基于DSP的軟件無線電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)new

1、基于DSP的軟件無線電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)1 引言 軟件無線電是一種以現(xiàn)代通信理論為基礎(chǔ)，以數(shù)字信號(hào)處理為核心，以微電子技術(shù)為支撐的無線電通信體系結(jié)構(gòu)。它將模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化的硬件單元以總線方式連接構(gòu)成通用的硬件平臺(tái)，并通過軟件加載實(shí)現(xiàn)各種無線電通信功能的一種開放式體系結(jié)構(gòu)1。將軟件無線電技術(shù)應(yīng)用于移動(dòng)通信領(lǐng)域，能夠大量節(jié)省改造移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的費(fèi)用，又縮短了研究到應(yīng)用的周期。 軟件無線電的關(guān)鍵技術(shù)包括：開放式總線結(jié)構(gòu)及實(shí)現(xiàn)、智能天線技術(shù)、高速A/D技術(shù)、數(shù)字上/下變頻技術(shù)，高速數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)、信令處理技術(shù)2。本文在分析軟件無線電基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)，采用TMS320VC54X系列DSP芯片與軟件結(jié)合，通過基本電路

2、和擴(kuò)展電路并輔以相應(yīng)的軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)無線電通信功能，并設(shè)計(jì)了標(biāo)準(zhǔn)串行接口使之可同多種通信終端連接，具有很高的實(shí)用性。2 軟件無線電結(jié)構(gòu) 軟件無線電的核心思想是將A/D、D/A盡可能地靠近天線，盡早地將天線接收下來的模擬信號(hào)數(shù)字化，DSP對(duì)A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行同步提?。ㄝd波恢復(fù)、時(shí)鐘恢復(fù)和幀同步）、信號(hào)調(diào)制樣式的自動(dòng)識(shí)別、信道解碼、信源解碼、信號(hào)特征提取。理想的軟件無線電結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中接收機(jī)部分是對(duì)無線電接收到射頻信號(hào)直接進(jìn)行全寬帶A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的高速數(shù)據(jù)流送DSP處理，最后由窄帶D/A轉(zhuǎn)換為語音、數(shù)據(jù)或者圖像輸出。 圖1 理想的軟件無線電接收結(jié)構(gòu) 然而，由于目前A/D器件采樣率、

3、輸入帶寬無法滿足所述軟件無線電結(jié)構(gòu)要求，而且后續(xù)的DSP也無法實(shí)時(shí)處理大量的高速數(shù)據(jù)流，在實(shí)際應(yīng)用中，軟件無線電主要采用折中方案，主要是：一方面把射頻信號(hào)通過混頻搬移到中頻帶通采樣，使得A/D采樣率、輸入帶寬滿足系統(tǒng)要求；另一方面是在DSP前加數(shù)字下變頻器34。3 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案 根據(jù)以上分析，并根據(jù)軟件無線電的功能要求，主要包括以下幾部分：射頻處理（含天線）前端、高速A/D、D/A、數(shù)字上/下變頻器、數(shù)字信號(hào)處理部分（DSP）以及外圍接口電路。（其設(shè)計(jì)框圖如圖2） 主要器件的部分的功能如下： （1）DSP5416模塊：以TMS320VC5416 高性能定點(diǎn)DSP為整個(gè)系統(tǒng)的核心，采用流水線

4、指令執(zhí)行結(jié)構(gòu)和相應(yīng)的并行處理結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)的運(yùn)行并完成全部基帶處理功能，如信號(hào)檢測、同步獲取、解調(diào)等基本功能，還要完成加密、糾錯(cuò)、均衡等功能。 （2）邏輯控制模塊：CPLD輔助DSP控制所有外部設(shè)備，簡化外圍電路，完成外圍邏輯控制和電平轉(zhuǎn)換等功能。 （3）擴(kuò)展存儲(chǔ)模塊：外部存儲(chǔ)模塊中的SRAM用于存儲(chǔ)臨時(shí)數(shù)據(jù)，F(xiàn)LASH用于固化程序以實(shí)現(xiàn)無線電系統(tǒng)的解調(diào)算法及加解密功能。 （4）串行通信模塊：DSP的多功能串行口（McBSP）通過MAX323E傳送信息，實(shí)現(xiàn)通信終端之間傳輸功能。 （5）USB和JTAG接口模塊：主要包括USB和JTAG接口兩部分。USB接口主要用于軟件無線電中加解密功能中密鑰的

5、注入。JTAG接口主要用于軟硬件調(diào)試仿真。 （6）ADC/DAC：主要完成軟件無線電中數(shù)/模、模數(shù)轉(zhuǎn)換功能。 （7）數(shù)字上/下變頻器：一方面將包含所有信道的寬帶信號(hào)分離出某一用戶窄帶信道；另一方面對(duì)分離出來的某一用戶信道信號(hào)抽取、濾波，降低數(shù)據(jù)速率后由DSP實(shí)時(shí)處理。下面主要對(duì)無線電系統(tǒng)的接收系統(tǒng)及部分外圍電路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行介紹。 圖2 軟件無線電總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)框圖 4 無線電通信系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)4.1 軟件無線電接收機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 根據(jù)以上介紹的實(shí)際可行的軟件無線電接收機(jī)結(jié)構(gòu)，設(shè) 計(jì)了基于高速A/D的AD6640、數(shù)字下變頻器AD6620、高速DSP TMS320C5416的單通道軟件無線電接收

6、機(jī)，其結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示，其接收電路圖如圖4所示。 圖3軟件無線電接收結(jié)構(gòu)框圖 圖4 軟件無線電接收電路圖 軟件無線電接收部分中高速ADC AD6640對(duì)中頻寬信號(hào)采樣量化。數(shù)字下變頻器并行接收AD6640并行輸出的高速數(shù)據(jù)流，對(duì)其進(jìn)行正交基帶變換，即下變頻、多級(jí)抽取、濾波。高速DSP5416通過多通道緩沖串行口（McBSP）同步串行接收基帶正交信號(hào)I、Q，并以接收的信號(hào)進(jìn)行正交解調(diào)處理。 AD6620接收AD6640并行輸出的12位高速數(shù)據(jù)信號(hào)，并通過使用相同的外部時(shí)鐘同步。DSPT和AD6620按串行通信（PAR/SER=0）的方式連接，AD6620工作于主模式（SBM=1），向DSP54

7、16的多通道緩沖串行口McBSP1發(fā)送時(shí)鐘同步信號(hào)（SCLK-CLK1），幀同步信號(hào)（SDFS-FSR1），McBSP1同步接收AD6620發(fā)送的數(shù)據(jù)（SDO-DR1）。4.2 DSP5416模塊電路 該模塊主要由DSP的中央處理芯片、時(shí)鐘電路、電源電路和復(fù)位電路組成。 1）中央處理芯片 中央處理芯片由TI公司的16位DSP TMS320VC5416芯片（簡稱DSP5416）5，是為實(shí)現(xiàn)低功耗、高性能而專門設(shè)計(jì)的定點(diǎn)芯片。該芯片運(yùn)算速度快，可達(dá)到160MIPS；DSP5416具有先進(jìn)的多總線結(jié)構(gòu)，以8組16位總線為核心，支持高速指令執(zhí)行，8組總線分為1組程序總線、3組數(shù)據(jù)總線和4組地址總線；內(nèi)

8、置1616bit程序存儲(chǔ)器（ROM），64K16bit 單尋址數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（SARAM）和64K16bit 雙尋址數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（DARAM）；內(nèi)置26個(gè)特殊功能寄存器對(duì)片內(nèi)各功能模塊進(jìn)行管理、控制、監(jiān)視；具有可變等待狀態(tài)發(fā)生器、鎖相環(huán)（PLL）時(shí)鐘產(chǎn)生器、三個(gè)多通道緩沖串口（McBSP）等多種功能。DSP5416采用3.3V和1.6V兩種電源供電，其中I/O采用3.3V電源供電，芯片的內(nèi)部核采用1.6V電源供電。 2）時(shí)鐘電路 DSP5416的時(shí)鐘發(fā)生器由一個(gè)內(nèi)部振蕩器和鎖相環(huán)構(gòu)成，內(nèi)部時(shí)鐘的頻率是通過鎖相環(huán)將外部時(shí)鐘頻率分頻或倍頻后得到的。外部頻率是由接在DSP芯片引腳X1和X2/CLKIN之間

9、的外部晶振提供的。DSP內(nèi)部的鎖相環(huán)有兩種，一種為硬件鎖相環(huán)，分頻或倍頻系數(shù)由DSP外部引腳CLKMD1、CLKMD2、CLKMD3的接線方式?jīng)Q定；另一種為可編程PLL式，DSP5416的鎖相環(huán)就是可編程鎖相環(huán)，DSP內(nèi)部頻率可以通過內(nèi)部寄存器CLKMD設(shè)置6。 DSP5416上電復(fù)位時(shí)的時(shí)鐘頻率由寄存器CLKMD決定，而CLKMD的初始值是由外部引腳CLKMD1、CLKMD2、CLKMD3的接線方式?jīng)Q定。如圖5所示，本系統(tǒng)中CLKMD1、CLKMD2、CLKMD3外部連接為101，CLKMD的復(fù)位值為F000h，PLL為1，即內(nèi)部時(shí)鐘頻率等于外部時(shí)鐘頻率。外部晶振采用是10MHz，所以在上電

10、復(fù)位時(shí)DSP的內(nèi)部頻率也為10MHz。在系統(tǒng)正常運(yùn)行的初始化程序中，通過設(shè)置CLKMD寄存器值來改變內(nèi)部時(shí)鐘頻率。由CLKMD寄存器的PLLNDIV、PLLDIV、PLLMUL位決定PLL的乘系數(shù)，通過不同的組合，可以得到從0.2515共31個(gè)不同的乘系數(shù)。在本系統(tǒng)中，系統(tǒng)正常運(yùn)行重新設(shè)置CLKMD寄存器的值為9007h，即DSP正常工作的內(nèi)部時(shí)鐘頻率是1010MHz100MHz。 圖5 外部時(shí)鐘連接圖 3）電源電路 為了降低芯片功耗，TMS320VC54X系列芯片大部分都采用低電壓設(shè)計(jì)，并且采用雙電源供電，即內(nèi)核電源CVDD和I/O電源DVDD。DSP5416的I/O電源采用3.3V，內(nèi)核采

11、用1.6V電源。 而整個(gè)系統(tǒng)有5.5V、3.3V和1.6V三種電源：DSP外圍器件、CPLD、以及外部存儲(chǔ)器SRAM和FLASH為3.3V供電；CODEC芯片有3.3V和1.6V兩種電源供電；串行通信輸入和模擬信號(hào)整形電路為5V供電?？紤]到多種電源的需要，選用了TI公司的TPS73HD301電源芯片，該芯片輸入為5V，輸出有固定3.3V和1.2V9.75V可調(diào)，每路輸出最大750mA。可調(diào)電阻調(diào)節(jié)到適當(dāng)?shù)淖柚稻涂梢栽谳敵龆说玫?.6V的輸出電壓。TPS73HD301的連線圖如圖6所示。 圖6 TPS73HD301電源連接圖4.3 邏輯控制模塊 該模塊由XILINX公司的XC9536XL CPL

12、D芯片組成，主要完成外圍邏輯控制和電平轉(zhuǎn)換等功能。本系統(tǒng)選擇XC9536XL系列中的44個(gè)引腳的芯片，這44 個(gè)引腳包括3個(gè)3.3V電源輸入引腳、3個(gè)接地引腳、4個(gè)程序下載口引腳和34個(gè)I/O引腳。它具有時(shí)序嚴(yán)格，速度快，可編程性好的特點(diǎn)，與高速的DSP配合使用可以精確的控制外設(shè)和實(shí)現(xiàn)譯碼。CPLD芯片的供電電壓為3.3V，它可以與5V的外部設(shè)備連接達(dá)到電平轉(zhuǎn)換的目的。 CPLD主要是在DSP和外設(shè)之間建立了一座“橋梁”，它將DSP的控制信號(hào)組合后控制各種外設(shè)操作。當(dāng)然只利用DSP自帶的一些控制信號(hào)來控制眾多外設(shè)是不夠的，為此在CPLD內(nèi)設(shè)置了內(nèi)部映射寄存器，用于協(xié)助DSP的控制信號(hào)來控制外設(shè)

13、，由它控制的外設(shè)有FLASH、SRAM、CODEC等。外部的10MHz晶振也接到CPLD中，用于做分頻電路的輸入。CPLD與外部設(shè)備的連接如圖7所示。圖7 XC9536_15PC CPLD連接圖4.4 串行通信模塊 在本應(yīng)用系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)了DSP5416與PC機(jī)進(jìn)行串行通信模塊，PC機(jī)從標(biāo)準(zhǔn)串行口（RS232）向DSP按照一定的數(shù)據(jù)格式發(fā)送命令幀，DSP5416接收到的命令幀后按要求回復(fù)相應(yīng)的數(shù)據(jù)幀。 DSP5416串行通信部分包括標(biāo)準(zhǔn)串行通信接口（RS232）和電平轉(zhuǎn)換芯片（MAX3232ESE）等。使用標(biāo)準(zhǔn)接口不僅方便與DSP5416本身的多通道緩沖串口進(jìn)行通信，還可以與其它標(biāo)準(zhǔn)格式的異步外

14、設(shè)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。由于從DSP5416產(chǎn)生的串口信號(hào)電平為非TTL的，所以與標(biāo)準(zhǔn)的RS232串口不能直接連接，應(yīng)該在中間連接電平轉(zhuǎn)換芯片。本應(yīng)用系統(tǒng)用MAX3232ESE芯片完成轉(zhuǎn)換功能。串行通信連接如圖8所示。圖8 串行通信連接圖 5 結(jié)束語 以上主要完成了軟件無線電硬件平臺(tái)的設(shè)計(jì)，在此平臺(tái)上可通過軟件設(shè)定數(shù)字下變頻器AD6620的內(nèi)部參數(shù)，可以通過軟件加載AM信號(hào)解調(diào)算法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)中頻AM信號(hào)的解調(diào)?；谲浖o線電平臺(tái)，只要能過TMS320C5416加載不同的軟件解調(diào)算法就可以實(shí)現(xiàn)不同調(diào)制樣式信號(hào)的調(diào)制解調(diào)，能夠較好地縮短研究與設(shè)計(jì)周期。參考文獻(xiàn) 1 Joe Mitola，The Software Radio Architecture，IEEE Communications Magazine，1995，33（5）：26-38 2 楊小牛，樓才義，徐建良.軟件無線電原理與應(yīng)用，第一版，2001，電子工業(yè)出版本社，45-60 3林茂生.軟件無線電中頻接收系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)，碩士論文，大連海事大學(xué)，2004：13-26 4 劉星成，羅恒宏.軟件無線電的關(guān)鍵技術(shù)及平臺(tái)構(gòu)建初探.無線電通信技術(shù)，2000，1