数字中频调制解调系统的设计与实现

摘要：为了实现MSK数字调制解调、扩频解扩等复杂算法，设计了以TMS320C6416 DSP和Altera公司FPGAEP3SE110为核心的数字中频调制解调系统，并在此系统中成功实现MSK数字正交调制和MSK复相关解调等复杂运算。该系统的硬件架构，对工程实践数字中频调制解调系统有一定的指导意义。
关键词：TMS320C6416；EP3SE110；AD9957；AD9233；MSK调制解调

    软件无线电(SDR)是具有可重配置硬件平台的无线设备，因为更低的成本、更大的灵活性和更高的性能，迅速成为军事、公共安全和商用无线领域的事实标准。SDR基带处理通常需要处理器和FPGA，处理器通常实现系统控制和配置功能，而FPGA实现大计算量信号的实时处理。因此采用DSP+FPGA的方案符合软件无线电中的硬件可重新配置的思想。

1 电路系统设计
    数字中频调制解调系统以Ahera公司的FPGAEP3SE110为核心，来实现中频调制解调系统中MSK数字调制解调、扩频解扩、信噪比估计和RS编译码等数字信号处理功能。并在其外围加上TMS320C6416 DSP协处理器完成与信息处理器的信息处理和扩跳频图样管理，采用AD9233完成模拟中频到数字信号的转换，采用AD9957将调制后的MSK数字信号转换成70 MHz的模拟中频，系统总体框图如图1所示。

1．1 TMS320C6416的内部结构
    在本系统中，采用了一片TMS320C6416A8作为协处理器，处理外界接收到的各种通信消息，完成格式的转换、信息预处理、端机运行控制，扩跳频图样计算与管理等功能。TMS320C6416是TI公司推出的TMS320C6000系列中的定点的高速DSP芯片，它采用超长指令字体系结构，CPU时钟频率最高可达到1 GHz时，其运算能力最高支持8条指令并行执行，定点处理能力最高可达8 GIPS。它有64个相互独立增强的可编程E-DMA通道，可独立于CPU进行工作，以CPU时钟速率进行数据吞吐。DSP在上电时根据相应管脚的状态确定Boot模式、工作频率。TMS320C6416有三种上电自举方式：No Boot引导、HPI引导与ROM引导。DSP在复位时检测BEA[19：18]引脚电平状态来确定采用何种Boot模。TMS320C6416T的PLL系数选择由引脚CLKMODE1和CLKMODE0决定，复位时系统检测这两个引脚的状态，根据这两个引脚的状态，决定选择不同的PLL系数，有BY-PASS方式、×6方式、×12方式、×20方式。本板选用40MHz的外部晶振时钟输入，PLL的倍频系数设为20倍，CPU的系统时钟运行在800MHz。
1．2 外部存储器
1．2．1 EMIFA与SDRAM的接口
    TMS320C6416片内有1 MB的内部RAM存储器，而用于通信消息格式转换的程序需要500 KB的存储空间，还需要1 MB的数据存储空间，其片内存储器不能满足以上程序运行和数据处理的需要，因此电路系统扩展了大容量的SDRAM以存放相关的数据以及程序。
    基于以上需求，DSP外部SDRAM采用1片Micron的MT48LC8M3282 8M×32映射到EMIFA总线的CE0外部存储空间。Micron的MT48LC8M3282是86-pin TSOP的CMOS同步DRAM，最高工作频率(处理速度)为166MHz(5．5 ns)。SDRAM设备时钟始终控制在CPU时钟速率的1／6，即当CPU芯片以800 MHz运行时，SDRAM以133 MHz运行。
1．2．2 EMIFB与程序FLASH的接口
    FLASH存储器是在EPROM和E2PROM的基础上发展起来的一种非易失性存储器，在掉电情况下仍能保证数据不丢失，并能够在线实施擦除和再编程操作。在TMS320C6416的应用程序的开发中，程序代码或数据表是要保存在FLASH或其他非易失存储器中，以保证掉电时代码仍在，程序在加电复位后自动运行。TMS320C6416的EMIFB通过异步接口可以支持8位FLASH配置。要实现TI公司TMS320C6416的外部ROM自举，8b的ROM ／FLASH存储器必须配置在TMS320C6416的EMIFB总线上的CE1空间。本系统使用的程序FLASH芯片为Spansion公司S29GL256P，该FLASH芯片是一种存储量32M×8 b的闪速存储器，存取时间为90 ns，能够在线擦除，并能在大多数标准的微处理器总线上通过特殊的编码命令序列编程。为了方便以后FPGA和DSP程序的远端动态更新，本系统采用了FPGA和DSP共享FLASH的方式，当DSP收到上位机更新程序的命令后，通过更新FLASH中相应段的内容，来更新相应FPGA或DSP程序。
1．2．3 EMIFA与FPGA双口RAM的接口
    在本系统中，为了实现并行处理，需要实现DSP与FPGA之间的数据通信，考虑到数据交换的处理速度和软件编译的难易程度，本系统采用FPGA内建双口RAM的方式实现这一功能，具体的实现方式采用中断方式，当DSP收到上位机通过高速LVDS传来的下时隙发送数据命令后，将下一时隙要发射的数据和计算好的扩跳频图样，放到与FPGA通信的发射数据单元双口RAM内，向FPGA内控制模块双口RAM写中断命令，FPGA收到中断后，跟据内部的时隙控制信号，完成RS编码，MSK数字调制，频合控制，将基带调制数据送给AD9957，产生70 MHz模拟调制信号，送给上变频单元。当DSP收到上位机传来的下时隙接收数据命令后，将下一时隙伪码和跳频图样计算好后，通知FPGA，FPGA根据AD9233采样信号进行同步捕获、解扩、解跳、译码，将解调译码后的信息送到与DSP通信的接收数据单元双口RAM后，给DSP产成中断信号，这个中断信号使DSP完成一次EDMA传输，EDMA传输完成后，DSP发出中断清除命令，并将接收到的信息报给上位机，从而完成一次完整的数据发送和接收。
1．3 FPGA模块
    本系统中采用了Altera公司的StrixⅢ系列EP3SE110作为核心处理器，完成了数字中频MSK调制解调、RS编译码、CRC校验码、信号信噪比估计、频合控制、收发通道自检控制、收发延时测量、TOA测量、各种时隙信号产生和对外600 MHz高速LVDS串行通信等功能。StrixⅢ系列FPGA是Altera公司具有全新构架的高密度产品。它采用65 mm工艺，与StratixⅡ相比，器件的逻辑密度是前者的2倍，功耗降低了50％，性能提高了25％。本设计采用的EP3SE110芯片，片上LVDS总线最高速率可以达到1．25 Gb／s，该芯片集成有106 500 LE，896个18×18乘法器，16个全局时钟网络，88个等效LVDS通道，片上RAM达到9 Mb的容量。FPGA的加载方式采用FPP方式，加载时序控制由CPLD来完成。600 MHz高速LVDS采用FPGA内部的SERDES来完成，为保证数据高效可靠的传输，数据传输采用8b10b编码。
1．4 D／A模块
    D／A采用AD9957。AD9957是具有18位I，Q数据通路和14位DAC的1GSPS正交数字上变频器。它在单片上集成了高速直接数字频率合成器(DDS)、高速14位数模转换器、时钟乘法器电路、数字滤波器以及其他DSP功能。AD9957有3种工作模式：正交调制模式、单频输出模式、插值DAC模式。
    本系统中MSK调制方式采用正交调制，AD9957在正交调制模式下主要设置的工作参数有时钟倍频、频率控制字、内插因子、D／A输出增益控制等。时钟倍频：AD9957的系统时钟频率=输入时钟频率×倍频。系统的载波是由DDS提供的，其工作时钟等于系统时钝。根据抽样与恢复定理，DDS的工作时钟至少要两倍于载波频率，才有可能产生完整的载波信号。一般情况下，为使DDS产生的载波更为稳定，其频率要小于系统时钟的40％。为了保证输出信号的频谱质量，本板的800 MHz系统时钟直接由时钟综合器产生。AD9957内部锁相环采用旁路方式，内插滤波器系数设为5，产生与外部基带调制数据同步的80 MHz时钟PDCLK。
1．5 A／D模块
    A／D部分的设计采用ADI公司的AD9233和差分放大器AD8352配合使用，进来的70 MHz模拟中频信号先经过AD8352放大后再送给AD9233进行处理，AD9233可以在70 MHz输入频率下提供85 dBc的SFDR性能，通过SPI或硬件连接，采样后的数据可以输出为二进制补码、偏移码和格雷玛。ADI公司的AD8352低失真放大器可以用于单端转差分输入，来缓冲和与多种12 b，14 b和16 b的高速模数转换器接口。AD8352可以在频率为180 MHz时达到一个高达80 dB的无杂散动态范围，差分放大器的增益范围在0～24 dB之间，可以按照单晶体管要求进行调节。
1．6 CPLD模块
    CPLD采用Altera公司的MAXⅡ系列的EPM2210F324来实现系统电源上电顺序控制电压监测、软件看门狗、时钟综合器的配置和FPGA与DSP的程序加载等功能。具体实现如下：系统上电时根据系统电源上电要求，控制电源模块加电使能端来控制上电顺序。通过电压监测芯片，对系统电压异常进行监测，根据异常情况进行系统复位或切断电源。通过内建计数器，实现软件看门狗功能，软件看门狗可以通过DSP使能打开或关闭，以方便系统调试。系统正常上电后通过SPI配置时钟综合器，产生系统所需的时钟。时钟配置完成后，CPLD控制FPGA采用FPP方式从FL-ASH中加载程序，当FPGA加载成功后，根据FPGA的配置引脚CONFIGDONE状态，将FLASH控制权交给DSP，控制DSP完成程序的加载。
1．7 时钟和电源模块
    实现数字中频调制解调系统的时钟电路设计如下：板内40 MHz恒温晶振与外部供给的10 MHz原子钟通过时钟综合器ADI公司的AD9522做双时钟切换、主备时钟备份，CPLD根据需要配置时钟综合器生成DSP与FPGA的40 MHz工作时钟、AD9233的40MHz或80 MHz采样时钟、AD9957的800 MHz输入时钟。电源采用凌特公司的LTM4600产生FPGA和DSP的I／O电压3．3 V和FPGA的核电压1．1 V，采用凌特公司的LT1764产生FPGA的2．5V电压，采用TI公司的TPS54310产生DSP的核电压1．2V，用凌特公司的LT1764产生AD9233的模拟电源1．8V和AD9957的模拟电压3．3V。

2 软件设计
2．1 MSK数字扩频调制
    根据理论分析，MSK可以看作是具有正弦加权的OQPSK，系统采用具有正弦加权的OQPSK的调制方案，原理框图如图2所示。
   

    在硬件电路实现时，MSK基带调制(图中实线部分)在FPGA中实现，当接收到系统的发送允许St_TCLK时，启动MSK基带调制，从RAM中读取发送信息数据，从低位开始进行差分编码、根据消息和伪码进行伪随机扩频，将扩频后的数据进行串并变换、正余弦加权运算，之后将正余弦加权后数据送给D／A处理。中频调制(图中虚线部分)采用AD公司的带D／A转换的正交数字上变频器AD9957完成，AD9957可以实现数据的内插滤波、正交上变频、D／A转换输出等功能，本系统设置中频频率为70 MHz。
    由于基带MSK调制就是对并行的两路数据进行正弦加权，即每个比特对应于周期为fb／4的半个的正弦波形，根据0／1选择不同的相位，因此在具体实现中，可以采用查找表的方法，根据内插系数先产生半个波长的正弦波信号数据进行存储，在调制时根据数据选择输出不同相位的半个周期正弦波形。
    图3表示的是在板运行时，在QuartusⅡ的在线逻辑分析仪SignalTap上采集的MSK基带调制波形，其中Ldata为I路调制数据。

2．2 MSK数字解扩解调
    本板的信息解调采用解扩解调一次完成的方案：即在系统完成捕获和同步的情况下，利用扩频码的相关性，通过相关运算，解出信息，因此系统接收方案就归结为如何对相关峰进行捕获的问题。
    由于本系统的信号带宽为5 MHz，因此可以根据欠采样理论，对70 MHz模拟中频信号进行40 MHz欠采样；根据数字信号处理理论，对70 MHz模拟中频信号进行40 MHz采样，相当于一次下变频，将频谱搬移到10 MHz的载频上，通过本地的10 MHz的NCO，对采样后的信号进行数字正交下变频，采用低通滤波器，滤掉高次谐波分量，变为基带信号后，在与本地的PN码所对应的MSK基带信号进行基带复相关运算，运算后的实部与虚部的模值就是最大相关峰值。基带复相关原理框图如图4所示。

    图5为根据基带复相关原理，在板运行时解出的相关峰，根据实际测试结果，该方法完全可以满足系统的指标要求，并具备一定的抗多径和多普勒频偏的能力。

3 结论
    通过采用DSP+FPGA的方案构建的中频调制解调系统能够更好地完成中频调制、解调、编译码、扩频解扩和消息预处理等功能。将对时序要求严格的算法放到FPGA中实现，系统控制和消息预处理由DSP来完成，这样使得系统调试更加方便。通过该系统还可以实现QPSK。16QAM等其他多种调制方式，通过DSP对FPGA的不同配置，实现信号不同调制解调方式的切换，来实现中频意义上的软件无线电。