)計，可同時輸出兩路正交的正余弦信號。

　　數(shù)字下變頻接收來自A／D轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)，經(jīng)正交數(shù)字變換與低通濾波后得到基帶信號，即分成I，Q兩路的同相分量與正交分量。與信號調(diào)制一樣，解調(diào)也是通過幅度、頻率、相位中的一個或多個參數(shù)提取信息。那么通用解調(diào)器必須先從數(shù)字下變頻后的I，Q兩路基帶信號中計算出幅度A(n)和相位? (n)，再通過相位計算出頻率f(n)，通過幅度、頻率、相位信息解調(diào)出信息比特流。

　　圖4為一個基于SoPC的通用解調(diào)器的設(shè)計方案。解調(diào)器包含2個CORDIC模塊、3個FIFO(先進(jìn)先出)模塊和2個RISC(精簡指令)CPU模塊。其中CORDICl完成頻偏補(bǔ)償；CORDIC2具有相位校正和鑒幅與鑒相兩個功能；RISC CPU1用于判斷符號；RISC CPU2用于頻偏估計、相偏估計、位同步以及幅度判決門限的估計。CORDIC模塊通過硬件描述語言(HDL)編程實(shí)現(xiàn)，CPU則通過SoPC BUILDER定制NIOS軟核CPU，整個系統(tǒng)在可編程的FPGA上實(shí)現(xiàn)。

　　CORDICl使用旋轉(zhuǎn)模式，接收來自CPU2的頻偏估計值，對信號進(jìn)行頻偏校正，輸出為：

　　CORDIC2使用向量模式，接收來自CPU2的相偏估計值對信號進(jìn)行相偏校正，并完成(x，y)→(R，θ)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，計算幅度A(n)和相位? (n)，實(shí)現(xiàn)對信號鑒幅鑒相功能，輸出為：

　　根據(jù)實(shí)際需要定制CPU的接口和外設(shè)，通過NIOSⅡIDE(集成開發(fā)環(huán)境)進(jìn)行軟件編程和調(diào)試，便于系統(tǒng)開發(fā)。以頻率調(diào)制為例對通用調(diào)制解調(diào)器進(jìn)行仿真。

　　為了對整個調(diào)制解調(diào)器進(jìn)行仿真測試，將調(diào)制解調(diào)器合并，先對二進(jìn)制系統(tǒng)信號進(jìn)行調(diào)制然后對其解調(diào)。其仿真波形如圖5所示。由圖5看出，解調(diào)后的基帶信號與原基帶信號基本一致。

　　4  結(jié)束語

　　采用SoPC技術(shù)與CORDIC算法相結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn)通用調(diào)制解調(diào)器。CORDIC算法只需簡單的加法和移位操作，無需占用大量芯片資源的乘法器，實(shí)現(xiàn)NCO(數(shù)字控制振蕩器)時要比查找表法節(jié)省大量ROM。使其易于在FPGA上實(shí)現(xiàn)。在信號解調(diào)時只要從數(shù)字下變頻后的I，Q兩路基帶信號中計算幅度和相位，再由相位計算出頻率，從這些幅度、相位和頻率中解調(diào)出信號信息。利用CORDIC算法的坐標(biāo)變換功能計算幅度和相位，實(shí)現(xiàn)信號的鑒幅鑒相功能。SoPC的軟硬件協(xié)同設(shè)計解決方案是系統(tǒng)級設(shè)計的新趨勢，將SoPC技術(shù)應(yīng)用到通信軟件無線電領(lǐng)域。充分發(fā)揮軟件無線電在開放性的硬件平臺上通過軟件編程實(shí)現(xiàn)通信系統(tǒng)各種功能，便于軟件無線電各種功能和系統(tǒng)的升級，充分利用FPGA的可重配置性，這也體現(xiàn)軟件無線電中用軟件完成盡可能多的無線電功能的本質(zhì)特點(diǎn)。因此采用SoPC技術(shù)與CORDIC算法相結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn)軟件無線電通用調(diào)制解調(diào)器是可行的，降低成本，同時也體現(xiàn)了軟件無線電技術(shù)的靈活性。

參考文獻(xiàn):

[1]. ROM datasheet http://www.hbjingang.com/datasheet/ROM_1188413.html.