AD9361在无线通信数字中继器中的应用

唐 俊,范 红，2,严 杰,倪 林，2,曹爱玲

(1. 东华大学 信息科学与技术学院，上海 201620；2.东华大学 数字化纺织服装技术教育部工程研究中心，上海 201620；3.东方明珠传输有限公司，上海 200052)

AD9361在无线通信数字中继器中的应用

唐 俊1,范 红1，2,严 杰3,倪 林1，2,曹爱玲1

(1. 东华大学 信息科学与技术学院，上海 201620；2.东华大学 数字化纺织服装技术教育部工程研究中心，上海 201620；3.东方明珠传输有限公司，上海 200052)

利用射频捷变收发器AD9361接收调频广播信号，将射频信号转化为数字信号进行处理。处理后的广播信号按所要求的频段进行发射，实现广播信号更广泛的传播。较传统通信系统中频段的改变是利用模拟电路来实现的，每个电路只能对应固定的频段，无线通信数字中继器则具有更好的灵活性和通用性。

调频广播; 数字中继器；软件无线电; AD9361

0 引言

随着地下轨道交通的日益扩大，地下隧道中对广播信号的传输质量的要求越来越高，同时隧道也会对广播信号产生衰减和隔绝的作用。在现有技术中，地下广播信号采用光纤覆盖传输方式，成本高、建设周期长且布线有很大的局限性。随着无线通信与芯片技术的迅猛发展，软件无线电的概念开始广泛流行。ADI公司推出一款面向软件无线电应用的革命性解决方案——AD9361射频捷变收发器，支持多种可编程无线电应用[1]。本文采用一种基于SoC和AD9361的无线数字中继传输系统，具有很强的可重新编程和可重构的能力，实现了对射频信号转化为数字信号的处理和传输。

1 AD9361的结构和工作原理

本文所述的无线射频收发机关键部分是AD9361射频(RF)捷变收发器，工作频率范围为70 MHz～6.0 GHz，支持的通道带宽范围为200 kHz～56 MHz，涵盖大部分特许执照和免执照频段；在单个器件中集成了提供所有收发器功能的所有必要RF、混合信号和数字模块[2]。

图1 AD9361捷变收发器

AD9361芯片内部结构如图1所示。AD9361有两个独立的接收器和发射器：接收器含有一个低噪声放大器(LNA)，其后是相内(I)和正交(Q)放大器、混频器和频带整形滤波器，该滤波器可以将接收到的信号下变频为基带；数字化信号可以通过一系列抽取滤波器和一个完全可编程的128抽头FIR滤波器进行进一步调整。各个数字滤波器模块的采样速率可以通过更改抽取系数来进行调整，从而产生需要的输出数据速率；接收器拥有两个独立控制的通道I和Q，每个通道含有3个输入RX(A、B、C)。

发射器与接收器相同，都含有两个独立控制的通道I和Q，每个通道含有两个输出通道TX(A、B)，通道提供了所需的数字处理、混合信号和射频模块，能够形成一个直接变频系统，同时共用一个通用型频率合成器。从基带处理器收到的数字数据进入FIR滤波器，经滤波器后发送到插值滤波器中，实现细致的滤波和数据速率插值处理，然后进入DAC；每个DAC都拥有可调的采样速率，最后信号通过I、Q两路通道进入射频模块进行上变频。

射频收发机结构如图2所示。AD9361芯片板卡AD-FMCOMMS3通过FMC插口与基于Xilinx ZynqTM-7000扩展式处理平台连接[3]，完成硬件的搭建。同时通过搭建一个在ARM芯片上的嵌入式Linux系统，用SD卡驱动，调试完成后，射频收发机完成，能够实现对信号的接收、处理、发射。

图2 射频收发机结构图

图3 数字下变频结构图

2 数字变频

在无线通信系统中，为了信道的复用，信号的频率一般都很高，所以要进行频率的转换后才能进行信号的处理。频率的转换无非是两种，一种是频率的增加，叫上变频；另一种则是频率的减小，叫下变频。广播信号在收发信机中分别经过下变频和上变频，实现对信号的数字变频。

本系统采用了宽带中频带通采样软件无线电结构，将前端接收到的射频信号通过高放、混频、中放、分段滤波，从高频降到中频，经过模数转换和带通采样后进入数字信号处理器件中。数字下变频(DDC)原理框图如图3所示，可以看出本振信号(LO)由NCO(数字控制振荡器)产生，数字混频器对其进行正交解调，将接收到的中频信号下变频到零中频；接着经过数字低通滤波器进行抗混叠滤波和信号提取；最后经抽取器，降低采样率，以利于后期基带信号处理[4]。

数字上变频(DUC)原理框图如图4所示。在无线通信发射机中它是核心物理模块，主要部件为内插器以及数字振荡器[5]。基带数字信号经FIR滤波后再进入插值滤波器中，实现细致的滤波和数据速率插值处理；其中内插器通过在原始的采样间隔内增加新的采样点，从而提高信号的采样率；完成采样率的变换后，进行数字上变频，它是用数字振荡器(NCO)实现的。

图4 数字上变频结构图

本文利用AD9361接收部分中将接收到的调频广播信号通过数字下变频将射频信号变频到零中频0～21 MHz上，信号通过一个不带插值的128抽头FIR滤波器和一系列的插值滤波器，实现信号滤波和数据速率插值处理，再进行数模转换。当基带模拟信号转换为基带数字信号时，这里的信号分别是I和Q两路信号，二者又经过基带低通滤波，以移除采样伪像[6]，然后进入上变频混频器，实现I和Q信号的重新组合，并在载波频率下进行调制，调制到需要传输的频率上[7]。I、Q组合信号通过二级低通滤波器，由它们提供额外的频带整形处理，然后再将信号传输至输出放大器，实现信号发送[8]。

在Linux系统终端中确定发射信号的本振、带宽和采样率之后，实现信号频段搬移。操作如下：

对本振频率的设定：

root:/##>cat out_altvoltage0_TX_LO_frequency //查看当前本振频率

root:/##>echo 97000000

>out_altvoltage0_TX_LO_frequency //设定发射信号的本振频率从87 MHz搬到97 MHz

对带宽的设置：

root:/##>cat out_voltage_rf_bandwidth //查看当前带宽频率

root:/## >echo 21000000 >

out_voltage_rf_bandwidth //设置带宽频率为21 MHz，调频广播信号从87 MHz～108 MHz

采样频率的设定：

root:/##>cat out_voltage_sampling_frequency

//查看当前采样频率

root:/##>echo 50000000> out_voltage_sampling_frequency

//设置采样频率为50 MHz，采样频率至少是带宽的两倍

3 实现结果分析

实验实际效果的观测，本文分别利用收发信机和频谱分析仪对搬移后的信号进行接收和分析。收发信机接收空中87 MHz～108 MHz的所有调频广播信号，如图5所示。图中从左下角窗口可以读出接收到的广播信号频点，分别为P0:87.9MHz；P1:99MHz；P2:97.7 MHz；P3：91.4 MHz；P4：94.0 MHz；P5：93.4 MHz；P6:90.9 MHz；P7:89.9MHz；P8:94.7MHz；P9:101.7 MHz；P10:107.7MHz。通过数字变频将信号频率由原来的87 MHz搬移到97 MHz，控制数字模拟转换器信道和改变信道状态，实现接收到的信号的再发射。

图5 收发信机接收空中87MHz～108MHz的所有调频广播信号

收发信机接收97 MHz～118 MHz信号如图6所示，从图中可以看出，收发信机接收到了97 MHz～118 MHz内的广播信号，而如果频段没有改变，广播信号超过108 MHz以后是不能接收到的，因此说明信号的频段通过数字变频后实现了搬移。

图6 收发信机接收97MHz～118MHz信号

图7 频谱分析仪接收到的信号

频谱分析仪接收到的信号如图7所示，接收的信号起始频率为97 MHz，截止频率为119 MHz，中心频率为108 MHz，通过移动Mark光标读出接收到的信号，也可以看出信号频段实现了搬移。最后在发射端口接上发射天线，用收音机分别接收原有频段87 MHz～108 MHz中所有广播频道，并且将这些频道上调10 MHz，例如将上海广播调频信号87.9上调至没有节目的97.9频道，97.7频道的节目内容与87.9频道中的一致，切换频道没有停滞和延时，证明频段搬移成功。

4 结论

通过具体的实践操作，利用AD9361芯片接收调频广播信号，将射频信号转化为数字信号进行处理。处理后的广播信号按所要求的频段进行发射，实现了广播信号更广泛的传播。以处理器为中心的FPGA平台——Zyng平台的应用和嵌入式Linux操作系统的运用，提高了集成度和降低操作难度。AD9361将其他平台的分立式器件集成到一块芯片上，大大提高了系统的稳定性和集成度。

本文采用的数字中继技术不仅仅局限于对调频广播的应用，只要在AD9361的工作频率范围70 MHz～6 GHz内的任意信号，都可以进行接收、发射和数字处理，具有广泛的应用前景。

[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] ADI.RF捷变收发器[EB/OL].[2014-11-6](2015-09-01).http://www.analog.com/static/importedfiles/zh/data_sheets/AD9361_cn.pdf.

[3] 陆佳华，潘祖龙，鹏竞宇.嵌入式系统硬件协同设计实战指南：基于Xilinx ZYNQ[M].北京:机械工业出版社，2014.

[4] 宋飞.基于 FPGA 的数字中频处理技术研究[D].西安：西安电子科技大学，2007.

[5] 阎毅，贺鹏飞.软件无线电与认知无线电概论[M].北京:电子工业出版社，2013.

[6] AD9361 RF and BB PLL Synthesizer User Guide[EB/OL].[2014-11-6](2015-09-01).http://www.analog.com/media/en/technical-documentation/user-guides/AD9361_Reference_Manual_UG-570.pdf.

[7] 张从力,史记征.扩频技术在矿井透地通信系统中的应用与仿真[J].微型机与应用,2013,32(1):51-53,56.

[8] 盖鹏翱,郑世刚.基于AD9957的通用数字调制器[J].微型机与应用,2013,32(2):23-26.

唐俊(1990-),男，硕士，主要研究方向：软件无线电和现代通信技术。

范红(1976-)，女，博士，副教授，主要研究方向：光电信息获取与处理。

严杰(1972-)，男，学士，高级工程师，主要研究方向：广播信号中继传输的数字化处理。

The application of wireless FM radio signal digital repeater based on AD9361

Tang Jun1, Fan Hong1,2, Yan Jie3, Ni Lin1,2, Cao Ailing1

(1.College of Information Science and Technology, Donghua University, Shanghai 201620,China;2.Engineering Research Center of Digitized Textile & Fashion Technology, Ministry of Education, Donghua University, Shanghai 201620, China;3.Oriental Pearl Co., Ltd., Shanghai 200052, China)

This paper uses radio frequency agile transceivers AD9361 to receive FM radio signals, and RF signal can be converted to digital signal to process. After processing the broadcast signal, in accordance with the requirements of the emission spectrum, it realizes radio signal more widely spread. Compared with traditional communication system that the change of the spectrum is the use of analog circuits, and each circuit can only correspond to a fixed band, wireless digital repeater has better flexibility and versatility.

FM broadcasting; digital repeater; SDR; AD9361

TN93

A

1674-7720(2016)04-0098-03

唐俊,范红,严杰，等．AD9361在无线通信数字中继器中的应用[J] .微型机与应用，2016，35(4)：98-100，103.

2015-09-22)