新型直接數(shù)字下變頻器件AD6654在VHF跳頻電臺(tái)中的應(yīng)用

摘要：介紹了新型高性能直接數(shù)字下變頻（DDC）器件AD6654的主要特性，并以AD公司16位高性能信號(hào)處理器ADSP-BF533為核心，采用AD6654和數(shù)字上變頻（DUC）器件AD9857成功地實(shí)現(xiàn)了VHF跳頻電臺(tái)的發(fā)射和接收。著重?cái)⑹隽薃DSP-BF533對(duì)AD6654進(jìn)行控制的三種方式：微型口（Microport）控制方式、串行外設(shè)接口（SPI）控制方式和同步串口（Sport）控制方式，最后給出了以串行外設(shè)接口進(jìn)行數(shù)字下變頻控制，從ADSP-BF533異步外設(shè)接口讀取AD6654并行端口數(shù)據(jù)的電路設(shè)計(jì)方案。實(shí)測(cè)結(jié)果表明：設(shè)計(jì)電路性能穩(wěn)定，測(cè)試結(jié)果令人滿(mǎn)意。 關(guān)鍵詞：直接數(shù)字下變頻 AD6654 ADSP-BF533 快跳頻 分集合并 1 AD6654主要特性簡(jiǎn)介 AD6654是AD公司于2004年推出的一款新型DDC器件，主要特性如下： *片內(nèi)集成有14位92.16MSPS ADC *中頻采樣速率達(dá)到200MHz *內(nèi)部2.4V參考電壓，模擬輸入信號(hào)峰-峰值2.2V *模擬信號(hào)以差分方式輸入，具有跟蹤、保持性能 *可同時(shí)處理4/6路寬帶載波信號(hào)圖1*具有可編程的抽取FIR濾波器、半帶寬插值濾波器和96dB動(dòng)態(tài)范圍的可編程AGC *三個(gè)16位可配置的并行輸出端口，工作時(shí)鐘達(dá)到200MHz *8/16位微型號(hào)、串行外設(shè)接口、同步串口控制接口，可以與大多數(shù)符合上述標(biāo)準(zhǔn)的接口相連接 AD6654的應(yīng)用領(lǐng)域主要有： *多載波、多模式數(shù)字接收機(jī) *GSM/EDGE/PHS/UMTS/WCDMA/COMA2000/TD-SCDMA *微小區(qū)系統(tǒng)、軟件無(wú)線(xiàn)電、智能天線(xiàn)系統(tǒng)、無(wú)線(xiàn)電話(huà) *寬帶數(shù)據(jù)應(yīng)用、儀器測(cè)試設(shè)備等圖22 VHF戰(zhàn)術(shù)跳頻電臺(tái)設(shè)計(jì) VHF工作頻率在30MHz～300MHz之間，這一頻段是軍事通信的重要頻段。當(dāng)前代表戰(zhàn)術(shù)跳頻電臺(tái)最高水平的是美國(guó)Harris公司生產(chǎn)的FALCON II多系列戰(zhàn)術(shù)電臺(tái)，其工作頻率在1.6MHz～512MHz之間，能夠?qū)崿F(xiàn)HF、VHF、UHF頻帶跳頻通信，既有單人可攜帶的電臺(tái)又有手持式移動(dòng)終端，并且支持包括地面對(duì)地面、地面對(duì)空中、地面對(duì)衛(wèi)星等多種戰(zhàn)術(shù)通信方式。其中的RF-5800V-MP單人可攜帶電臺(tái)，工作頻率在30MHz～108MHz之間，發(fā)射功率50W，語(yǔ)音采用FSK調(diào)制，數(shù)字語(yǔ)音速率達(dá)到16kbps，傳輸數(shù)據(jù)時(shí)采用格型編碼（TCM），能實(shí)現(xiàn)最高數(shù)據(jù)傳輸速率64kbps，同時(shí)具有同步、異步跳頻組網(wǎng)通信的能力。FALCON II電臺(tái)還能提供公用電話(huà)網(wǎng)和Internet IP接入服務(wù)，能夠提供語(yǔ)音、圖像、數(shù)據(jù)、無(wú)線(xiàn)電子郵件等服務(wù)功能?？梢灶A(yù)見(jiàn)：高速跳頻、高速數(shù)據(jù)傳輸和可靠的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)功能是跳頻通信的主要發(fā)展方向。 本跳頻電臺(tái)以AD公司開(kāi)發(fā)的Blackfin系列高性能16位定點(diǎn)DSP的ADSP-BF533為核心，采用直接數(shù)字上變頻器件（AD9857）和直接數(shù)字下變頻器件（AD6654）實(shí)現(xiàn)快跳頻，跳速達(dá)到6000跳/秒，可以傳輸語(yǔ)音和數(shù)據(jù)。 系統(tǒng)主要參數(shù)如下： *信息速率 語(yǔ)音信號(hào)采用AMBE2000標(biāo)準(zhǔn)編碼，信息速率4kbps，數(shù)據(jù)信息速率64kbps *信道速率 6kbps、96kbps *FEC碼型 （2，1，6）型卷積編碼，生成多項(xiàng)式[133 171]，刪除后碼率為2/3 *跳頻速率 6000跳/秒 *調(diào)制制式 非相干8FSK *信道間隔 56kHz *跳頻序列 41位gold碼序列 *頻點(diǎn)數(shù) 64、128、256 *系統(tǒng)帶寬 50MHz *射頻 30MHz～80MHz本系統(tǒng)在快跳頻中曾綜合考慮了多種非線(xiàn)性分集合并技術(shù)：自適應(yīng)增益控制（AGC）合并、自歸一化合并（SNORM）、夾斷分集合并（CDC）、比率統(tǒng)計(jì)合并（RS）。其中AGC合并性能最好，但實(shí)現(xiàn)最難，其它幾種實(shí)現(xiàn)較容易。最終在語(yǔ)音部分，系統(tǒng)采用每個(gè)碼三個(gè)chip和自歸一化分集合并技術(shù)。該方法性能次佳，復(fù)雜度最低，可以顯著降低誤比特率。 以ADSP-BF533處理器為核心構(gòu)成的快速跳頻電臺(tái)系統(tǒng)框圖如圖1和圖2所示。 在發(fā)送部分：ADSP-BF533對(duì)數(shù)據(jù)完成編碼、交織、偽隨機(jī)碼生成以及8FSK調(diào)制，經(jīng)過(guò)數(shù)字上變頻器件AD9857生成跳頻發(fā)射信號(hào)。ADSP-BF533以6000次/秒的頻率更新AD9857輸出的跳變信號(hào)。用GOLD序列產(chǎn)生一組偽隨機(jī)碼，然后以此偽隨機(jī)碼產(chǎn)生一組跳變頻點(diǎn)，再與8FSK調(diào)制信息相結(jié)合，采用跳頻數(shù)字調(diào)制方法，得到正弦波振蕩輸出。 在接收部分：接收射頻信號(hào)經(jīng)過(guò)AD6654后直接變換到基帶，以16位方式并行輸出。首先ADSP-BF533控制AD6654在一個(gè)定頻上等待同步頭，進(jìn)入DSP同步擁獲程序；一旦捕獲到同步信號(hào)，DSP即啟動(dòng)跳頻碼序列發(fā)生器，控制查詢(xún)跳頻圖案表產(chǎn)生DDS控制字，由該控制字查詢(xún)預(yù)先存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中的正弦表，產(chǎn)生與發(fā)射機(jī)同步跳變的載波信號(hào)。待跳頻同步后，將跳頻的基帶FSK信號(hào)解調(diào)出來(lái)，然后進(jìn)行解交織，并經(jīng)維特比譯碼后輸出信息。上述跳頻同步跟蹤以及信道譯碼過(guò)程均在ADSP-BF533中完成。圖63 ADSP-BG533與AD6654的幾種連接方式 AD6654具有8/16位微型口、串行外設(shè)接口、同步串口控制接口，頻率控制字可以通過(guò)上述三種方式寫(xiě)入，但同一時(shí)刻只能采用一種方式進(jìn)行控制。AD6654的微型口可以工作在兩種不同模式下：Intel模式（MODE=0，SMODE=0）和Motorola模式（MODE=1，SMODE=0）。Intel模式采用獨(dú)立的讀/寫(xiě)低有效使能信號(hào)控制讀寫(xiě)操作，Motorola模式采用單一的R/W信號(hào)控制讀寫(xiě)操作，AD6654設(shè)置上述兩種模式可以靈活地與多種微處理器實(shí)現(xiàn)無(wú)縫連接。 圖3、圖4、圖5分別為ADSP-BF533通過(guò)串行外設(shè)接口、同步串口、微型口與AD6654進(jìn)行連接的典型方式。其中，ADSP-BF533是主設(shè)備，AD6654是從設(shè)備。 在圖3中，ADSP-BF533的SCK是輸出時(shí)鐘；SPISS是主設(shè)備從設(shè)備選擇信號(hào)，SPISS置低使能ADSP-BF533為從設(shè)備，SPISS置高使能ADSP-BF533為主設(shè)備，在這里ADSP-BF533作為主設(shè)備使用，因此置為高電平，接VDD（3.3V）；MOSI是主設(shè)備輸出/從設(shè)備輸入引腳，在這里作為發(fā)送數(shù)據(jù)引腳；MISO是主設(shè)備輸入/從設(shè)備輸出引腳，在這里作為數(shù)據(jù)輸入引腳；通用I/O引腳PF2作為片選信號(hào)，與AD6654片選信號(hào)/SCS相連。AD6654的SDI是串行數(shù)據(jù)輸入線(xiàn)，SDO是串行數(shù)據(jù)輸出線(xiàn)，SCLK是時(shí)鐘信號(hào)，STFS和SRFS分別是發(fā)送和接收幀同步信號(hào)，置為低電平，接GND，即默認(rèn)為已同步。 在圖4中，ADSP-BF533的SCK是輸出時(shí)鐘，TFS、RFS是發(fā)送和數(shù)據(jù)收的幀同步信號(hào)，DT和DR分別是發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)。AD6654的SCLK是時(shí)鐘輸入信號(hào)，STFS和SRFS分別是發(fā)送和接收的幀同步信號(hào)，它們的引腳分別與ADSP-BF533的RFS、TFS引腳相連，SDO和SDI分別是輸出和輸入的數(shù)據(jù)。ADSP-BF533的通用I/O信號(hào)PF2作為片選信號(hào)，其引腳與AD6654的片選信號(hào)/SCS引腳相連。在圖5中，ADSP-BF533通過(guò)外部總線(xiàn)接口單元（EBIU）與AD6654相連。在ADSP-BF533中，CLKOUT是輸出時(shí)鐘信號(hào)，AMS[3]是異步存儲(chǔ)器選擇信號(hào)，AWE和ARE是異步存儲(chǔ)器寫(xiě)使能和讀使能信號(hào)，ABE[1：0]是字節(jié)使能信號(hào)（沒(méi)有使用），D[15：0]是16位數(shù)據(jù)信號(hào)，ADDR[8：1]是地址信號(hào)。在AD6654中，CPUCLK是微型口的時(shí)鐘輸入信號(hào)，CSn是片選信號(hào)，RDn和WRn分別是讀和寫(xiě)信號(hào)。 通過(guò)微型口、串行外設(shè)接口以及同步串口，ADSP-BF533可以訪問(wèn)AD6654的內(nèi)部寄存器，直接查詢(xún)下變頻的輸出結(jié)果，但無(wú)法確定數(shù)據(jù)何時(shí)開(kāi)始更新，因此對(duì)于跳頻通信而言，下變頻后的數(shù)據(jù)需要從并行輸出口實(shí)時(shí)輸出。考慮到ADSP-BF533的特點(diǎn)，本系統(tǒng)采用串行外設(shè)接口控制AD6654和16位并行接口輸出數(shù)據(jù)的方式完成從射頻到基帶信號(hào)的轉(zhuǎn)換。 4 ADSP-BF533與AD6654的16位并行輸出端口的連接 AD6654具有三個(gè)16位可配置的并行輸出端口，即A、B、C端口，可以工作在主從兩種模式，I/Q數(shù)據(jù)可以選擇交織或并行方式輸出，數(shù)據(jù)位數(shù)可以選擇8位或16位方式，自動(dòng)增益（AGC）控制字可以選擇是否輸出。圖6是AD6654從模式8位并行I/Q輸出時(shí)序圖。圖中，PCLKn是AD6654的輸入時(shí)鐘信號(hào)，PxACK是并行口確認(rèn)信號(hào)，PxREQ是并行口請(qǐng)求信號(hào)，Px[15:0]是并行輸出端口數(shù)據(jù)，PXIQ是并行端口I/Q數(shù)據(jù)標(biāo)記信號(hào)（高電平表示I路數(shù)據(jù)，低電平表示Q路數(shù)據(jù)），PXCH[2：0]是輸出端口信道標(biāo)記信號(hào)，PXGAIN是并行口AGC輸出標(biāo)記信號(hào)。AD6654并行輸出口與ADSP-BF533異步外設(shè)接口的連接方法如圖7所示。 在圖7中，CLKOUT是ADSP-BF533的輸出時(shí)鐘信號(hào)，由內(nèi)部主時(shí)鐘分頻產(chǎn)生，送到AD6654的時(shí)鐘PCLK輸入端。在該電路板初始化時(shí)，首先向ADSP-BF533控制寄存器寫(xiě)入命令，使得ADSP-BF533讀取數(shù)據(jù)時(shí)的插入等狀態(tài)為零，與AD6654工作時(shí)序完全匹配。在AD6654完成數(shù)字下變頻時(shí)，向ADSP-BF533發(fā)出讀取請(qǐng)求信號(hào)PCREQ，該信號(hào)在高電平時(shí)有效，通過(guò)ADSP-BF533的能家長(zhǎng)I/O管腳PF15產(chǎn)生中斷，由中斷服務(wù)程序完成8位I/Q數(shù)據(jù)的讀取。圖中AOE是ADSP-BF533的異步存儲(chǔ)器輸出使能信號(hào)，該信號(hào)為低時(shí)表示讀周期開(kāi)始，AMS[3]、AOE經(jīng)過(guò)或非門(mén)產(chǎn)生確認(rèn)信號(hào)，送往AD6654的PCACK管腳，同時(shí)它的反射信號(hào)送往SN74F245的使能端G。AMS[3]是ADSP-BF533的異步存儲(chǔ)器選擇信號(hào)，（ADSP-BF533共有四塊異步存儲(chǔ)區(qū)，AMS[3]選擇0x2030000～0x203FFFFF地址單元空間）；ARE是ADSP-BF533的異步存儲(chǔ)器讀信號(hào)，ABE[0]/ABE[1]是字節(jié)使能輸出信號(hào)，上述四個(gè)信號(hào)經(jīng)或非電路產(chǎn)生SN74F245的讀控制信號(hào)DIR。為簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，ADSP-BF533的地址線(xiàn)ADDR[19：1]沒(méi)有參與譯碼。5 AD6654電路板實(shí)測(cè)結(jié)果 在VHF跳頻電臺(tái)的研制過(guò)程中，采用AD6654作為接收機(jī)前端，省去多級(jí)混頻結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)，同時(shí)有利于高速跳頻接收機(jī)的實(shí)現(xiàn)。在調(diào)試過(guò)程中，AD6654輸入的射頻信號(hào)為調(diào)頻波，采用100kHz的正弦波對(duì)70MHz載波信號(hào)進(jìn)行FM調(diào)制，經(jīng)過(guò)AD6654下變頻處理后，得到數(shù)字基帶信號(hào)，然后對(duì)基帶信號(hào)進(jìn)行功率譜分析，處理結(jié)果如圖8所示。從測(cè)試結(jié)果看，經(jīng)AD6654處理后的信噪比達(dá)到20dB以上。在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試試驗(yàn)中，ADSP-BF533與AD6654接口板的電路工作穩(wěn)定，性能指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)要求。