基于FPGA+DSP的跳頻電臺傳輸系統(tǒng)的設(shè)計方案分析

基于FPGA+DSP的跳頻電臺傳輸系統(tǒng)的設(shè)計方案分析高速率跳頻、高帶寬技術(shù)是提高跳頻發(fā)射機性能的關(guān)鍵，本文結(jié)合軟件無線電思想和架構(gòu)，提出一種基于FPGA+DSP的跳頻電臺傳輸系統(tǒng)的設(shè)計方案，該系統(tǒng)兼容多種調(diào)制方式和跳頻速率及數(shù)碼率。系統(tǒng)采用上下變頻器作為系統(tǒng)基帶信號與中頻信號之間的頻率轉(zhuǎn)換器，還給出了系統(tǒng)電路原理圖和程序流程圖。引言跳頻技術(shù)是一種具有高抗干擾性、高抗截獲能力的擴頻技術(shù)［1］。接收系統(tǒng)是跳頻通信系統(tǒng)中非常重要的部分，自適應(yīng)跳頻技術(shù)、高速跳頻技術(shù)、信道編碼技術(shù)、高效調(diào)制解調(diào)技術(shù)成為近年來跳頻技術(shù)發(fā)展的新動態(tài)，基于FPGA的跳頻通信接收系統(tǒng)［2］研究有很高的應(yīng)用價值。跳頻電臺就是采用了頻率跳變來擴展頻譜，提高抗干擾能力，在軍事通信中得到了廣泛的應(yīng)用［3］?；贔PGA+DSP的跳頻電臺傳輸系統(tǒng)的設(shè)計方案［4］具有很好的可移植性。無線通信調(diào)制解調(diào)紛繁復雜，數(shù)碼率及誤碼率要求也不盡相同，該傳輸系統(tǒng)還需要能夠自適應(yīng)地檢測跳頻電臺的時鐘信息及同步碼，并進行相應(yīng)的處理，以滿足業(yè)務(wù)速率的接收解調(diào)。本文系統(tǒng)中采用Xilinx公司的VIRTEX5XC5VSX50T668FPGA，該芯片具有先進的高性能邏輯架構(gòu)，包含多種硬IP系統(tǒng)級模塊，并且還支持以太網(wǎng)與PCIExprees端點模塊。其中RocketIOGTP收發(fā)器的設(shè)計運行速度為100Mb/s～3.75Gb/s，RocketIOGTX收發(fā)器的設(shè)計運行速度為150Mb/s～6.5Gb/s。1系統(tǒng)總體架構(gòu)該系統(tǒng)采取半雙工形式進行工作，通過PTT進行收/發(fā)切換。高速跳頻通信系統(tǒng)可具體化為發(fā)送狀態(tài)模型和接收狀態(tài)模型。本系統(tǒng)的硬件設(shè)備分為兩個實體，一個負責發(fā)送數(shù)據(jù)，一個負責接收數(shù)據(jù)，主要的軟件工作在基帶板和中頻板卡上。系統(tǒng)總體框架圖如圖1所示。圖1系統(tǒng)總體框架圖基帶板芯片主要包括FPGA和DSP，處理器間使用RapidIO接口交換數(shù)據(jù)，中頻板主要由FPGA和AD/DA轉(zhuǎn)換芯片組成，基帶板和中頻板通過高速SERDES傳輸信號數(shù)據(jù)，基帶信號經(jīng)過信道編碼、交織、軟擴頻，然后添加同步頭，組成特定的幀格式后，寫入FPGA的發(fā)送消息存儲區(qū)，其結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。圖2基帶板與中頻板框圖從圖2可以看出，在發(fā)送端，數(shù)據(jù)終端或語音終端將數(shù)字信息送入基帶信號處理器（高速通用FPGA+DSP），然后DSP對這些數(shù)字信息進行基帶處理，得到數(shù)字化的基帶信號并送入FPGA進行數(shù)字中頻處理（頻譜上搬移過程），用數(shù)字化的方法將信號搬移中頻上，數(shù)字化的中頻信號再經(jīng)過寬帶D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化為模擬信號，最后經(jīng)由射頻電路將載有信息的電磁波送入自由空間。圖3跳頻發(fā)射機結(jié)構(gòu)框圖圖4跳頻接收機結(jié)構(gòu)框圖當接收信號到達接收端后，經(jīng)過前端電路的模擬中頻信號將通過寬帶A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，并送入FPGA經(jīng)行中頻處理（頻譜下搬移過程），F(xiàn)PGA在把解調(diào)以后的數(shù)字基帶信號送入DSP，DSP在完成接收基帶處理以后，將把信息序列送入遠端的語音終端或數(shù)據(jù)終端，這樣就完成了一次完整的通信過程。對于其中的處理器，本課題選用了TI公司的DSP芯片TMS320C6487TCI和Xilinx公司的FPGAVIRTEX5XC5VSX50T668作為高速跳頻系統(tǒng)實現(xiàn)的硬件架構(gòu)載體。其中Xilinx公司的Virtex5系列采用第二代ASMBL（高級硅片組合模塊）列式架構(gòu)，包含5種截然不同的平臺（子系列），比此前任何FPGA系列提供的選擇范圍都大，它具有運算速度高、使用靈活、功耗低等優(yōu)點，可以快速地完成數(shù)字信號處理中的特殊運算。2系統(tǒng)設(shè)計跳頻發(fā)射機系統(tǒng)包括基帶處理部分和中頻處理部分，基帶處理部分由FPGA和DSP完成，主要處理包括：產(chǎn)生發(fā)送消息，進行信道編碼［5］、交織，按幀格式進行打包，寫入FPGA內(nèi)部消息存儲器，生成跳頻圖案、跳頻數(shù)、跳時等參數(shù)，寫入FPGA內(nèi)部頻率表存儲器、跳頻數(shù)寄存器和跳時寄存器。中頻處理部分由FPGA和AD/DA完成，主要處理包括：存儲器控制、基帶調(diào)制、脈沖成