论文-基于软件无线电的AM接收机.docx
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桂林电子科技大学毕业设计(论文)报告用纸第44页共44页
1绪论
1.1软件无线电技术简介
软件无线电,又称为软件定义无线电,是一种既能兼容多种通信制式的无线通信设备,也能满足个性化通信需求的无线通信体系结构和技术。
软件无线电可以将多种硬件单元和软件模块集成在一个物理平台上,通过软硬件的可重构过程,实现多频段、多模块之间的切换,完成无线通信系统的各种功能。
它了克服了传统无线电以硬件为核心的设计局限性,增加了系统的灵活性,加快了产品的研发周期,所以它一经提出就受到了广泛的关注。
软件无线电的概念是美国MITRE公司的首席科学家JeoMitola在1992年提出的,当初是指宽频段、支持多种通信制式的无线电台。
现在,软件无线电是指将模块化、标准化、通用化的硬件单元以总线或交换方式连接起来构成通用平台,通过这个平台实现多种无线通信功能的一种开放的体系结构和技术。
按照软件无线电的基本要求,一个理想的软件无线电系统应该是完全数字化的系统,即从天线接收下来的信号,直接进行模数变换(ADC),随后的处理均在数字域内通过配置软件来完成,这样就极大地提高了系统功能的灵活性。
软件无线电的技术优势有:
(1)灵活性。
软件无线电可以通过增加软件模块,很容易地增加新的功能。
(2)开放性。
软件无线电采用标准化、模块化的结构,其硬件可以随着器件和技术的发展而更新或者扩展,软件也可以随需要而不断升级。
软件无线电不仅能和新体制电台通信,还能与旧式体制电台相兼容。
这样,既延长了旧体制通信系统的使用寿命,也保证了软件无线电本身有很长的生命周期。
(3)功能单元通用化,设备可互操作。
(4)控制和处理软件化,系统生命周期长。
软件无线电是随着微电子技术的进步而迅速发展起来的新技术,在军事通信、移动通信、广播、定位、雷达、卫星通信等领域都有广泛的应用前景。
1.2软件无线电应用简介
在软件无线电概念提出不久,美军就提出了“易通话”(SPEAKeasy)科研计划,其主要任务是研制多频段多模式无线电台(MBMMR:
Multi-BandMulti-ModeRadio)。
该计划经历了两期研究,于1999年研制成功了多模多频段军用无线电台SPEAKeasyII。
该设备可工作于2~2000MHz,能同时处理4种不同的信号波形,兼容美军当时的15种电台。
SPEAKeasyII的研制成功,证明了软件无线电基于总线架构是可行的,基于硬件的软件化无线电也是可行的。
美国麻省理工学院的“SpectrumWare”项目,在软件无线电的发展历程中也具有标志性。
它以更加软件化的角度提出了解决无线通信问题的方法,并运行一系列软件加以验证。
其基本思路是:
以ATM(AsynchronousTransferMode:
异步传输模式)网络连接的工作站为基础构成,在工作站的用户空间内完成所有的信号处理工作。
此后,软件无线电的研究日益深入,如欧洲的灵活的综合无线电技术(FIRST)计划、未来无线宽带多址系统(FRAMES)、SORT计划都使用了软件无线电技术。
日本NTT公司研制出基于软件无线电技术的兼容PHS和WLAN的基站。
澳大利亚ACT公司研制出可通过软件配置支持GSM、CDMA、UMTS和WCDMA的基站样机,实现了双向话音通话。
国内的清华大学承担了国家“863”软件无线电研究项目,研制软件无线电试验平台。
武汉大学采用软件无线电技术实现了海洋环境监控雷达收发系统。
中兴通讯研制的软件无线电产品荣获了国际电工委员会颁发的InfoVision奖。
华为研制的基于软件无线电技术的SingleRAN网络已在欧洲商用。
我国的TD-SCDMA无线传输标准也采用了软件无线电技术。
1.3AM接收机简介
提到“AM”这个缩略语,通信专业的人自然会明白它是“幅度调制(AmplifierModulation)”英文单词的缩写,说到调幅制式的无线系统,家喻户晓的收音机是调幅技术最成功的应用案例,调幅收音机经历了近百年的发展历程,到现在仍在广泛地使用,可见这项技术的生命力是多么的强大。
1913年法国人吕西安、莱维利用超外差电路制作成了收音机,并申请了专利。
1924年超外差收音机投放市场。
收音机经历了矿石收音机、电子管、晶体管、集成电路收音机阶段,目前正朝着DSP收音机、网络收音机、数字音频广播收音机的方向发展。
收音机的发展史也从一个侧面反映了世界电子技术的发展历史。
在收音机发展历史中,超外差电路结构占有极其重要的地位,世界上99%的无线电收音机、电视、卫星地面站等都是利用超外差电路的工作原理进行工作的。
超外差电路是美国工程师阿姆斯特朗于1913年发明的,所谓超外差是指通过输入谐振回路把发射台发射的高频调幅波频率选择并接收下来,再和本地振荡回路产生的本振信号一起送入混频电路中进行非线性变换,产生出两个频率相减后的差频信号,再经过中频谐振回路选择出差频频率,得到一个固定的中频调制波。
调幅中频国际上统一固定为465kHz或455kHz。
该固定中频频率比发射台发射的高频信号低,又比音频信号高,该固定中频被称为超音频信号,所以将这种接收方式称为超外差接收方式。
另一种说法是:
本地振荡电路产生的振荡信号比接收端的信号频率高一个固定中频,当接收信号频率变化时,本振信号也随之改变,时刻保持两者频率之差为固定中频,所以称为超外差。
超外差AM接收机的工作是:
从天线接收到的广播高频调幅信号,通过输入并联谐振回路选频,选出所需要的电台频点送到变频电路,高频调幅信号在变频电路中与本机振荡器产生的高频等幅本振信号进行非线性变换,得到固定频率的中频调幅信号(固定中频为465kHz或455kHz)。
在变频环节,被改变的只是接收到的调幅波的载波频率,调幅波振幅的变化规律(调制信号,即发送的声音)并未改变。
输入回路的调谐与本振频率的自动改变是通过同轴双联可变电容实现的。
双联可变电容的一联接入输入谐振回路中,另一联接入本振谐振回路中,这两个谐振频率能同步变化,从而使两者的频率差值始终保持近似一致,该差值就是固定中频值。
本振频率比输入谐振回路频率高一个固定中频值。
变频之后的固定中频信号再通过选频回路选出,被送到中频放大电路中放大。
放大后的中频信号接下来送入检波器进行幅度检波,从而还原出音频信号,然后再通过低频电压放大和后级的功率放大,推动扬声器工作,从而还原出被发射的声音。
超外差式接收机由输入调谐、本振电路、变频、选频、中频放大、检波、低频放大、自动增益控制、功率放大等部分组成。
超外差式接收机的优点是:
灵敏度高、选择性好、通频带宽、工作稳定。
缺点是:
有镜频干扰(比接收信号高两个中频的干扰信号)、线性度差。
超外差接收机的框图如图1.1所示:
图1.1超外差收音机原理框图
1.4软件无线电技术用于AM接收机设计的可行性分析
按照软件无线电的基本要求,一个理想的软件无线电系统应该是完全数字化的系统,即从天线接收下来的信号,直接进行模数变换(ADC),随后的处理均在数字域内由软件进行各种处理。
比如在模拟域设计同时具有线性相位和陡峭下降沿的滤波器是相当困难的,而在数字域中用软件很容易就能实现,在数字域实现信号处理功能是不需要经过复杂的调谐过程,也不需要多级同步。
理想软件无线电接收系统如图1.2所示。
这种理想的软件无线电接收机在工作频率达几百兆赫兹以上的无线系统中是不可能实现出来的,主要原因是:
对射频信号进行带通采样所需的采样速率至少是射频工作带宽的两倍,为了降低量化噪声,要求ADC有较高的采样位数和较宽的无失真动态范围,目前的ADC器件还不容易这些要求。
另外,能覆盖多个频段的宽带天线,目前的技术水平下也无法实现。
解决问题的办法就是在天线和ADC之间加入射频前端模块,原因如下:
现代民用及军用设施使用电子设备繁多,导致电磁环境复杂,相互干扰严重。
接收天线收到的射频信号非常复杂,接收到的信号强弱有很大的差别,信号最强的并不一定是需要的信号,需要接收的信号幅度可以很微弱。
以短波通信设备为例,发射机的残余信号在接收机输入端产生的电平达120dBµV(即13dBm)或更高。
而接收机所需接收的微弱信号电平可能仅-6~0dBµV(即-117~-113dBm)。
因此,要求接收机处理的信号动态范围高达120~126dB。
另外,高电平干扰信号与所接收信号频率仅相距数十千赫,所以,高电平干扰信号和它们在接收机中产生的互调产物会严重影响接收机的输出信噪比。
为了降低这种影响,就要求在接收机天线后面增加射频前端模块。
射频前端模块一般都要具有以下性能:
(1)较高的选择性,使接收机的动态范围尽可能大;
(2)高线性度,在信道滤波之前,降低带外高电平干扰信号在信道滤波器通带内产生的互调产物;
(3)极低的本振相位噪声,以免邻近频点的干扰信号将本振噪声转换到接收机信道带宽内。
接收机射频前端模块是实现接收机动态性能的关键部件,它工作于中频放大器之前,其关键技术指标有:
动态范围、互调失真、-1dB压缩点和三阶互调截获点等。
但对于工作频率较低、信号带宽较窄的无线系统,比如AM、FM广播系统,采用理想的软件无线电接收机是却有可能实现的。
AM广播频段的最高频率是1710kHz,每个电台的频带宽度是9kHz,故对AM信号从天线输入口直接进行模数变换,对ADC器件的要求并不高,实现模拟到数字信号的变换,对ADC器件的要求并不高。
只要ADC器件的无失真动态范围足够大,实现AM接收机直接数字化是完全可行的。
在数字域内进行数字、变频、滤波、AGC、解调都是较容易实现的,数字到模拟变换(DAC)及音频前级放大也很容易在单个芯片内部实现。
图1.2理想软件无线电接收机框图
从理论上讲,采用软件无线电技术设计的AM接收机在性能指标上比模拟接收机更好,但实际使用时还会受到中波传播环境、天线匹配等因素的制约,这些因素直接决定着设计方案的优势能否在听觉效果上体现出来。
中频广播的电波传播途径主要是靠地波传播,只有一小部分以天波形式传播。
无线电波碰到导体时,就在在导体中产生感应电流,从而损耗掉一部分能量。
这种使电波能量变弱的现象,称为对电波的吸收。
大地是导体,对中波有较强的吸收作用,故地波传播的中波广播传播距离不远。
白天时由于阳光照射使电离层密度增大,电离层变成良导体,致使以天波形式传播的一小部分中波进入电离层就被强烈地吸收掉了,难以返回地面,于是就造成白天难以收到远处的中波电台。
夜晚时电离层变薄,密度变小,导电性能变差,对中波的吸收作用降低,中波的传播距离会更远些。
所以夜晚收听到的中波电台数量就多些。
城市的高层建筑越来越多,对广播信号的屏蔽作用越来越强,严重地减弱了中波信号的场强,使接收到的广播信号极其微弱。
实验时,可以把接收装置放置在空旷的场地,在楼内实验时,要放置在凉台、窗台处。
造成中波广播接收效果差的另一个重要因素是电磁环境恶化。
现在,各种家用电器用具(日光灯、电视机、电脑、微波炉、电磁炉、充电器)越来越多,工业用的电动机、电焊机也随处可见,无线通信有多种制式的网络在运行,还有多种专网通信设备在运行,这些因素都会导致中波广播的电磁环境严重恶化。
采用软件无线电技术的AM接收机,在天线输入端口并不采用输入谐振电路,对天线进来的信号没有经过选频,会有多种频率的干扰信号进来,这也会导致接收效果变差。
1.5本文的工作
本文承担课题的设计任务要求是:
(1)能接收到150kHz~1710kHz的AM广播节目。
(2)要求ADC尽量靠近天线。
(3)设计并实现AM接收机。
本文就是按照课题的要求,设计并实现基于软件无线电技术的AM接收机。
本文采用美国芯科实验室生产的支持AM/SW/LW/FM频段广播的无线接收专用芯片Si4734,作为接收主芯片,通过单片机对Si4734进行参数设置,把AM接收所需的基本参数设置进去。
再通过LCD液晶屏把Si4734的工作状态显示出来。
Si4734的输出经过音频功率放大芯片放大,送给扬声器产生出可听得到的声音。
1.6本文的章节安排
第一章为绪论部分,先简要地介绍软件无线电的产生、特点及应用,接着简述了超外差接收机的基本原理,易受外界电磁干扰的原因,然后陈述了设计基于软件无线电的AM接收机的可行性。
第二章详细描述了基于软件无线电的AM接收机硬件电路设计内容。
包括:
方案选择、总体设计思路、单片机最小系统设计、LCD液晶屏电路设计、收音主芯片电路设计、功放电路设计、稳压电源电路设计等内容。
第三章详细叙述了基于软件无线电的AM接收机软件设计内容。
包括:
LCD液晶屏应用程序设计、Si4734应用程序设计等内容。
第四章的内容是电路调试与实验结果部分,包括硬件电路调试,程序软件调试和实验结果描述。
第五章是本文的总结,主要叙述了个人在软、硬件设计和调试过程中的心得体会,并展望了本课题后续完善的方向。
2基于软件无线电的AM接收机硬件设计
2.1方案选择
课题任务要求,运用软件无线电技术设计AM接收机,该接收机的工作频段在150kHz~1710kHz的AM广播。
而这个频率段属于中波和长波(长波广播波段为152kHz~279kHz,中波波段为520kHz~1710kHz)。
课题还要求ADC(模数转换器)尽可能地靠近天线,也就是要求在天线和接收不之间尽可能地不要再增加选频、低噪声放大电路。
根据一段时间的资料查找与材料分析,最终决定采用美国芯科实验室SILICONLABS()生产的专用收音机芯片Si4734作为接收主芯片,该芯片的功能完全能满足课题设计的要求。
经过分析发现这是一个十分理想的方案选择,使得原本复杂又繁琐的收音机电路变得简单易实现,既简化了硬件设计的要求,又降低了设计方案的资金预算。
Si4734是支持广播AM/FM/SW/LW频段的无线接收专用芯片,内部集成有VCO(压控振荡器)、AFC(自动频率控制)、AGC(自动增益控制)、85dB动态范围的ADC、7级可选择的AM通道滤波器、内置低压差电压调整器、高级音频处理能力。
还具有AM/FM搜索调谐功能、AM/FM/SW/LW数字调谐功能、参考时钟可通过程序设置功能、宽范围的磁棒天线或环天线直接接入芯片,此外,该芯片还支持无线数字广播(RDS)。
Si4734支持两线I2C接口或三线SPI接口,通过微处理器可直接对它进行参数设置或读取。
Si4734可选择两种供电电压,数字部分必须采用1.62~3.6V的数字供电电压,模拟部分可选择2.7~5.5V的供电电压。
单片机的选择。
选用Atmel公司的AT89LS52单片机比较合适,该单片机既控制Si4734,还要控制LCD液晶屏的读写。
AT89LS52是普通的8位51系列单片机,有三组IO口,支持ISP编程,可用3.3V供电,保证能与Si4734的数据接口之间有较好的电平匹配能力。
在实际购买阶段,没能买到AT89LS52,只弄到两片AT89LS51。
AT89LS51的ROM只有4K,比AT89LS52的ROM少4K,其它方面都相同。
这对单片机程序的编写有些限制,编程时需要优化,保证程序能下载到ROM中去。
单片机程序下载器选择。
AT89LS51虽然支持ISP下载功能,是采用串口、并口还是USB下载还经过了一番调研,现在的笔记本电脑很少配备串行接口了,所以决定用USB作为单片机的程序下载口。
这就需要一个USB到JTAG(JointTestActionGroup,联合测试行动小组,是一种国际标准测试协议,与IEEE1149.1兼容)接口转换的下载线。
LCD液晶屏的选择。
深圳金鹏公司的液晶屏OCMC2X16A,是一款普通的液晶屏,价格也不高。
它支持两行显示,每行能显示15个字符,内部没有汉字字库。
OCMC2X16A是5V供电的,其数据口的电平也是5V的TTL电平,通过查阅资料,发现它的数据口电平是:
输入高电平VIH最小值是2.2V,输入低电平VIL最大为0.6V,输出高电平VIH最小值是0.9V,输出低电平VIL最大为0.5V。
故用3.3V供电的AT89LS51也能达到与OCMC2X16A数据口之间电平匹配的功能,无需再另外增加电平转换芯片。
音频功率放大器的选择。
选用ST公司的TDA2822M作为音频放大器芯片,该芯片需要的外围器件较少,在使用16欧姆耳机作为负载时,可输出170mW的功率,能满足实验使用的需要。
该功放芯片的供电范围比较宽,且是DIP封装的,也方便在面包板上装配。
晶振的选择。
本设计方案中需要两个晶振,一个给单片机AT89LS51使用,选用插脚封装的11.0592MHz的晶体;另一个是给Si4734使用的,参考资料中要求晶振的频率必须是32.768kHz,就按照要求选用插脚式的普通晶体。
电源稳压芯片的选择。
设计方案中选用两个电源稳压芯片,一个是普通的LM7805A,它输出固定的5V电压,用它为LCD液晶屏、音频功率放大器供电。
第二个稳压电源芯片选择Sipex公司的SPX1117M-3.3,它输出固定的3.3V电压,有0.8A的电流输出能力,用它为Si4734、AT89LS51供电。
查阅SPX1117的资料,发现它的输入可以直接从电源适配器引入,就可以获得3.3V的电压,不必经过LM7805A的输出端5V再送入SPX1117做二次转换。
电源适配器的选择。
因为LM7805A要求输入与输出端口之间最小的电压差要大于2V,SPX1117M-3.3只要求输入输出压差为1.2V。
选用的电源适配器输出电压为7V时比较合适,LM7805A、SPX1117上的压差比较小,损耗会小,发热量就不高。
实际找适配器时没找到输出7V的,手头刚好有一款输出电压有18V的一款,通过查阅这两个稳压芯片资料,发现LM7805A最大可承受35V的输入电压,SPX1117最大可承受20V的输入电压,我手头的这个电源适配器也能凑合着使用,无需再买新的。
天线的选择。
按照Si4734设计指导中的介绍,天线的电感量要介于220~600uH之间,才能较好地接收中波AM广播信号。
为了获得较好的接收灵敏度,减少空间环境的电磁干扰,采用外置的中波环形天线,再配备一个匝数比为1:
5到1:
7的变压器是个比较的选择。
花了较大的精力也没买找到这种中波环形天线。
只好采用磁棒中波天线,但现在市面上连普通的磁棒也不容易买到,最后只能找个微形收音机,把其中的磁棒天线拆下来使用。
根据实际的调试情况,如果效果差,再自已动手绕线圈。
2.2设计方案的总体思路
本文所设计的基于软件无线电的AM接收机的方框图如图2.1所示。
本设计方案的信号流程是这样的:
磁棒天线感应到AM广播信号后直接送给接收芯片Si4734,由Si4734处理接收相关的功能,,然后输出音频信号给功率放大器TDA2822M放大,然后通过耳机输出。
Si4734的属性设置及内部参数读取均通过单片机AT89LS51,读取的参数显示在液晶屏上。
单片机的程序通过ISP下载线从笔记本电脑中下载到单片机中。
Si4734内部处理接收信号的过程是:
从AMI口接收到的广播射频信号先送入LNA(低噪声放大器)中放大,LNA的增益由AGC(自动增益控制)控制,放大后的信号送入混频器中,本振信号由芯片内部的NCO(数字控制振荡器)提供,NCO的频率由AFC电路(自动频率控制)校准。
混频后的信号送入ADC(模数转换器)中变成数字信号,数字信号再送给DSP单元处理中进行解调、滤波等处理,处理完后再送给DAC(数模转换器)变换成模拟信号。
图2.1基于软件无线电的AM接收机框图
2.3AT89S52单片机的电路设计
2.3.1芯片简介
AT89LS51是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器,具有4K在系统可编程Flash存储器。
片上Flash允许程序存储器在系统可编程,亦适于常规编程器。
在单芯片上,拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash,芯片具有以下标准功能:
4k字节Flash,256字节RAM,8位I/O口线,看门狗定时器,2个数据指针,三个16位定时器/计数器,一个6向量2级中断结构,全双工串行口片内晶振及时钟电路。
空闲模式下,CPU停止工作,允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。
掉电保护方式下,RAM内容被保存,振荡器被冻结,单片机一切工作停止,直到下一个中断或硬件复位为止。
AT89LS51单片机的供电范围是2.7V~4.0V,有PDIP,PLCC和TQFP等3种封装形式,本设计采用PDIP封装形式,方便在面包板上装配。
图2.2是AT89LS51的管脚分布图。
图2.2AT89LS51单片机管脚排列
2.3.2单片机最小系统设计
单片机最小系统设计时,几个功能引脚必须注意:
EA/VPP引脚要接3.3V电源,表明程序只存放在片内存储器中。
PSEN脚、ALE脚不用,悬空即可。
复位脚RST是高电平复位有效,复位开关一端接3.3V电源,另一端通过10kΩ电阻接地,复位开关两端跨接一个10uF的电容。
复位开关未按下时,RST引脚通过10kΩ电阻到地,是低电平。
当复位开关按下时,3.3V电压加在10kΩ电阻上,使RST引脚为高电平,达到复位效果。
引脚40接3.3V电源,引脚20接地,其它引脚作为普通IO脚使用。
单片机18,19脚接入晶振和两个电容。
晶振的作用是给单片机正常工作提供稳定的时钟信号,晶体振选用11.0592MHz的插脚晶体。
而基于晶振的振荡器通常能提供非常高的初始精度和较低的温度系数。
与晶振相连接的这两个电容叫做晶振的负载电容,电容的大小会影响晶振的谐振频率和输出幅度。
当这两个电容相等的时候,其反馈系数为0.5,则可以满足震荡条件,但是如果不易起振或者震荡不稳定则可以减少输出端对地电容量。
我选用2个30pF的陶瓷贴片电容,实测时能满足正常起振的要求。
单片机所用的3.3V电源由SPX1117的输出端提供。
单片机最小系统原理图参见图2.3所示。
图2.3单片机最小系统原理图
2.3.3单片机及控制电路设计
(1)液晶屏电路设计
设计时用AT89LS51的P0端口控制液晶屏。
因P0端口是漏极开路的8位双向I/O口,在Flash编程时,P0口也可用来接收指令字节。
在程序校验时,输出指令字节,此时需要外接上拉电阻。
实际设计时,在AT89LS51的第32至39引脚中接入10K的排阻,这样做的目的是给信号线提供一个驱动电压,也就是上拉的作用。
这样做的目的是使数据传输更稳定,传输距离更远,也是用来抵消线路中内阻对信号的损耗。
在这里,我们必须知道的是,当一个排阻由n个电阻构成时,那么它就有n+1只引脚,其中印有明显“点”标志的那个引脚即为排阻的公共脚。
根据原理图可以知道我将让此公共脚与3.3V电源连接上了。
设计时所选用的液晶屏是深圳金鹏公司的产品,型号为OCMC2X16A。
它能显示两行字符,其中每行16个字符。
背光为LED,颜色为黄绿色。
所需驱动电压的最小值为4V,最大值为10V。
下面对OCMC2X16A的各个引脚来进行一下简要地介绍。
液晶屏的1脚VSS为电源地。
2脚VDD为电源电压脚。
3脚V0为LCD外接驱动电压(可调,一般设为0.8V)。
4脚为RS(当RS=H,表示选择数据寄存器,即读写数据时使用。
当RS=L,表示选择指令寄存器,即写指令时使用)。
5脚R/W为读写选择信号(H:
读操作,L:
写操作)。
6脚为使能位,其中写操作时,信号下降沿有效;读操作时,为高电平有效。
7至14脚(DB0至DB7)为数据
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