基于AD9959的FM及以下波段软件无线电发射系统

                      2019-11-06 06:11:49 物联网技术 2019年9期

                      郁凯 潘欣裕 陈昊 沈志昕 王俭

                      摘 要:文中主要介绍了基于AD9959和STM32的软件无线电发射系统。系统对输入音频采用FM调制方式,无线电信号频率为FM及以下波段,使用STM32F103系列MCU作为主控,使用型号为AD9959的DDS作为信号发生器,可实现语音采集、语音调制及发射等功能,并实现系统的数字化、模块化与软件化。

                      关键词:软件无线电;AD9959;FM;STM32;通信;ARM

                      中图分类号:TP39文献标识码:A文章编号:2095-1302(2019)09-00-02

                      0 引 言

                      软件无线电系统基于软件定义无线电通信协议,而非使用硬件连线[1],打破了设备通信功能的实现仅仅依赖于硬件发展的格局[2]。近些年,软件无线电已成为一个重要的研究课题[3]。基于ARM和DDS搭建的软件无线电发射系统能够发挥ARM在嵌入式领域的优势[4],实现软件无线电通用性、灵活性、便于互联和升级的优势[5]。

                      1 系统整体设计

                      本系统采用图1所示的A/D-ARM-DDS硬件架构,模块化设计,通过使用DDS保证输出信号的准确性和稳定性。系统各模块间采用高速通信方式进行数据传输。系统使用DMA读取STM32内置ADC的数据,通过SPI总线将处理后的数据发送至AD9959。模块间的通信在定时器中断中进行。

                      2 系统模块简介

                      2.1 信号采集

                      信号采集部分由STM32内置ADC和外围偏置电路组成,系统对输入的信号进行单声道采样,采样频率为25 kHz,满足调频广播22 kHz的要求[6]。图2所示的偏置电路在信号输出端连接两个等值电阻R1和R2,用于将输入的带有正负电压的音频信号偏置到0~3.3 V。电阻阻值不宜过高,以免影响信号拾取;不宜过低,导致电阻电流过大,影响系统安全。

                      2.2 信号处理

                      STM32F103内置12位逐次逼近型模拟数字转换器,采样分辨率为12 bit,采样频率最高可达1 MHz。系统通过STM32内置定时器实现25 kHz的定时采样,即每隔4 μs采样一次,采样数据经DMA传输至STM32内存。AD9959的串行I/O口提供了一个SPI操作模式,端口SCLK的最大速度为200 MHz。本系统中,STM32通过硬件SPI与AD9959通信。配置硬件SPI工作在2分频状态,STM32F103主频为72 MHz,可得SPI时钟频率为36 MHz。每次更新AD9959频率需传输7 B数据,由于,即系统可在4 μs的定时器中断间隙完成数据传输。

                      2.3 信号发射

                      3 软件设计

                      系统上电后开始工作,将输入信号调制到预定参数并发射。系统上电后首先通过公式(2)计算出ADC各量化值对应的调制后频率,并建立对应查询表。在完成初始化后,系统以25 kHz的频率进入定时器中断。在每次中断时STM32通过查表将ADC转化为频率值,并通过SPI总线发送至AD9959频率调谐寄存器,给AD9959对应引脚发送更新数据指令,AD9959随即将发送的正弦波更新为相应频率,系统的载波频率可通过按键更改。系统流程如图4所示。

                      4 系统测试

                      系统采用5 V/1 A单电源供电,保证射频信号的功率处于安全范围内。将语音采集、信号处理、信号产生模块进行拼接,设置载波频率为85.4 MHz,频偏为75 kHz。系统工作后即可通过FM收音机在一定距离内收听到发射的音频。

                      采用TEA5767芯片组成的FM收音机模块进行信号接收和解调,以验证无线电发射系统的性能。在信号输入端输入音频信号,对比原始信号和经FM调制并解调后的信号,可看到音频信号能够被较好地还原,即系统能够实现音频信号的FM调制。调制前和解调后的音頻信号波形如图5所示。

                      之后,在系统的信号输入端加上不同频率的正弦信号,观察其解调后的波形。测试结果统计见表1所列。

                      系统的音频采样频率为25 kHz,理论上可达到无线电广播的声音品质。在实际测试中,系统能稳定传输语音信号,对于高于3 kHz的信号误差相对增加,根据奈奎斯特采样定理,本系统可以采集12.5 kHz以下的音频信号。

                      5 结 语

                      本文主要介绍了利用STM32+AD9959的FM及其以下波段的简易软件无线电发射系统,经过测试表明本系统可以适用于150 MHz及以下频段的信号调制发射,获得良好的效果。

                      参 考 文 献

                      [1]余莲.AD9361:基于突破性技术促进软件定义无线电应用[J].电子技术应用,2013,39(11):1.

                      [2]王珂.软件无线电的关键技术及其应用[J].通信与信息技术,2011(1):51-54.

                      [3]陶玉柱,胡建旺,崔佩璋.软件无线电技术综述[J].通信技术,2011(1):37-39.

                      [4]莫秀英.ARM嵌入式在通讯工具方面的应用分析[J].电子制作,2015(5):156.

                      [5]肖维民,许希斌,朱健,等.软件无线电综述[J].电子学报,1998,26(2):65-68.

                      [6]石利琴.论数字音频信号的采样[J].出版与印刷,2003(Z1):61-63.

                      [7]陈建英,曲会英.直接数字频率合成器在FM调制中的应用[J].电子技术,2004(1):46-47.

                      [8]王海滨,申连洋.基于AD9959的多体制雷达信号源的设计[J].现代电子技术,2007,30(19):107-109.

                      [9]彭波,吴学杰.基于AD9959的多通道信号源设计[J].工业控制计算机,2012(8):20-21.

                      [10]张福洪,朱怀环,戴绍港.基于AD9959的频率合成器设计及其应用[J].电子器件,2008,31(4):1155-1158.

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