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一種基于軟件無線電的通用調制器的設計和實現(xiàn)
摘要：介紹一種基于軟件無線電的通用調制器的設計方法，給出了總體設計方案，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，關鍵部分的硬件實現(xiàn)方法和軟件設計，給出了測量結果。關鍵詞：軟件無線電調制器數(shù)字上變頻器
上世紀９０年代發(fā)展起來的軟件無線電ＳＤＲ（ＳｏｆｔｗａｒｅＲａｄｉｏ／Ｓｏｆｔｗａｒｅ－ＤｅｆｉｎｅｄＲａｄｉｏ）的基本思想是：構造一個具有開放性、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，根據系統(tǒng)要求，對其結構適當調整，進行系統(tǒng)設計。
本文采用可編程器件和專用器件相結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制器的設計和實現(xiàn)方法，并給出了系統(tǒng)的測試結果。
１總體設計方案
�。保笨傮w方案框圖
通用調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構的基礎上采用了分層的設計方法，將系統(tǒng)的結構分為三層：接口層、配置層和處理層。
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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。
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配置層用來給處理層配置參數(shù)，由通用ＤＳＰ完成。ＤＳＰ根據其主機并口接收到的控制參數(shù)調用相應的程序，計算出配置層所需要的各個參數(shù)值，并產生相應的時序信號，將計算結果配置給可編程器件ＦＰＧＡ和數(shù)字上變頻器。
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處理層由ＦＰＧＡ、數(shù)字上變頻器和Ｄ／Ａ轉換器組成。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產生對應特定比特流、特定調制方式的Ｉ、Ｑ信號，并產生特定的時序信號將Ｉ、Ｑ信號寫入數(shù)字上變頻器完成調制過程，再由Ｄ／Ａ轉換器將數(shù)字信號變?yōu)槟M已調信號輸出。
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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，調用中斷程序。這個中斷程序將使ＤＳＰ執(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)，進入參數(shù)配置狀態(tài)，同時放棄總線，并使ＤＳＰ獲得總線控制權；
�。ǎ玻模樱袕闹鳈C并口接收控制系統(tǒng)工作模式的有關參數(shù)；
�。ǎ常模樱杏嬎闾幚韺有枰母黜梾�(shù)；
（４）ＤＳＰ將參數(shù)寫入處理層相應的地址；
�。ǎ担模樱袑ⅲ兀颇_置低，放棄總線控制權，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)隨時可以根據需要改變工作模式，重新配置參數(shù)。
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系統(tǒng)的硬件結構比較簡單，與總體方案框圖的結構基本相同。主要器件有：ＴＩ公司的ＤＳＰ芯片
�。裕停樱常玻埃郑茫担矗埃�、ＡＬＴＥＲＡ公司的ＦＰＧＡ芯片ＥＰＦ１０Ｋ３０ＲＣ２４０、ＨＡＲＲＩＳ公司的數(shù)字上變頻器ＨＳＰ５０２１５和Ｄ／Ａ轉換器ＨＩ５７４１。
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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。
�。裕停樱常玻埃郑茫担矗埃驳模福猓椋舨⑿兄鳈C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的內部邏輯設計中，有一個隨機比特流產生模塊，在這個模塊中也設計了比特流信號的輸入接口，使系統(tǒng)既可以對自身產生的比特流進行調制，也可以對外部輸入的比特流進行調制。
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。
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總線控制包括兩個方面：總線的電平轉換和總線控制權交接。
由于ＨＳＰ５０２１５和ＥＰＦ１０Ｋ３０均為＋５ＶＴＴＬ器件，而ＴＭＳ３２０ＶＣ５４０２的管腳為＋３ＶＴＴＬ電平，因而需要進行電平轉換。所使用的芯片為帶三態(tài)輸出的電平轉換芯片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、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“ＳＳＢＸＸＦ”或“ＲＳＢＸＸＦ”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。
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系統(tǒng)的軟件設計包括兩大部分：ＦＰＧＡ的內部邏輯和控制設計以及系統(tǒng)的參數(shù)計算和配置。ＦＰＧＡ的內部設計主要完成從基帶比特流信號產生一直到對應不同調制方式、不同信息比特、不同碼速率的Ｉ、Ｑ信號的產生，另外還包括總線控制邏輯和片選信號產生等。
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的內部參數(shù)、數(shù)字上變頻器的參數(shù)。系統(tǒng)的參數(shù)結構可以用圖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。
ＦＰＧＡ內部參數(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制方式決定。
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內部，就可以得到正確的已調信號。
�。礈y量結果
本次實驗用實時頻譜分析儀ＴＥＫ３０８６對系統(tǒng)所產生的各種已調信號進行了觀測，圖５給出部分觀測結果，包括ＢＰＳＫ、ＱＰＳＫ、８ＰＳＫ和ＧＭＳＫ。
圖５中各種已調信號的基帶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（矢量幅度誤差的大小），表明了系統(tǒng)碼間干擾和噪聲的大小，也是衡量調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制器的總體方案以及內部的軟、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，得到的已調信號性能良好。
根據系統(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，輸出的已調信號會有更好的性能。
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