一種基于軟件無線電的通用調(diào)制器的設計和實現(xiàn)

    關鍵詞：軟件無線電 調(diào)制器 數(shù)字上變頻器

上世紀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)造一個具有開放性、標準化、模塊化的通用硬件平臺，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，各國對軟件無線電的研究還非常有限。由于軟件無線電實現(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到要求，同時軟件無線電的設計還缺乏統(tǒng)一標準，因而只能利用軟件無線電的思想，根據(jù)系統(tǒng)要求，對其結(jié)構(gòu)適當調(diào)整，進行系統(tǒng)設計。

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

１ 總體設計方案

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：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)設計時，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行合理的分配，充分、有效地利用芯片資源，并使系統(tǒng)設計簡單、清晰，在軟件無線電體系結(jié)構(gòu)的基礎上采用了分層的設計方法，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，控制整個系統(tǒng)的工作模式。接口采用ＤＳＰ的主機并口（ＨＰＩ）。圖１所示的外部控制器為ＰＣ機，即ＰＣ機的并口與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，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)其主機并口接收到的控制參數(shù)調(diào)用相應的程序，計算出配置層所需要的各個參數(shù)值，并產(chǎn)生相應的時序信號，將計算結(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工作。由ＦＰＧＡ產(chǎn)生對應特定比特流、特定調(diào)制方式的Ｉ、Ｑ信號，并產(chǎn)生特定的時序信號將Ｉ、Ｑ信號寫入數(shù)字上變頻器完成調(diào)制過程，再由Ｄ／Ａ轉(zhuǎn)換器將數(shù)字信號變?yōu)?a href="http://srfitnesspt.com/analog/" target="_blank">模擬已調(diào)信號輸出。

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等待主機接口（ＨＰＩ）中斷。當ＤＳＰ接收到主機接口中斷后，調(diào)用中斷程序。這個中斷程序?qū)⑹梗模樱袌?zhí)行以下幾步：

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

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

（３）ＤＳＰ計算處理層需要的各項參數(shù)；

（４）ＤＳＰ將參數(shù)寫入處理層相應的地址；

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

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

２ 硬件實現(xiàn)

系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)比較簡單，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 接口設計

本設計充分考慮了系統(tǒng)與外界接口的設計?熏使系統(tǒng)具有很好的開放性和靈活性。

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

在ＥＰＦ１０Ｋ３０的內(nèi)部邏輯設計中，有一個隨機比特流產(chǎn)生模塊，在這個模塊中也設計了比特流信號的輸入接口，使系統(tǒng)既可以對自身產(chǎn)生的比特流進行調(diào)制，也可以對外部輸入的比特流進行調(diào)制。

另外，在ＥＰＦ１０Ｋ３０和ＨＳＰ５０２１５的參考時鐘輸入引腳也設計了外部接口，通過這些接口可以用外部時鐘信號方便地控制系統(tǒng)工作的參考時鐘，適應用戶的需求。

２．２ 總線控制

總線控制包括兩個方面：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)某些信號線存在著復用的問題。這些信號線包括：ＨＳＰ５０２１５的數(shù)據(jù)、地址總線和寫控制信號線ＷＲ。它們同時與ＤＳＰ和ＦＰＧＡ的相應信號線相連，因此必須要處理好總線沖突問題。圖３為總線控制電路設計。

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

３ 軟件設計

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

系統(tǒng)的參數(shù)包括三個部分：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：調(diào)制方式、基帶比特流速率和載波頻率。這三個參數(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，是確定下層各個參數(shù)的基本依據(jù)。

ＦＰＧＡ內(nèi)部參數(shù)也有三個：基帶比特流速率與ＦＰＧＡ參考時鐘頻率的比值、基帶比特流串并轉(zhuǎn)換的位數(shù)和ＩＱ信號在查找表中的起始地址。這三個參數(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)對于根升余弦或升余弦濾波器而言也有如下三個：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。這三個參數(shù)是中間參數(shù)，它們并不會直接配置到數(shù)字上變頻器中，而是計算成形濾波器系數(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；成形濾波多項式控制字（包括ＤＳ和ＩＰ）；復位控制字；同步啟動控制字以及Ｉ、Ｑ兩路各２５６個成形濾波器系數(shù)?？偣残枰渲玫膮?shù)為５２２個。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。

正確計算出上述各個參數(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。

４ 測量結(jié)果

本次實驗用實時頻譜分析儀ＴＥＫ３０８６對系統(tǒng)所產(chǎn)生的各種已調(diào)信號進行了觀測，圖５給出部分觀測結(jié)果，包括ＢＰＳＫ、ＱＰＳＫ、８ＰＳＫ和ＧＭＳＫ。

圖５中各種已調(diào)信號的基帶Ｉ、Ｑ信號的符號速率均為５ｋｓｐｓ，載波頻率均為１ＭＨｚ。每個圖中又包含四個小圖。左上角為中頻信號的頻譜圖；右上角為星座圖；左下角為Ｉ路信號的眼圖；右下角為Ｑ路信號的眼圖。眼圖的張開度以及星座圖中各個矢量點的離散程度（矢量幅度誤差的大?。?，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。比較這四個圖可知：ＢＰＳＫ和ＧＭＳＫ已調(diào)信號的眼圖張開度最大，矢量幅度誤差最小，信號性能最好，ＱＰＳＫ信號次之，８ＰＳＫ信號眼圖張開度最小，矢量幅度誤差最大，與理論分析一致。從測量的結(jié)果來看，系統(tǒng)具有較好的性能，有一定的實用價值。

實驗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、硬件設計是正確和可行的，系統(tǒng)具有良好的開放性、通用性和可擴展性，得到的已調(diào)信號性能良好。

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