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软件无线电的通用调制器的设计与实现
软件无线电的通用调制器的设计与实现 介绍一种基于软件无线电的通用调制器的设计方法,给出了总体设计方案, 说明了系统功能在DSP与FPGA之间的划分及系统的工作流程,关键部分的硬件 实现方法和软件设计,给出了测量结果。关键词:软件无线电 调制器 数字上变频器 上世纪90年代发展起来的软件无线电SDR(Software Radio/Software-Defined Radio)的基本思想是:构造一个具有开放性、标准化、模块 化的通用硬件平台,将各种功能用软件完成。这是一种全新的思想,它一经提出就 受到了广泛的重视。但是,到目前为止,各国对软件无线电的研究还非常有限。由 于软件无线电实现的前提是高度数字化,而现阶段的器件水平还不能达到要求,同 时软件无线电的设计还缺乏统一标准,因而只能利用软件无线电的思想,根据系统 要求,对其结构适当调整,进行系统设计。
本文采用可编程器件和专用器件相结合的设计方法和分层的设计思想,给 出了一种基于软件无线电的通用调制器的设计和实现方法,并给出了系统的测试 结果。
1 总体设计方案 1.1 总体方案框图 通用调制器总体方案框图如图1所示。
系统使用的主要器件有四个:通用DSP、可编程逻辑器件(FPGA)、可编程 数字上变频器和D/A变换器。其中的两个主要芯片:通用DSP和FPGA均为通用可 编程器件。这样,在系统设计时,存在着通用器件的功能定义问题。为了使系统的 功能在器件之间进行合理的分配,充分、有效地利用芯片资源,并使系统设计简单、 清晰,在软件无线电体系结构的基础上采用了分层的设计方法,将系统的结构分为 三层:接口层、配置层和处理层。
(1)接口层 接口层用来与外界通信,控制整个系统的工作模式。接口采用DSP的主机并 口(HPI)。图1所示的外部控制器为PC机,即PC机的并口与DSP的HPI口相连并通信,将系统工作模式的控制参数传递给DSP。需要指出:任意带并口通信方式的器件或 仪器均可代替PC机,控制系统的工作模式。
(2)配置层 配置层用来给处理层配置参数,由通用DSP完成。DSP根据其主机并口接收 到的控制参数调用相应的程序,计算出配置层所需要的各个参数值,并产生相应的 时序信号,将计算结果配置给可编程器件FPGA和 数字上变频器。
(3)处理层 处理层由FPGA、数字上变频器和D/A转换器组成。当FPGA和数字上变频 器的参数配置完后,处理层脱离配置层单独工作。由FPGA产生对应特定比特流、 特定调制方式的I、Q信号,并产生特定的时序信号将I、Q信号写入数字上变频器 完成调制过程,再由D/A转换器将数字信号变为模拟已调信号输出。
1.2 系统的工作过程 系统的工作过程和图2所示。
系统的初始状态是DSP等待主机接口(HPI)中断。当DSP接收到主机接口中 断后,调用中断程序。这个中断程序将使DSP执行以下几步: (1)首先将DSP的XF脚置高,这个信号变低可以使处理层退出工作状态,进 入参数配置状态,同时放弃总线,并使DSP获得总线控制权;
(2)DSP从主机并口接收控制系统工作模式的有关参数;
(3)DSP计算处理层需要的各项参数;
(4)DSP将参数写入处理层相应的地址;
(5)DSP将XF脚置低,放弃总线控制权,并使处理层接管总线,进入工作状态。
(6)DSP重新进入等待主机接口中断状态。系统随时可以根据需要改变工作 模式,重新配置参数。
系统的硬件结构比较简单,与总体方案框图的结构基本相同。主要器件 有:TI公司的DSP芯片TMS320VC5402、ALTERA公司的FPGA芯片EPF10K30RC240、HARRIS公司的数字上变频器HSP50215和D/A转换器HI5741。
2.1 接口设计 本设计充分考虑了系统与外界接口的设计熏使系统具有很好的开放性和 灵活性。
TMS320VC5402的8-bit并行主机接口包含了许多控制信号线,使得它可以 通过两个触发器与25针的并口直接相连。外部的设备或器件可以通过这个并口方 便地控制系统的工作模式和状态。
在EPF10K30的内部逻辑设计中,有一个随机比特流产生模块,在这个模块 中也设计了比特流信号的输入接口,使系统既可以对自身产生的比特流进行调制, 也可以对外部输入的比特流进行调制。
另外,在EPF10K30和HSP50215的参考时钟输入引脚也设计了外部接口,通 过这些接口可以用外部时钟信号方便地控制系统工作的参考时钟,适应用户的需 求。
2.2 总线控制 总线控制包括两个方面:总线的电平转换和总线控制权交接。
由于HSP50215和EPF10K30均为+5V TTL器件,而TMS320VC5402的管脚 为+3V TTL电平,因而需要进行电平转换。所使用的芯片为带三态输出的电平转 换芯片SN74LS16244和SN74LS16245。前者为单向芯片,用于地址总线;后者为双 向芯片,用于数据总线。
从图1可以看出,系统某些信号线存在着复用的问题。这些信号线包 括:HSP50215的数据、地址总线和写控制信号线WR。它们同时与DSP和FPGA的 相应信号线相连,因此必须要处理好总线冲突问题。图3为总线控制电路设计。
由图3可以看到,DSP的XF、HOLDA和HOLD信号作为握手信号与 EPF10K30中的总线控制模块相连。其中XF是TMS320VC5402的外部标志信号, 可以用指令“SSBX XF”或“RSBX XF”将其置高或置低。当DSP放弃总线时,将XF 置低,此时FPGA将HOLD置低,使DSP进入HOLD状态,当HOLDA也变低后,FPGA 占用总线。当DSP要回总线时,将XF置高,此时FPGA立即放弃总线,同时将HOLD脚置高,使DSP退出HOLD状态。另外,DSP的HOLD信号的非信号与总线电平转换 芯片的使能信号相连。这样可以保证不存在总线冲突问题。HSP50215的写控制 信号WR也做类似的处理。
3 软件设计 系统的软件设计包括两大部分:FPGA的内部逻辑和控制设计以及系统的 参数计算和配置。FPGA的内部设计主要完成从基带比特流信号产生一直到对应 不同调制方式、不同信息比特、不同码速率的I、Q信号的产生,另外还包括总线 控制逻辑和片选信号产生等。
