數(shù)字中頻調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

摘要：為了實現(xiàn)MSK數(shù)字調(diào)制解調(diào)、擴頻解擴等復雜算法，設(shè)計了以TMS320C6416 DSP和Altera公司FPGAEP3SE110為核心的數(shù)字中頻調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)，并在此系統(tǒng)中成功實現(xiàn)MSK數(shù)字正交調(diào)制和MSK復相關(guān)解調(diào)等復雜運算。該系統(tǒng)的硬件架構(gòu)，對工程實踐數(shù)字中頻調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)有一定的指導意義。
關(guān)鍵詞：TMS320C6416；EP3SE110；AD9957；AD9233；MSK調(diào)制解調(diào)

    軟件無線電(SDR)是具有可重配置硬件平臺的無線設(shè)備，因為更低的成本、更大的靈活性和更高的性能，迅速成為軍事、公共安全和商用無線領(lǐng)域的事實標準。SDR基帶處理通常需要處理器和FPGA，處理器通常實現(xiàn)系統(tǒng)控制和配置功能，而FPGA實現(xiàn)大計算量信號的實時處理。因此采用DSP+FPGA的方案符合軟件無線電中的硬件可重新配置的思想。

1 電路系統(tǒng)設(shè)計
    數(shù)字中頻調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)以Ahera公司的FPGAEP3SE110為核心，來實現(xiàn)中頻調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)中MSK數(shù)字調(diào)制解調(diào)、擴頻解擴、信噪比估計和RS編譯碼等數(shù)字信號處理功能。并在其外圍加上TMS320C6416 DSP協(xié)處理器完成與信息處理器的信息處理和擴跳頻圖樣管理，采用AD9233完成模擬中頻到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換，采用AD9957將調(diào)制后的MSK數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成70 MHz的模擬中頻，系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

1．1 TMS320C6416的內(nèi)部結(jié)構(gòu)
    在本系統(tǒng)中，采用了一片TMS320C6416A8作為協(xié)處理器，處理外界接收到的各種通信消息，完成格式的轉(zhuǎn)換、信息預(yù)處理、端機運行控制，擴跳頻圖樣計算與管理等功能。TMS320C6416是TI公司推出的TMS320C6000系列中的定點的高速DSP芯片，它采用超長指令字體系結(jié)構(gòu)，CPU時鐘頻率最高可達到1 GHz時，其運算能力最高支持8條指令并行執(zhí)行，定點處理能力最高可達8 GIPS。它有64個相互獨立增強的可編程E-DMA通道，可獨立于CPU進行工作，以CPU時鐘速率進行數(shù)據(jù)吞吐。DSP在上電時根據(jù)相應(yīng)管腳的狀態(tài)確定Boot模式、工作頻率。TMS320C6416有三種上電自舉方式：No Boot引導、HPI引導與ROM引導。DSP在復位時檢測BEA[19：18]引腳電平狀態(tài)來確定采用何種Boot模。TMS320C6416T的PLL系數(shù)選擇由引腳CLKMODE1和CLKMODE0決定，復位時系統(tǒng)檢測這兩個引腳的狀態(tài)，根據(jù)這兩個引腳的狀態(tài)，決定選擇不同的PLL系數(shù)，有BY-PASS方式、×6方式、×12方式、×20方式。本板選用40MHz的外部晶振時鐘輸入，PLL的倍頻系數(shù)設(shè)為20倍，CPU的系統(tǒng)時鐘運行在800MHz。
1．2 外部存儲器
1．2．1 EMIFA與SDRAM的接口
    TMS320C6416片內(nèi)有1 MB的內(nèi)部RAM存儲器，而用于通信消息格式轉(zhuǎn)換的程序需要500 KB的存儲空間，還需要1 MB的數(shù)據(jù)存儲空間，其片內(nèi)存儲器不能滿足以上程序運行和數(shù)據(jù)處理的需要，因此電路系統(tǒng)擴展了大容量的SDRAM以存放相關(guān)的數(shù)據(jù)以及程序。
    基于以上需求，DSP外部SDRAM采用1片Micron的MT48LC8M3282 8M×32映射到EMIFA總線的CE0外部存儲空間。Micron的MT48LC8M3282是86-pin TSOP的CMOS同步DRAM，最高工作頻率(處理速度)為166MHz(5．5 ns)。SDRAM設(shè)備時鐘始終控制在CPU時鐘速率的1／6，即當CPU芯片以800 MHz運行時，SDRAM以133 MHz運行。
1．2．2 EMIFB與程序FLASH的接口
    FLASH存儲器是在EPROM和E2PROM的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種非易失性存儲器，在掉電情況下仍能保證數(shù)據(jù)不丟失，并能夠在線實施擦除和再編程操作。在TMS320C6416的應(yīng)用程序的開發(fā)中，程序代碼或數(shù)據(jù)表是要保存在FLASH或其他非易失存儲器中，以保證掉電時代碼仍在，程序在加電復位后自動運行。TMS320C6416的EMIFB通過異步接口可以支持8位FLASH配置。要實現(xiàn)TI公司TMS320C6416的外部ROM自舉，8b的ROM ／FLASH存儲器必須配置在TMS320C6416的EMIFB總線上的CE1空間。本系統(tǒng)使用的程序FLASH芯片為Spansion公司S29GL256P，該FLASH芯片是一種存儲量32M×8 b的閃速存儲器，存取時間為90 ns，能夠在線擦除，并能在大多數(shù)標準的微處理器總線上通過特殊的編碼命令序列編程。為了方便以后FPGA和DSP程序的遠端動態(tài)更新，本系統(tǒng)采用了FPGA和DSP共享FLASH的方式，當DSP收到上位機更新程序的命令后，通過更新FLASH中相應(yīng)段的內(nèi)容，來更新相應(yīng)FPGA或DSP程序。
1．2．3 EMIFA與FPGA雙口RAM的接口
    在本系統(tǒng)中，為了實現(xiàn)并行處理，需要實現(xiàn)DSP與FPGA之間的數(shù)據(jù)通信，考慮到數(shù)據(jù)交換的處理速度和軟件編譯的難易程度，本系統(tǒng)采用FPGA內(nèi)建雙口RAM的方式實現(xiàn)這一功能，具體的實現(xiàn)方式采用中斷方式，當DSP收到上位機通過高速LVDS傳來的下時隙發(fā)送數(shù)據(jù)命令后，將下一時隙要發(fā)射的數(shù)據(jù)和計算好的擴跳頻圖樣，放到與FPGA通信的發(fā)射數(shù)據(jù)單元雙口RAM內(nèi)，向FPGA內(nèi)控制模塊雙口RAM寫中斷命令，F(xiàn)PGA收到中斷后，跟據(jù)內(nèi)部的時隙控制信號，完成RS編碼，MSK數(shù)字調(diào)制，頻合控制，將基帶調(diào)制數(shù)據(jù)送給AD9957，產(chǎn)生70 MHz模擬調(diào)制信號，送給上變頻單元。當DSP收到上位機傳來的下時隙接收數(shù)據(jù)命令后，將下一時隙偽碼和跳頻圖樣計算好后，通知FPGA，F(xiàn)PGA根據(jù)AD9233采樣信號進行同步捕獲、解擴、解跳、譯碼，將解調(diào)譯碼后的信息送到與DSP通信的接收數(shù)據(jù)單元雙口RAM后，給DSP產(chǎn)成中斷信號，這個中斷信號使DSP完成一次EDMA傳輸，EDMA傳輸完成后，DSP發(fā)出中斷清除命令，并將接收到的信息報給上位機，從而完成一次完整的數(shù)據(jù)發(fā)送和接收。
1．3 FPGA模塊
    本系統(tǒng)中采用了Altera公司的StrixⅢ系列EP3SE110作為核心處理器，完成了數(shù)字中頻MSK調(diào)制解調(diào)、RS編譯碼、CRC校驗碼、信號信噪比估計、頻合控制、收發(fā)通道自檢控制、收發(fā)延時測量、TOA測量、各種時隙信號產(chǎn)生和對外600 MHz高速LVDS串行通信等功能。StrixⅢ系列FPGA是Altera公司具有全新構(gòu)架的高密度產(chǎn)品。它采用65 mm工藝，與StratixⅡ相比，器件的邏輯密度是前者的2倍，功耗降低了50％，性能提高了25％。本設(shè)計采用的EP3SE110芯片，片上LVDS總線最高速率可以達到1．25 Gb／s，該芯片集成有106 500 LE，896個18×18乘法器，16個全局時鐘網(wǎng)絡(luò)，88個等效LVDS通道，片上RAM達到9 Mb的容量。FPGA的加載方式采用FPP方式，加載時序控制由CPLD來完成。600 MHz高速LVDS采用FPGA內(nèi)部的SERDES來完成，為保證數(shù)據(jù)高效可靠的傳輸，數(shù)據(jù)傳輸采用8b10b編碼。
1．4 D／A模塊
    D／A采用AD9957。AD9957是具有18位I，Q數(shù)據(jù)通路和14位DAC的1GSPS正交數(shù)字上變頻器。它在單片上集成了高速直接數(shù)字頻率合成器(DDS)、高速14位數(shù)模轉(zhuǎn)換器、時鐘乘法器電路、數(shù)字濾波器以及其他DSP功能。AD9957有3種工作模式：正交調(diào)制模式、單頻輸出模式、插值DAC模式。
    本系統(tǒng)中MSK調(diào)制方式采用正交調(diào)制，AD9957在正交調(diào)制模式下主要設(shè)置的工作參數(shù)有時鐘倍頻、頻率控制字、內(nèi)插因子、D／A輸出增益控制等。時鐘倍頻：AD9957的系統(tǒng)時鐘頻率=輸入時鐘頻率×倍頻。系統(tǒng)的載波是由DDS提供的，其工作時鐘等于系統(tǒng)時鈍。根據(jù)抽樣與恢復定理，DDS的工作時鐘至少要兩倍于載波頻率，才有可能產(chǎn)生完整的載波信號。一般情況下，為使DDS產(chǎn)生的載波更為穩(wěn)定，其頻率要小于系統(tǒng)時鐘的40％。為了保證輸出信號的頻譜質(zhì)量，本板的800 MHz系統(tǒng)時鐘直接由時鐘綜合器產(chǎn)生。AD9957內(nèi)部鎖相環(huán)采用旁路方式，內(nèi)插濾波器系數(shù)設(shè)為5，產(chǎn)生與外部基帶調(diào)制數(shù)據(jù)同步的80 MHz時鐘PDCLK。
1．5 A／D模塊
    A／D部分的設(shè)計采用ADI公司的AD9233和差分放大器AD8352配合使用，進來的70 MHz模擬中頻信號先經(jīng)過AD8352放大后再送給AD9233進行處理，AD9233可以在70 MHz輸入頻率下提供85 dBc的SFDR性能，通過SPI或硬件連接，采樣后的數(shù)據(jù)可以輸出為二進制補碼、偏移碼和格雷瑪。ADI公司的AD8352低失真放大器可以用于單端轉(zhuǎn)差分輸入，來緩沖和與多種12 b，14 b和16 b的高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器接口。AD8352可以在頻率為180 MHz時達到一個高達80 dB的無雜散動態(tài)范圍，差分放大器的增益范圍在0～24 dB之間，可以按照單晶體管要求進行調(diào)節(jié)。
1．6 CPLD模塊
    CPLD采用Altera公司的MAXⅡ系列的EPM2210F324來實現(xiàn)系統(tǒng)電源上電順序控制電壓監(jiān)測、軟件看門狗、時鐘綜合器的配置和FPGA與DSP的程序加載等功能。具體實現(xiàn)如下：系統(tǒng)上電時根據(jù)系統(tǒng)電源上電要求，控制電源模塊加電使能端來控制上電順序。通過電壓監(jiān)測芯片，對系統(tǒng)電壓異常進行監(jiān)測，根據(jù)異常情況進行系統(tǒng)復位或切斷電源。通過內(nèi)建計數(shù)器，實現(xiàn)軟件看門狗功能，軟件看門狗可以通過DSP使能打開或關(guān)閉，以方便系統(tǒng)調(diào)試。系統(tǒng)正常上電后通過SPI配置時鐘綜合器，產(chǎn)生系統(tǒng)所需的時鐘。時鐘配置完成后，CPLD控制FPGA采用FPP方式從FL-ASH中加載程序，當FPGA加載成功后，根據(jù)FPGA的配置引腳CONFIGDONE狀態(tài)，將FLASH控制權(quán)交給DSP，控制DSP完成程序的加載。
1．7 時鐘和電源模塊
    實現(xiàn)數(shù)字中頻調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)的時鐘電路設(shè)計如下：板內(nèi)40 MHz恒溫晶振與外部供給的10 MHz原子鐘通過時鐘綜合器ADI公司的AD9522做雙時鐘切換、主備時鐘備份，CPLD根據(jù)需要配置時鐘綜合器生成DSP與FPGA的40 MHz工作時鐘、AD9233的40MHz或80 MHz采樣時鐘、AD9957的800 MHz輸入時鐘。電源采用凌特公司的LTM4600產(chǎn)生FPGA和DSP的I／O電壓3．3 V和FPGA的核電壓1．1 V，采用凌特公司的LT1764產(chǎn)生FPGA的2．5V電壓，采用TI公司的TPS54310產(chǎn)生DSP的核電壓1．2V，用凌特公司的LT1764產(chǎn)生AD9233的模擬電源1．8V和AD9957的模擬電壓3．3V。

2 軟件設(shè)計
2．1 MSK數(shù)字擴頻調(diào)制
    根據(jù)理論分析，MSK可以看作是具有正弦加權(quán)的OQPSK，系統(tǒng)采用具有正弦加權(quán)的OQPSK的調(diào)制方案，原理框圖如圖2所示。
   

    在硬件電路實現(xiàn)時，MSK基帶調(diào)制(圖中實線部分)在FPGA中實現(xiàn)，當接收到系統(tǒng)的發(fā)送允許St_TCLK時，啟動MSK基帶調(diào)制，從RAM中讀取發(fā)送信息數(shù)據(jù)，從低位開始進行差分編碼、根據(jù)消息和偽碼進行偽隨機擴頻，將擴頻后的數(shù)據(jù)進行串并變換、正余弦加權(quán)運算，之后將正余弦加權(quán)后數(shù)據(jù)送給D／A處理。中頻調(diào)制(圖中虛線部分)采用AD公司的帶D／A轉(zhuǎn)換的正交數(shù)字上變頻器AD9957完成，AD9957可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的內(nèi)插濾波、正交上變頻、D／A轉(zhuǎn)換輸出等功能，本系統(tǒng)設(shè)置中頻頻率為70 MHz。
    由于基帶MSK調(diào)制就是對并行的兩路數(shù)據(jù)進行正弦加權(quán)，即每個比特對應(yīng)于周期為fb／4的半個的正弦波形，根據(jù)0／1選擇不同的相位，因此在具體實現(xiàn)中，可以采用查找表的方法，根據(jù)內(nèi)插系數(shù)先產(chǎn)生半個波長的正弦波信號數(shù)據(jù)進行存儲，在調(diào)制時根據(jù)數(shù)據(jù)選擇輸出不同相位的半個周期正弦波形。
    圖3表示的是在板運行時，在QuartusⅡ的在線邏輯分析儀SignalTap上采集的MSK基帶調(diào)制波形，其中Ldata為I路調(diào)制數(shù)據(jù)。

2．2 MSK數(shù)字解擴解調(diào)
    本板的信息解調(diào)采用解擴解調(diào)一次完成的方案：即在系統(tǒng)完成捕獲和同步的情況下，利用擴頻碼的相關(guān)性，通過相關(guān)運算，解出信息，因此系統(tǒng)接收方案就歸結(jié)為如何對相關(guān)峰進行捕獲的問題。
    由于本系統(tǒng)的信號帶寬為5 MHz，因此可以根據(jù)欠采樣理論，對70 MHz模擬中頻信號進行40 MHz欠采樣；根據(jù)數(shù)字信號處理理論，對70 MHz模擬中頻信號進行40 MHz采樣，相當于一次下變頻，將頻譜搬移到10 MHz的載頻上，通過本地的10 MHz的NCO，對采樣后的信號進行數(shù)字正交下變頻，采用低通濾波器，濾掉高次諧波分量，變?yōu)榛鶐盘柡?，在與本地的PN碼所對應(yīng)的MSK基帶信號進行基帶復相關(guān)運算，運算后的實部與虛部的模值就是最大相關(guān)峰值?；鶐拖嚓P(guān)原理框圖如圖4所示。

    圖5為根據(jù)基帶復相關(guān)原理，在板運行時解出的相關(guān)峰，根據(jù)實際測試結(jié)果，該方法完全可以滿足系統(tǒng)的指標要求，并具備一定的抗多徑和多普勒頻偏的能力。

3 結(jié)論
    通過采用DSP+FPGA的方案構(gòu)建的中頻調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)能夠更好地完成中頻調(diào)制、解調(diào)、編譯碼、擴頻解擴和消息預(yù)處理等功能。將對時序要求嚴格的算法放到FPGA中實現(xiàn)，系統(tǒng)控制和消息預(yù)處理由DSP來完成，這樣使得系統(tǒng)調(diào)試更加方便。通過該系統(tǒng)還可以實現(xiàn)QPSK。16QAM等其他多種調(diào)制方式，通過DSP對FPGA的不同配置，實現(xiàn)信號不同調(diào)制解調(diào)方式的切換，來實現(xiàn)中頻意義上的軟件無線電。