一種基于軟件無線電的通用調(diào)制器的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

摘  要: 介紹一種基于軟件無線電的通用調(diào)制器的設(shè)計(jì)方法,給出了總體設(shè)計(jì)方案,說明了系統(tǒng)功能在DSP與FPGA之間的劃分及系統(tǒng)的工作流程,關(guān)鍵部分的硬件實(shí)現(xiàn)方法和軟件設(shè)計(jì),給出了測(cè)量結(jié)果。

關(guān)鍵詞: 軟件無線電  調(diào)制器  數(shù)字上變頻器

　　上世紀(jì)90年代發(fā)展起來的軟件無線電SDR(Software Radio/Software-Defined Radio)的基本思想是:構(gòu)造一個(gè)具有開放性、標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的通用硬件平臺(tái),將各種功能用軟件完成。這是一種全新的思想,它一經(jīng)提出就受到了廣泛的重視。但是,到目前為止,各國(guó)對(duì)軟件無線電的研究還非常有限。由于軟件無線電實(shí)現(xiàn)的前提是高度數(shù)字化,而現(xiàn)階段的器件水平還不能達(dá)到要求,同時(shí)軟件無線電的設(shè)計(jì)還缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn),因而只能利用軟件無線電的思想,根據(jù)系統(tǒng)要求,對(duì)其結(jié)構(gòu)適當(dāng)調(diào)整,進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

　　本文采用可編程器件和專用器件相結(jié)合的設(shè)計(jì)方法和分層的設(shè)計(jì)思想,給出了一種基于軟件無線電的通用調(diào)制器的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方法,并給出了系統(tǒng)的測(cè)試結(jié)果。

　　1 總體設(shè)計(jì)方案

　　1.1 總體方案框圖

　　通用調(diào)制器總體方案框圖如圖1所示。

　　系統(tǒng)使用的主要器件有四個(gè):通用DSP、可編程邏輯器件(FPGA)、可編程數(shù)字上變頻器和D/A變換器。其中的兩個(gè)主要芯片:通用DSP和FPGA均為通用可編程器件。這樣,在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí),存在著通用器件的功能定義問題。為了使系統(tǒng)的功能在器件之間進(jìn)行合理的分配,充分、有效地利用芯片資源,并使系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、清晰,在軟件無線電體系結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上采用了分層的設(shè)計(jì)方法,將系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分為三層:接口層、配置層和處理層。

　　(1)接口層

　　接口層用來與外界通信,控制整個(gè)系統(tǒng)的工作模式。接口采用DSP的主機(jī)并口(HPI)。圖1所示的外部控制器為PC機(jī),即PC機(jī)的并口與DSP的HPI口相連并通信,將系統(tǒng)工作模式的控制參數(shù)傳遞給DSP。需要指出:任意帶并口通信方式的器件或儀器均可代替PC機(jī),控制系統(tǒng)的工作模式。

　　(2)配置層

　　配置層用來給處理層配置參數(shù),由通用DSP完成。DSP根據(jù)其主機(jī)并口接收到的控制參數(shù)調(diào)用相應(yīng)的程序,計(jì)算出配置層所需要的各個(gè)參數(shù)值,并產(chǎn)生相應(yīng)的時(shí)序信號(hào),將計(jì)算結(jié)果配置給可編程器件FPGA和數(shù)字上變頻器。

　　(3)處理層

　　處理層由FPGA、數(shù)字上變頻器和D/A轉(zhuǎn)換器組成。當(dāng)FPGA和數(shù)字上變頻器的參數(shù)配置完后,處理層脫離配置層單獨(dú)工作。由FPGA產(chǎn)生對(duì)應(yīng)特定比特流、特定調(diào)制方式的I、Q信號(hào),并產(chǎn)生特定的時(shí)序信號(hào)將I、Q信號(hào)寫入數(shù)字上變頻器完成調(diào)制過程,再由D/A轉(zhuǎn)換器將數(shù)字信號(hào)變?yōu)槟M已調(diào)信號(hào)輸出。

　　1.2 系統(tǒng)的工作過程

　　系統(tǒng)的工作過程和圖2所示。

　　系統(tǒng)的初始狀態(tài)是DSP等待主機(jī)接口(HPI)中斷。當(dāng)DSP接收到主機(jī)接口中斷后,調(diào)用中斷程序。這個(gè)中斷程序?qū)⑹笵SP執(zhí)行以下幾步:

　　(1)首先將DSP的XF腳置高,這個(gè)信號(hào)變低可以使處理層退出工作狀態(tài),進(jìn)入?yún)?shù)配置狀態(tài),同時(shí)放棄總線,并使DSP獲得總線控制權(quán);

　　(2)DSP從主機(jī)并口接收控制系統(tǒng)工作模式的有關(guān)參數(shù);

　　(3)DSP計(jì)算處理層需要的各項(xiàng)參數(shù);

　　(4)DSP將參數(shù)寫入處理層相應(yīng)的地址;

　　(5)DSP將XF腳置低,放棄總線控制權(quán),并使處理層接管總線,進(jìn)入工作狀態(tài)。

　　(6)DSP重新進(jìn)入等待主機(jī)接口中斷狀態(tài)。系統(tǒng)隨時(shí)可以根據(jù)需要改變工作模式,重新配置參數(shù)。

　　2 硬件實(shí)現(xiàn)

　　系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單,與總體方案框圖的結(jié)構(gòu)基本相同。主要器件有:TI公司的DSP芯片TMS320VC5402、ALTERA公司的FPGA芯片EPF10K30RC240、HARRIS公司的數(shù)字上變頻器HSP50215和D/A轉(zhuǎn)換器HI5741。

　　2.1 接口設(shè)計(jì)

　　本設(shè)計(jì)充分考慮了系統(tǒng)與外界接口的設(shè)計(jì),使系統(tǒng)具有很好的開放性和靈活性。

　　TMS320VC5402的8-bit并行主機(jī)接口包含了許多控制信號(hào)線,使得它可以通過兩個(gè)觸發(fā)器與25針的并口直接相連。外部的設(shè)備或器件可以通過這個(gè)并口方便地控制系統(tǒng)的工作模式和狀態(tài)。

　　在EPF10K30的內(nèi)部邏輯設(shè)計(jì)中,有一個(gè)隨機(jī)比特流產(chǎn)生模塊,在這個(gè)模塊中也設(shè)計(jì)了比特流信號(hào)的輸入接口,使系統(tǒng)既可以對(duì)自身產(chǎn)生的比特流進(jìn)行調(diào)制,也可以對(duì)外部輸入的比特流進(jìn)行調(diào)制。

　　另外,在EPF10K30和HSP50215的參考時(shí)鐘輸入引腳也設(shè)計(jì)了外部接口,通過這些接口可以用外部時(shí)鐘信號(hào)方便地控制系統(tǒng)工作的參考時(shí)鐘,適應(yīng)用戶的需求。

　　2.2 總線控制

　　總線控制包括兩個(gè)方面:總線的電平轉(zhuǎn)換和總線控制權(quán)交接。

　　由于HSP50215和EPF10K30均為+5V TTL器件,而TMS320VC5402的管腳為+3V TTL電平,因而需要進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。所使用的芯片為帶三態(tài)輸出的電平轉(zhuǎn)換芯片SN74LS16244和SN74LS16245。前者為單向芯片,用于地址總線;后者為雙向芯片,用于數(shù)據(jù)總線。

　　從圖1可以看出,系統(tǒng)某些信號(hào)線存在著復(fù)用的問題。這些信號(hào)線包括:HSP50215的數(shù)據(jù)、地址總線和寫控制信號(hào)線WR。它們同時(shí)與DSP和FPGA的相應(yīng)信號(hào)線相連,因此必須要處理好總線沖突問題。圖3為總線控制電路設(shè)計(jì)。

　　由圖3可以看到,DSP的XF、HOLDA和HOLD信號(hào)作為握手信號(hào)與EPF10K30中的總線控制模塊相連。其中XF是TMS320VC5402的外部標(biāo)志信號(hào),可以用指令“SSBX XF”或“RSBX XF”將其置高或置低。當(dāng)DSP放棄總線時(shí),將XF置低,此時(shí)FPGA將HOLD置低,使DSP進(jìn)入HOLD狀態(tài),當(dāng)HOLDA也變低后,FPGA占用總線。當(dāng)DSP要回總線時(shí),將XF置高,此時(shí)FPGA立即放棄總線,同時(shí)將HOLD腳置高,使DSP退出HOLD狀態(tài)。另外,DSP的HOLD信號(hào)的非信號(hào)與總線電平轉(zhuǎn)換芯片的使能信號(hào)相連。這樣可以保證不存在總線沖突問題。HSP50215的寫控制信號(hào)WR也做類似的處理。

　　3 軟件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包括兩大部分:FPGA的內(nèi)部邏輯和控制設(shè)計(jì)以及系統(tǒng)的參數(shù)計(jì)算和配置。FPGA的內(nèi)部設(shè)計(jì)主要完成從基帶比特流信號(hào)產(chǎn)生一直到對(duì)應(yīng)不同調(diào)制方式、不同信息比特、不同碼速率的I、Q信號(hào)的產(chǎn)生,另外還包括總線控制邏輯和片選信號(hào)產(chǎn)生等。

　　系統(tǒng)的參數(shù)包括三個(gè)部分:傳送到DSP的HPI口的系統(tǒng)工作模式控制參數(shù)、FPGA的內(nèi)部參數(shù)、數(shù)字上變頻器的參數(shù)。系統(tǒng)的參數(shù)結(jié)構(gòu)可以用圖4表示。

　　系統(tǒng)的工作模式控制參數(shù)主要有如下三個(gè):調(diào)制方式、基帶比特流速率和載波頻率。這三個(gè)參數(shù)由外部控制器通過并口傳遞給DSP的HPI口。它們處在最頂層,是確定下層各個(gè)參數(shù)的基本依據(jù)。

　　FPGA內(nèi)部參數(shù)也有三個(gè):基帶比特流速率與FPGA參考時(shí)鐘頻率的比值、基帶比特流串并轉(zhuǎn)換的位數(shù)和IQ信號(hào)在查找表中的起始地址。這三個(gè)參數(shù)分別由基帶比特流速率和調(diào)制方式?jīng)Q定。

　　成形濾波器參數(shù)對(duì)于根升余弦或升余弦濾波器而言也有如下三個(gè):滾將系數(shù)α、內(nèi)插倍數(shù)IP和跨越的碼元周期數(shù)目DS。這三個(gè)參數(shù)是中間參數(shù),它們并不會(huì)直接配置到數(shù)字上變頻器中,而是計(jì)算成形濾波器系數(shù)的參數(shù)。根據(jù)系統(tǒng)的工作模式控制參數(shù),可以確定最佳的成形濾波器參數(shù)。

　　數(shù)字上變頻器參數(shù),即HSP50215的內(nèi)部參數(shù),數(shù)目比較多,包括:重采樣頻率高、低位控制字;載波頻率高、低位控制字;調(diào)制方式控制字;增益控制字;FIFO深度控制字;成形濾波多項(xiàng)式控制字(包括DS和IP);復(fù)位控制字;同步啟動(dòng)控制字以及I、Q兩路各256個(gè)成形濾波器系數(shù)。總共需要配置的參數(shù)為522個(gè)。這些參數(shù)分別根據(jù)系統(tǒng)的工作模式參數(shù)和成形濾波器參數(shù)確定。

　　正確計(jì)算出上述各個(gè)參數(shù),并正確地配置到芯片EPF10K30和HSP50215內(nèi)部,就可以得到正確的已調(diào)信號(hào)。

　　4 測(cè)量結(jié)果

　　本次實(shí)驗(yàn)用實(shí)時(shí)頻譜分析儀TEK3086對(duì)系統(tǒng)所產(chǎn)生的各種已調(diào)信號(hào)進(jìn)行了觀測(cè),圖5給出部分觀測(cè)結(jié)果,包括BPSK、QPSK、8PSK和GMSK。

　　圖5中各種已調(diào)信號(hào)的基帶I、Q信號(hào)的符號(hào)速率均為5ksps,載波頻率均為1MHz。每個(gè)圖中又包含四個(gè)小圖。左上角為中頻信號(hào)的頻譜圖;右上角為星座圖;左下角為I路信號(hào)的眼圖;右下角為Q路信號(hào)的眼圖。眼圖的張開度以及星座圖中各個(gè)矢量點(diǎn)的離散程度(矢量幅度誤差的大小),表明了系統(tǒng)碼間干擾和噪聲的大小,也是衡量調(diào)制器性能的兩個(gè)重要參數(shù)。圖5(a)、(b)、(c)采用根升余弦成形濾波器,內(nèi)插倍數(shù)IP=16,跨越的碼元周期數(shù)目DS=4,滾降系數(shù)分別為:0.5、0.7和0.7。圖5(d)采用高斯成形濾波器,IP=16,DS=5,BT=0.3。比較這四個(gè)圖可知:BPSK和GMSK已調(diào)信號(hào)的眼圖張開度最大,矢量幅度誤差最小,信號(hào)性能最好,QPSK信號(hào)次之,8PSK信號(hào)眼圖張開度最小,矢量幅度誤差最大,與理論分析一致。從測(cè)量的結(jié)果來看,系統(tǒng)具有較好的性能,有一定的實(shí)用價(jià)值。

　　實(shí)驗(yàn)證明這種基于軟件無線電的多功能調(diào)制器的總體方案以及內(nèi)部的軟、硬件設(shè)計(jì)是正確和可行的,系統(tǒng)具有良好的開放性、通用性和可擴(kuò)展性,得到的已調(diào)信號(hào)性能良好。

　　根據(jù)系統(tǒng)的工作模式要求,計(jì)算出最優(yōu)的處理層參數(shù),就會(huì)得到性能最佳的已調(diào)信號(hào)。此外,如果在D/A后面再加一級(jí)放大電路,增大信號(hào)的發(fā)射功率,輸出的已調(diào)信號(hào)會(huì)有更好的性能。

　　參考文獻(xiàn)

　　1 楊小牛,樓才義. 軟件無線電原理與應(yīng)用. 北京:電子工業(yè)出版社,2001

　　2 曹志剛,錢亞生. 現(xiàn)代通信原理.北京:清華大學(xué)出版社,1992

　　3 宋萬杰,羅豐,吳順君. CPLD技術(shù)及其應(yīng)用. 西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2000

　　4 HSP50215 DATA SHEET.Harris Semiconductor. June,1997