基于HSP50415的中頻數(shù)字化發(fā)射機的設計

0 引言
    軟件無線電技術已在當今無線通信中得到了迅猛發(fā)展，并已逐漸成為通信領域的一個新的發(fā)展方向。軟件無線電的基本思想是在一個通用的硬件平臺上，通過軟件加載的方式并用軟件實現(xiàn)所有無線電臺的功能。軟件無線電的理想結構是將A／D、D／A盡可能地靠近天線。考慮到目前A／D、D／A的帶寬及DSP的處理能力，一般采用中頻采樣的軟件無線電結構。

1 HSP50415的功能特點
1．1 HSP50415的內(nèi)部結構功能
    HSP50415由256級深度的FIFO數(shù)據(jù)緩沖器、星座映射器、成形和內(nèi)插濾波器、復數(shù)乘法器、符號率NCO、載波NCO及雙路DAC組成。其內(nèi)部組成如圖1所示。

    HSP50415的信號輸入管腳是DIN(0～15)、ISTRB、TXEN和DATACLK。數(shù)據(jù)輸入有兩種方式：一種是固定符號速率傳輸方式，一種是猝發(fā)傳輸方式。在固定符號速率傳輸方式下，數(shù)據(jù)將以2倍采樣率進入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，緩沖區(qū)為256×32bit的FIFO。一旦一對I和Q數(shù)據(jù)進入FIFO，數(shù)據(jù)會以采樣率的方式讀出。由于FIFO可完成一個串并變換，可將一路信號變換成I和Q兩路信號，因此，其輸入端數(shù)據(jù)率是輸出端的2倍。而在猝發(fā)方式下，當數(shù)據(jù)滿或半滿時，F(xiàn)IFO的標志位可觸發(fā)DSP的中斷，以通知DSP停發(fā)數(shù)據(jù)，這時便可讀取數(shù)據(jù)。I／O的輸入時序如圖2所示。

    HSP50415數(shù)字上變頻器的內(nèi)部星座映射圖中有一個用戶可編程查找表(256×8 bit RAM)，這個查找表能支持I／O最大位寬為4 bit (256QAM)的數(shù)據(jù)，可完成各種正交的PM和AM基帶碼映射。可將I和Q數(shù)據(jù)合并成8 bit數(shù)據(jù)作為地址去查表，從而得到映射數(shù)據(jù)并以Iout<3：0>和Qout<3：0>的形式輸出。
    HSP50415中的成形濾波器的基本內(nèi)插率為×4、×8或×16。此外，還有一個可選的2bit模式以供用戶將抽樣率減少1／2。成形濾波器的運算由移位累加器來完成，其最大輸入采樣率為MIN((CLK×2×2＾twoBITMODE)／(#bit xinterpolation－Rate)，CLK／4)。若使用2 bit模式，則式中的twoBitMode為1，否則為0，#bit為輸人數(shù)據(jù)的位數(shù)，interpolationRate為內(nèi)插率。
    HSP50415的半帶濾波器的內(nèi)插率為2，由于其系數(shù)在偶數(shù)點上為零，因此可將計算量減少一倍。而內(nèi)插濾波器則可將半帶濾波器的輸出采樣率插值到最終的采樣率fsout。數(shù)控振蕩器(NCO)用于為內(nèi)插濾波器提供時鐘，它允許輸人和輸出采樣率有非整數(shù)倍關系。而器件中的乘法器則可把基帶信號調(diào)制到可編程中頻上。[!--empirenews.page--]
    HSP50415內(nèi)部集成有雙路12位DAC，并可由x／sinx濾波器提供滾降補償，以實現(xiàn)模擬輸出。另外HSP50415還可提供14位數(shù)字輸出。
1．2 HSP50415的主要特點
    HSP50415是一個功能強大的可編程調(diào)制器，編程十分靈活，同時，其信號的極性可以通過編程來改變。HSP50415內(nèi)部集成有高速D／A轉(zhuǎn)換器，且性價比較高。此外，HSP50415還具有功耗低、精度高、可靠性強等優(yōu)點，其主要性能特點如下：
    ◇最高輸出采樣率達100 MHz，最高輸入數(shù)據(jù)率達25 MHz；
    ◇編程載波NCO和符號NCO均為32位，精度較高；
    ◇可進行x／sinx滾降補償；
    ◇每路有四片64×72位的FIR濾波器，其系數(shù)RAM可由Intersil公司提供的軟件來產(chǎn)生；
    ◇成形濾波器的內(nèi)插率可編程設置(可以達到24個符號間隔)，而半帶濾波器和內(nèi)插濾波器的系數(shù)則是固定的；
    ◇數(shù)字信號處理能力大于70 dB B(SFDR)；
    ◇具有14位數(shù)字輸出或雙路12位D／A模擬輸出能力，其D／A處理能力大于50 dB。
1．3 HSP50415的主要管腳功能
    HSP50415的主要引腳功能如下：
    CLK：系統(tǒng)時鐘；
    SYSCLK／2：系統(tǒng)內(nèi)部時鐘；
    DIN<15：0>：數(shù)據(jù)總線；
    CDATA<7：0>：微處理器數(shù)據(jù)總線；
    RD：微處理器讀引腳；
    WR：微處理器寫引腳；
    CDATA<7：0>：微處理器地址總線；
    Iout<13：0>；Qout<13：0>：數(shù)字輸出；
    IOUTA，IOUTB,QOUTA,QOUTB：模擬輸出；
    2*SYMCLK：2倍采樣時鐘引腳；
    REFCLK：參考時鐘；
    DATACLK：異步數(shù)據(jù)時鐘；
    TXEN：猝發(fā)模式選通信號；
    ISTRB：I路數(shù)據(jù)選通信號；
    INTREQ：中斷請求信號。

2 HSP50415的初始化及參數(shù)設置
    HSP50415的初始化包括兩部分，一是對控制寄存器的初始化。二是對成形濾波器系數(shù)RAM及星座映射器RAM的初始化。HSP50415總共有18個寄存器，通過對這些控制寄存器的訪問，可以方便地控制256x32位FIFO及其深度、成形濾波器的階數(shù)、增益調(diào)整、符號速率、載波頻率以及是否旁路某些模塊等，以便進行硬件調(diào)試。系數(shù)和控制字的值可以利用Intersil公司網(wǎng)站提供的可執(zhí)行文件sim451．exe和modulator．exe方便地產(chǎn)生。圖3所示是將值為AABBCCDD的控制字送入地址為OC的控制寄存器的工作時序。

    HSP50415的參數(shù)可由下面的公式確定：
    符號率NCO=(symbolrate／Fsout)x232
    載波NCO＝(carrierFrequency／Fsout)×232

3 HSP50415的調(diào)制原理及實現(xiàn)
    HSP50415的復數(shù)乘法器可完成如下運算：
    Re(S(n))=I(n)cos(nω0ts)-Q(n)sin(nω0ts)
    Im(S(n))=Q(n)cos(nω0ts)+I(n)sin(nω0ts)
    其中，S(n)為輸出信號，ω0為載波頻率，ts為取樣間隔。這樣，根據(jù)I(n)和Q(n)編碼方式的不同，即可以完成BPSK、QPSK、m-QAM等調(diào)制方式。假如輸入信號為y(n)=sin(nΩT)+jcos(nΩT)，則乘法器的輸出為：
    Re(S(n))=I(n)cos(nω0ts)-Q(n)sin(nω0ts)=cos(n(ω0+Ω)ts)
    Im(S(n))=Q(n)cos(nω0ts)+I(n)sin(nω0ts)=sin(n(ω0+Ω)ts)
    這樣，便可以得到FM調(diào)頻信號。

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4 用HSP50415實現(xiàn)數(shù)字上變頻
    HSP50415編程靈活，可應用于無線電臺的發(fā)射系統(tǒng)中。圖4為HSP50415與TMS320VC5509的接口電路，該電路可實現(xiàn)數(shù)字上變頻變換。

    圖4中采用了兩個片選信號，可用于區(qū)分微處理器端口和數(shù)據(jù)端口。初始化時，CE2先選通，DSP通過微處理器接口訪問HSP50415。初始化完成后，再使CEO選通，此后，DSP每收到一個中斷，便通過DATA／FIFO接口向HSP50415發(fā)一個數(shù)據(jù)。將XF連接ISTRB可以表明這個數(shù)據(jù)是I數(shù)據(jù)還是Q數(shù)據(jù)。CEO與AWE相或可產(chǎn)生DATACLK信號。中斷信號則由2*SYMCLK產(chǎn)生。

5 結束語
    HSP50415具有強大的調(diào)制功能。只要適當?shù)恼{(diào)整軟件，就可以實現(xiàn)數(shù)字電臺的多種調(diào)制解調(diào)方式與上變頻功能。筆者利用一年多時間，從板子的設計到調(diào)試，做了大量的工作，從而在該平臺上實現(xiàn)了2FSK的調(diào)制，并得到了正確的調(diào)制波形。