一種基于DSP+FPGA的軟件無(wú)線(xiàn)電平臺(tái)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

　　引言

　　隨著無(wú)線(xiàn)通信的發(fā)展，出現(xiàn)了多種模式的通信體制，為了滿(mǎn)足互通性的問(wèn)題，軟件無(wú)線(xiàn)電的思想被提出來(lái)。所謂軟件無(wú)線(xiàn)電，其中心思想是：構(gòu)造一個(gè)具有開(kāi)放性、標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的通用硬件平臺(tái)，將通信的各種功能通過(guò)軟件來(lái)完成，并使寬帶A/D和D/A轉(zhuǎn)換器盡可能靠近天線(xiàn)，以研制出具有高度靈活性、開(kāi)放性的新一代無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)。由于軟件無(wú)線(xiàn)電可以通過(guò)增加軟件模塊來(lái)增加新的功能，而且硬件也可以隨著器件的發(fā)展而不斷地升級(jí)，所以這一概念一經(jīng)提出就受到了廣泛的關(guān)注。

　　OFDM（orthogonal frequency division multiplexing，正交頻分復(fù)用）是一種具有多種優(yōu)點(diǎn)的傳輸系統(tǒng)，目前已經(jīng)有很多應(yīng)用，而且隨著第四代（4G）無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)的研究進(jìn)入實(shí)質(zhì)性階段，OFDM極有可能成為4G中的傳輸方案。本文在此背景下，設(shè)計(jì)了一種基于軟件無(wú)線(xiàn)電的平臺(tái)，并在此平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)了OFDM傳輸系統(tǒng)，

　　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　目前受器件的限制，軟件無(wú)線(xiàn)電一般都采用中頻采樣的結(jié)構(gòu)，這樣做既兼顧了軟件無(wú)線(xiàn)電的思想，又能在目前的器件水平下搭建實(shí)際可應(yīng)用的系統(tǒng)。本文的軟件無(wú)線(xiàn)電平臺(tái)也采用了這一結(jié)構(gòu)。隨著無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)的發(fā)展都在朝著高速率、可移動(dòng)性方向發(fā)展，因此本平臺(tái)的設(shè)計(jì)也必然要適應(yīng)寬帶無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)的要求。

　　平臺(tái)結(jié)構(gòu)

　　平臺(tái)主要針對(duì)系統(tǒng)物理層中的中頻和基帶處理單元而設(shè)計(jì)。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。平臺(tái)由一個(gè)DSP（TMS320C6414T）、兩片F(xiàn)PGA（Cyclone EP1C6Q240C8）、上變頻芯片DUC（AD9857）、下變頻芯片DDC（HSP50214B）等構(gòu)成。

圖1 平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖

　　根據(jù)信號(hào)處理模塊和各芯片數(shù)據(jù)處理的特點(diǎn)，我們將各通信模塊分配到不同的器件中來(lái)完成。DSP的主頻很高，而且內(nèi)部資源豐富，支持高級(jí)語(yǔ)言的編程，適合于串行的算法，用來(lái)完成協(xié)議和基帶處理；FPGA配置靈活多變，雖然主頻不太高，但是鑒于其并行處理能力突出，用于完成時(shí)鐘分配、芯片設(shè)置、接口轉(zhuǎn)換等；AD9857和HSP50214B是用于上下變頻的ASIC，集成程度高，參數(shù)設(shè)置靈活，可以滿(mǎn)足多模式的數(shù)字上下變頻，數(shù)據(jù)速率變換和濾波。下面簡(jiǎn)要介紹一下平臺(tái)上器件的性能。

　　器件介紹

　　● DSP

　　平臺(tái)選用的DSP芯片是TI公司的TMS320C6416T芯片。該處理器屬于32位定點(diǎn)處理器，主頻1GHz，內(nèi)部集成豐富的外設(shè)和接口。在指令結(jié)構(gòu)上，擴(kuò)展了尋址指令、位域指令、打包解包、控制轉(zhuǎn)移等指令，增強(qiáng)了芯片的處理能力。在計(jì)算2048點(diǎn)的復(fù)數(shù)FFT運(yùn)算時(shí)，可以在大約26 000個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)完成。

　　6416T主要包含的模塊有：1）兩個(gè)通用寄存器組，64個(gè)32位通用寄存器；2）8個(gè)功能單元，6個(gè)ALU（32/40b），兩個(gè)乘法器（16×16）；3）一共8.256Mb的兩級(jí)緩存內(nèi)部存儲(chǔ)；此外，還有圖1中沒(méi)有列出的Viterbi編解碼協(xié)處理器（VCP）和Turbo碼編解碼協(xié)處理器（TCP）。VCP支持500路7.95Kb/s AMR，TCP可以處理6路2Mb/s 3GPP。

　　接口方面包括：1）多通道EDMA控制器；2）多通道緩沖串口（MCBSP）；3）高性能外部存儲(chǔ)器接口（EMIF）；4）可訪(fǎng)問(wèn)DSP的整個(gè)存儲(chǔ)空間的主機(jī)口（HPI）；這里不在一一列舉。

　　● 上變頻芯片AD9857

　　AD9857是一款高性能的數(shù)字上變頻器，最高時(shí)鐘為200MHz，根據(jù)外時(shí)鐘的范圍，可以選擇0～80MHz的任意中頻輸出；芯片還具有兩級(jí)內(nèi)插功能，可以實(shí)現(xiàn)4倍固定內(nèi)插和2～64倍可選內(nèi)插倍數(shù)，便于多數(shù)據(jù)速率變換；14b的DAC。

　　● A/D變換器AD9051

　　ADC選用ADI公司的AD9051，最高采樣速率達(dá)到60MSPS，10b輸出，對(duì)于中心頻率較低的中頻信號(hào)可以進(jìn)行直接采樣，中頻值較高的則運(yùn)用帶通采樣方式。

　　●下變頻芯片HSP50214B

　　HSP50214B是專(zhuān)用數(shù)字下變頻芯片中綜合性能最好的，除數(shù)字下變頻外還具有最高255階可編程FIR濾波器，0～96dB動(dòng)態(tài)范圍的 AGC自動(dòng)增益控制，數(shù)據(jù)速率變換包括4～32倍CIC抽取和5級(jí)HB抽取，以及FIR1-16倍抽取，坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，鑒頻等功能，而且具有四種輸出形式，接口靈活。

　　● FPGA

　　由于平臺(tái)上的中頻處理由ASIC完成，所以FPGA選用了CycloneⅡ EP1C6Q240C8，這是一款低端的FPGA芯片，邏輯單元只有6000門(mén)，主要用來(lái)完成時(shí)鐘分配，接口轉(zhuǎn)換，ASIC控制字配置，以及作為DSP的協(xié)處理器的補(bǔ)充。

　　該平臺(tái)較好的整合了DSP、ASIC和FPGA，兼顧了系統(tǒng)的通用性和復(fù)雜度，ASIC的應(yīng)用減少了系統(tǒng)配制時(shí)的軟件設(shè)計(jì)復(fù)雜度。

　　OFDM收發(fā)信機(jī)的實(shí)現(xiàn)

　　OFDM技術(shù)是當(dāng)前的熱門(mén)技術(shù)之一，與傳統(tǒng)的傳輸技術(shù)相比，OFDM具有：1）降低了子載波的數(shù)據(jù)速率，減小了無(wú)線(xiàn)信道引起的ISI，有效的降低了多徑干擾；2）采用若干相互正交的子載波，頻譜有重疊，最大限度地提高頻譜效率；3）采用IFFT和FFT進(jìn)行調(diào)制和解調(diào)，硬件實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單；所以，盡管存在峰均比較高以及對(duì)頻偏敏感等問(wèn)題，OFDM仍然不失為一種性能優(yōu)良的傳輸方式。目前采用了OFDM的標(biāo)準(zhǔn)主要有數(shù)字音頻廣播（DAB）、數(shù)字視頻廣播（DVB）、歐洲無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)Magic WAND、802.11、非對(duì)稱(chēng)數(shù)字用戶(hù)線(xiàn)（ADSL）等。為此，我們?cè)诒酒脚_(tái)上實(shí)現(xiàn)了OFDM的收發(fā)信機(jī)。

　　本OFDM系統(tǒng)采用了如下的基帶和中頻結(jié)構(gòu)，如圖2所示。圖2中，音頻編碼采用了G.729標(biāo)準(zhǔn)，加擾采用了9位的反饋移位寄存器產(chǎn)生的偽隨機(jī)序列，壓擴(kuò)部分為μ律壓擴(kuò)變換，其中μ=3。另外，系統(tǒng)子載波個(gè)數(shù)為2048，載波間隔1kHz，中頻40.96MHz。圖中的結(jié)構(gòu)幾乎包括了所有 OFDM系統(tǒng)應(yīng)有的處理單元，具有一定的代表性，在此基礎(chǔ)上經(jīng)過(guò)必要的參數(shù)修改，可以演變出絕大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)。為了便于接收端的同步處理，在幀結(jié)構(gòu)上采用了類(lèi)似DAB的結(jié)構(gòu)，每幀76個(gè)符號(hào)，其中第一個(gè)符號(hào)為空符號(hào)，第二個(gè)符號(hào)為固定的相位參考符號(hào)。

圖2 OFDM系統(tǒng)框圖

　　通過(guò)對(duì)各模塊功能的分析，并結(jié)合本平臺(tái)上各器件的特點(diǎn)，對(duì)各模塊的實(shí)現(xiàn)在平臺(tái)上進(jìn)行分配。圖3顯示了這種分配方式。

圖3 OFDM系統(tǒng)處理流程

　　數(shù)據(jù)接口方面，發(fā)射端DSP將經(jīng)過(guò)基帶處理以后成幀的信號(hào)通過(guò)EMIF接口發(fā)送到FPGA的FIFO中緩存，然后數(shù)據(jù)進(jìn)入數(shù)字上變頻器，進(jìn)行40.96MHz的上變頻，上變頻后的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)4倍固定內(nèi)插和CIC的24倍內(nèi)插后經(jīng)過(guò)D/A輸出，形成OFDM中頻信號(hào)。如圖4所示。

圖4 OFDM中頻信號(hào)頻譜儀截圖

　　接收端對(duì)中頻信號(hào)以32.768MHz進(jìn)行帶通采樣，數(shù)字下變頻器對(duì)采樣后8.192MHz的鏡像頻率進(jìn)行數(shù)字下變頻，之后對(duì)信號(hào)進(jìn)行16 倍的抽取，使信號(hào)速率下降到2M，HSP50214采用并行直接輸出的模式，分兩路分別輸出16b的IQ兩路數(shù)據(jù)，F(xiàn)PGA通過(guò)并串轉(zhuǎn)換，將數(shù)據(jù)通過(guò) MCBSP送入DSP進(jìn)行同步處理和基帶處理，得到原發(fā)送信息。

　　結(jié)論

　　本文提出了一種基于DSP、FPGA以及ASIC的軟件無(wú)線(xiàn)電平臺(tái)，并在該試驗(yàn)平臺(tái)上完成了OFDM系統(tǒng)的基帶和中頻設(shè)計(jì)，并且經(jīng)過(guò)了實(shí)際的驗(yàn)證，系統(tǒng)運(yùn)行情況良好，有效地支持多種通信模式，是一種應(yīng)用廣泛的軟件無(wú)線(xiàn)電平臺(tái)。目前正在對(duì)功率放大器的基帶預(yù)失真技術(shù)進(jìn)行研究，以進(jìn)一步的改善系統(tǒng)性能。