（信号与信息处理专业论文）基于dsp的超窄带无线收发信机的设计与实现.pdf

东南大学硕士学位论文 摘要 如何有效利用无线频谱资源，提高数字通信频谱利用效率，是当今数字通信领域研究的热点。 超窄带( u n b ，u l t r an a r r o wb a n d ) 通信正是一种可以提供极高频谱利用率的技术，有望达到 l o o b p s h z 。东南大学吴乐南教授等人提出了v w d k ( v e r y - m i n i m u mw a v e f o r m d i f f r e n c ek e y i n g ) 调制方法，用于超窄带通信。本课题研制了一台使用v w d k 调制技术的无线收发信机样机，用 于验证v w d k 通信技术的性能及可行性。 本文提出了一种基于d s p 的超窄带无线收发信机设计方案。设备使用高性能浮点d s p 芯片 实现v w d k 通信信号处理算法，完成数据传输协议处理工作，实现超窄带双向数字无线通信。 通过高速a d c 、d a c 与d s p 芯片之间进行d m a 数据传输，实现了调制信号的实时采集和发送。 采用大规模可编程逻辑器件c p l d ，实现对信号采集，发送模块的控制功能，提高了系统的集成 度。开发了p c 机端监控软件，实现了收发信机通信控制、状态监视、数据终端等功能。使用t i 公司的r t d x 数据传输接口，实现了硬件模块与p c 监控软件的通信。目前本样机经测试性能已 基本达到要求，并实现了与p c 机平台v w d k 通信仿真软件的双向通信。 本文首先介绍v w d k 调制技术的通信原理，以及收发信机的总体设计方案，然后探讨了基 于m a t l a b 、c + + 程序，以及d s p 开发板平台实现的3 套系统方案验证仿真系统，接下来详细阐述 了收发信机硬件模块的设计方案，以及d s p 程序和p c 机监控软件的设计思想，最后给出了系统 的设计结果及改进设想。 关键字：超窄带；最小波形差键控；数字信号处理器；软件无线电 东南大学硕士学位论文 a b s t r a c t h o wt om a k ee f f i c i e n tu s eo fr a d i of r e q u e n c y 托s o u r a n di m p r o v ef r e q u e n c yb a n d w i d t h e f f i c i e n c yo fd i g i t a lc o m m u n i c a t i o ni sah o t s p o ti nm o d e md i g i t a lc o m m u n i c a t i o nr e s e a r c hf i e l d u n b ( u l t r an a r r o wb a n d ) c o m m u n i c a t i o ni ss u c hat e c h n i q u et h a ti s a b l et op r o v i d ee x t r e m e l yh i g h f r e q u e n c yb a n d w i d t he f f i c i e n c yu pt ol o o b p s h z p r o f w ul e n a np r o p o s e dv w d k ( v e r y - m i n i m u m w a v e f o r md i f f r e n c ek e y i n g ) m o d u l a t i o nw i t hh i sc o o p e r a t o rf o rt h eu n bc o m m u n i c a t i o n au n b w i r e l e s st r a n s c e i v e ru s i n gt h ev w d km o d u l a t i o ni sd e v e l o p e d ，i no r d e rt ov e d f yt h ep e r f o r m a n c ea n d f e a s i b i l i t yo f t h i sc o m m u n i c a t i o nt e c h n i q u e a d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no f u n b w i r e l e s st r a n s c e i v e rb a s e do i ld i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r s p ) i sd e s c r i b e di nt h ep a p e r t h i sa p p a r a t u su s e sah i g hp e r f o r m a n c ef l o a t i n g - p o i n td s pt oi m p l e m e n t v w d kc o m m u n i c a t i o np r o c e s s i n ga r i t h m e t i ca n dd a t at r a n s f e r p r o t o c o l ，a c c o m p l i s h e d u n b b i - d i r e c t i o nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n t h ed a t at r a n s f e rb e t w e e na d c ，d a ca n dd s pc h i pi s i m p l e m e n t e du s i n ge d m ac o n t r o l l e ri nd s p ac p l dc h i pi su s e dt og e n e r a t ec o n t r o ls i g n a l sf o rd a t a a c q u i s i t i o na n d t r a n s m i s s i o n ap cs o f t w a r ei s d e v e l o p e dt oi m p l e m e n tw i r e l e s s t r a n s c e i v e r c o m m u n i c a t i o nc o n t r 0 1 s t a t u sm o n i t o ra n dd a t at e r m i n a l a tp r e s e n t , t h i sp r o t o t y p eh a sb e e nd e s i g n e d ， a s s e m b l e de n dt e s t e d t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ev w d kc o m m u n i c a t i o nt e c h n i q u eb r i e f l ya tf i r s t , t h e nd i s c u s s e st h e d e s i g no ft h r e eu n b w i r e l e s st r a n s c e i v e rs i m u l a t i o ns y s t e mi m p l e m e n t e db ym a t l a b ，c + + a n dad s p e v a l u a t i o nb o a r d t h ew o r k i n gp r i n c i p l e ，d s pp r o g r a ma n dp cs o f t w a r ed e s i g no ft h eu n bw i r e l e s s t r a n s c e i v e ri sd e s c r i b e d f i n a l l yt h i sp a p e rp r e s e n t st h er e s u l to fs y s t e md e s i g na n ds o m ei m p r o v e m e n t a d v i c e k e y w o r d ：u n b , v w d k ：d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ；s o f t w a r er a d i o 东南大学硕士学位论文 插图索引 图1 - 1v w d k 的发送端和接收端模型2 图1 - 2v w d k 的调制波形3 图1 3v w d k 调制信号功率谱密度3 图2 1超窄带无线收发信机原理框图5 图2 - 2超窄带无线收发信机系统结构框图9 图3 1m a t l a b 仿真平台模块框图1 2 图3 - 2m a t l a b 仿真平台的程序界面1 3 图3 3p c 平台c 抖实现收发信机软件模块框图1 6 图3 - 4p c 平台c + + 实现收发信机软件程序界面1 7 图3 5p c 机平台收发信机软件声卡接收数据波形实时显示功能1 7 图3 - 6局部放大显示的接收信号频谱1 8 图3 7局部放大显示的接收信号频谱1 8 图3 - 8短消息发送操作1 9 图3 - 9短消息接收显示图1 9 图3 1 0 程序数据处理流程。2 l 图3 1 16 7 1 3 d s k 开发板实物图2 3 图3 1 26 7 1 3 d s k 开发板硬件模块图2 4 图3 1 3d s p b i o s 设备驱动程序模型2 6 图3 1 4r t d x 传输模型2 7 图3 1 5r t d x 接口模块图 。2 7 图4 - 1d s p 处理模块实物照片。2 9 图4 2d s p 处理模块结构框图。2 9 图4 - 3信号生成与采集系统模块框图。3 0 图5 1d s p 程序模块图。3 3 图5 - 2d s p 程序模块层次图一3 4 图5 - 3d s p 程序运行流程图3 5 图5 4d s p 程序运行流程图3 7 图5 5d s p 程序数据处理流程3 8 图5 - 6卷积码编码器4 l 图6 1收发信机p c 端监控软件模块框图。4 5 图6 - 2收发信机p c 监控软件程序界面。4 6 v 东南大学硕士学位论文 表格索引 表3 1 程序数据处理模式2 0 表3 - 2d s k 开发板a 1 c 2 3 驱动程序文件列表2 6 表3 - 3r t d x 命令帧类型2 8 表5 1d s p , b i o s 任务调度对象类型3 6 表5 - 2d s p 程序线程列表。3 7 表5 _ 3 通信数据帧格式4 2 表5 4d s p b i o s 设备驱动程序i o m 接口函数4 3 表6 lr t d x 接口p c 机端a p i 函数4 7 v i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我 一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 圣丢日期：垄塑靠i 习堑毋 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印 件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括 刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名： 第一章绪论 第一章绪论 1 1 超窄带通信技术概述 随着数字通信技术的迅猛发展，越来越多的无线数字通信系统被人们广泛应用到社会的各个 角落。从日常生活里使用的移动电话系统，到办公室里常用的无线局域网，数字无线通信技术都 展现出了其使用方便、稳定可靠的优点。 目前无线数字通信系统的一个显著发展趋势，就是为用户提供越来越高的数据传输率。以移 动电话为例，作为第二代移动技术g s m 系统以c s d ( 电路交换数据) 方式传输数据可达到t 4 4 k b p s ， 使用2 5 代的g p r s 传输数据理论上最高可达到1 6 0 k b p s ，而3 g 移动通信系统则可以在广域覆盖 下提供3 8 4 k b p s 的数据速率，在局域覆盖下提供大约2 m b p s 的数据速率。另一个例子是无限局域 网，从最初的i e e e8 0 2 1l b 协议提供的l1 m b p s 到8 0 2 1l w g 提供的5 4 m b p s 甚至1 0 8 m b p s ，用户 的可用数据传输率提高了近l o 倍。 然而在现有的常用数字通信技术条件下，这种高速数据通信的要求使得对无线颓率资源的占 用迅猛增加。g s m 系统占用了8 9 0 9 6 0 m h z 及1 7 1 0 1 8 8 0 m h z 频带，3 g 系统占用了1 8 8 5 - 2 0 2 5 m h z 及2 1 1 0 2 2 0 0 m h z 频带，8 0 2 1 l b g 系统占用了2 4 0 0 - 2 4 9 7 m h z 频带，8 0 2 1 1 a 系统占用了 5 1 5 0 。5 8 5 0 m h z 频带。有限的频谱资源随着越来越多的无线通信系统投入使用，剩下的可用部分 越来越少。各国政府和相关机构对可用频谱资源都进行了详细的规划和严格的控制，申请利用新 的频谱资源的代价也越来越高昂。如何提高数字通信的频谱利用效率一直是无线通信领域里的热 门研究课题，在目前的状况下则更加显得重要和急迫。像高阶q a m 、o f d m 、m i m o 等热门新 技术的广泛研究和应用也都瞄准了这一目标。 近一、二十年里，商用数字通信系统的调制技术不断进步，频谱利用率也不断提高，但并未 从本质上有所突破。以g s m 系统为例，其采用的g m s k 在2 0 0 k h z 带宽中实现每时隙2 2 8k b p s 的传输速率，3 个时隙加在一起其频谱利用率为0 9 1 2 b p s h z 。在增强型数据速率g s m 演进技术 ( e d g e ) 标准中，采用多电平调制方式( 8 p s k ) 实现了每时隙6 9 6k b p s 的传输速率，频谱利用率 提升为2 7 8 4 b p s h z 。与这些传统数字通信调制技术相比，本课题所研究的超窄带通信技术最大的 突破点就在于频谱利用率有望达到l o o b p s h z 。 超窄带( m 旧：u l t r a n a r r o w b a n d ) 通信( 又被美国的p h o t o n t e c h n o l o g i e s 公司商业注册为 u s m ：u l t r as p e c t r a lm o d u l a t i o n ) 是一种可以提供极高频谱利用率的技术，最初由美国人h i l w a l k e r 发明于1 9 8 8 年申请第一项专利，到目前为止，经历了v p s k ，增强型v p s k ，v m s k 和 p r k 等4 个阶段【i 。1 。受v m s k 的启发，吴乐南教授等人提出了v w d k ( v e r y - m i n i m u m w a v e f o r m d i f f e r e n c e k e y i n g ) 调制方法l m 】，用于超窄带通信。一般的超窄带通信较容易达到 s b p s l - l z 的频 谱利用率；对于同样的调制效率，理想情况，需要3 2 7 6 8 - q a m 才能达到相同的目标，但是付出 的代价是极高的信号功率和处理复杂度。超窄带通信不但以极高的频谱利用率为设计目标。而且 要求不能以大的信号功率为代价。 关于高效调制方式的研究主要集中在美国的新泽西州和中国的东南大学。新泽西州的研究团 队是一个由8 2 岁的具有近6 0 年经验的电子电路工程师h r w a l k e r 先生领导的以电子电路工程 师为主的团队；东南大学的研究团队则是以吴乐南教授领导的具有数个博士和硕士生的年轻而朝 气蓬勃的团队。目前本课题已得到江苏省高技术研究( b g 2 0 0 4 0 3 5 ) “超窄带高速通信的关键技 术研究”和国家自然科学基金“超窄带高速通信的理论与关键技术”( 6 0 4 7 2 0 5 4 ) 的立项支持。 1 2v w d k 通信原理 v w d k 是一种类正弦信号键控调制方法，使用两个特殊设计的码元波形来表示数字1 和 0 ，其调制、解调模型如图1 1 所示。 和 图1 - 1v w d l k 的发送端和接收端模型 i 上s i n 2 , - - ，o f 丛 脚2 k 笛石菘2 r 五( t ) = - f , ( t - t ) 式中口( o ，1 ) 表示调制指数。当口= o 8 时，它们的波形如错误! 未找到引用源一2 所示。 2 第一章绪论 o24881 0 r 岫i 捆_ q f i i + t ) 图1 - 2 v w d k 的调制波形( a = 0 8 ) 圈i - 3 v w l ) k 调制信号功率谱密厦( a = 0 8 ) 如果用 表示0 和1 等概的随机序列t 那么一个v w d k 调制信号可以表示成 + 0 04 - 0 0 s ( d = a f ( t n t ) + ( 1 一) 石o n t ) n = - o on = 啦 式中r 表示码元周期。对随机序列采用v w d k 调制得到的信号功率谱密度如图1 3 所示，可见其 信号功率主要集中在第一根谱线周围。通过调整调制指数a 及发送滤波器系数，可进一步限制调 制信号的边带功率 s - 6 。 1 3 论文的主要工作 本论文主要研究了采用v w d k 调制技术的无线收发信机的设计与实现，探讨了v w d k 调制 技术用于实际数字通信系统的可行性。在研究过程中，先后搭建了3 套系统算法仿真验证平台， 用于进行方案的可行性研究。 首先选用的是p c 机上的m a t l a b 平台进行v w d k 调制解调实时通信的仿真。使用此平台的 优势是只需简单修改函数接口，就能够直接使用本课题组其他同学的m a t l a b 算法实现代码，从两 降低了仿真系统的编程工作量，加快了仿真系统的搭建速度。此外，由于本课题组其他同学大都 采用m a t l a b 语言进行算法研究，因此采用m a t l a b 搭建的仿真平台可较方便地及时更新、添加各 种新算法，便于以后长期使用。在m a t l a b 仿真平台中直接使用了p c 机的声卡充当收发信机的 a d c 和d a c ，采样速率为4 8 k h z ，采样精度为1 6 b i t 。 由于m a t l a b 本身的代码执行效率较低，占用内存较大，在算法复杂度提升之后无法实现通信 数据的实时处理，因而有必要重新选择编程语言搭建新的收发信机仿真平台。借鉴在m a t l a b 平台 使用p c 机声卡充当收发信机a d o 和d a c 的经验，第二套算法仿真验证平台仍然在p c 机上实 现，但全面使用高效的c + + 语言来编程。这套仿真系统的开发工作主要集中在通信信号处理算法 从m a t l a b 向c + + 的移植上，此外还涉及一些w i n d o w s 多线程编程、多媒体编程方面的程序开发。 第三套算法仿真验证平台实现了从p c 机向d s p 硬件平台的迁移。为了加快移植速度，降低 移植难度，硬件平台选用了t i 公司的3 2 位浮点d s pc 6 7 1 3 的开发板。这套仿真系统的开发工作 3 o 卯 fz盖已ggi皇；正 主要集中在通信信号处理算法从c + + 向a n s ic 的移植上，此外还涉及一些d s p b i o s 框架下的 嵌入式实时信号处理系统任务调度、数据流传输方面的程序开发。 在以上3 套系统算法仿真验证平台开发、研究的过程中，本课题最终要实现的基于d s p 的超 窄带无线收发信机的硬件设计、组装，调试工作也在同步进行中。由于收发信机的硬件设计与调 试主要由课题组其他同学负责完成，本文只对这部分作简要介绍，不做深入探讨。 收发信机的最终样机是在本课题组自行开发研制的硬件平台上完成的，因此本文的重点内容 是研究该平台上的d s p 程序结构及算法实现。由于在搭建d s k 开发板仿真平台的过程中已经完 成主要算法的c 语言移植工作，因此在最终硬件平台上的主要工作是编写高速a d c d a c 数据i o 接口的驱动程序，并优化d s p 程序结构以保证通信信号处理的实时性。 收发信机p c 端监控软件是在c + + 版收发信机仿真软件的基础上添加了收发信机样机监控功 能修改而成的。能够通过r t d x 接口与d s p 模块通信，控制收发信机工作模式，查询其工作状 态，充当收发信机的数据终端。 最终收发信机样机的设计、开发与前面3 套系统算法仿真验证平台也是脉相承的，采用的 调制算法、编码算法、帧格式都保持一致。因而这4 套不同硬件平台、软件构架的超窄带收发信 机在载波频率、编码速率一致的情况下，可实现任意双机互通。这种设计不但为以后针对v w d k 系统的进一步算法研究和仿真、实现提供了良好的实验平台，也为研究其它数字传输体制提供了 分析、对比，验证、评估的原理样机通用展现平台。 4 第二章系统总体设计 第二章系统总体设计 2 1 超窄带无线收发信机的基本组成 本课题设计超窄带无线收发信机的重要目标是对v w d k 调制技术的实用性进行研究，为此 需要实现可靠的双向无线链路数据传输。整套超窄带通信样机可分为4 个组成部分： ( 1 ) 射频发送模块：负责将d s p 模块生成的超窄带已调模拟信号通过天线发射出去。 ( 2 ) 射频接收模块：通过天线接收超窄带信号，将幅度预处理后的已调模拟信号送给d s p 模 块解调。 ( 3 ) d s p 处理模块：这是本系统的核心，要实现通信系统的m a c 层和物理层数字信号处理。 发送数据时对数据进行分组、信道编码、交织、调制操作，再通过高速d a c 转换成模拟信号送 给射频发送模块。接收数据时对高速a d c 生成的数据流进行数字滤波、解调、解交织、信道解 码等操作。此外发送和接收的数据可传送给p c 机上的数据分析软件，实现实时数据通信以及误 码率分析等功能。 ( 4 ) p c 机数据分析软件：这是系统的重要组成部分，可与d s p 模块通信，实现对系统各模块 的控制和运行状态的监视，以及接收、发送数据的分析处理。 整个系统框图见图2 - 1 。图中射频发送接收模块和d s p 处理模块是需要自行设计的硬件模块。 射频发送模块与d s p 处理模块之问、射频接收模块和d s p 处理模块之间均有模拟信号传输接口。 这3 个硬件模块安装于同一箱体内，构成可以独立供电运行的无线收发信机硬件部分。p c 机部分 的主要工作是开发一套w i n d o w s 操作系统下运行的数据分析、控制软件。p c 机与d s p 处理模块 之间通过u s b2 0 接口连接，实现高速数据传输。 图2 - i 超窄带无线收发信机原理框图 5 2 2 系统的设计目标 本课题实现超窄带无线收发信机的设计和样机的调试。设计要求实现的功能如下： ( 1 ) 在d s p 芯片内编程实现超窄带调制解调算法； ( 2 ) 实现超窄带无线收发信功能，能够进行数据实时传输。 设计要求的技术指标如下： ( 1 ) 载波频率：1 0 k h z - l m h z 可调； ( 2 ) 频带利用率：1 0 b p s m z - 5 0 b p s h z 可调； ( 3 ) 数据传输速率：1 0 k b p s - l m b p s 可调。 2 3 设计方案论证 2 3 1 数字信号处理硬件 本课题所设计的超窄带无线收发信机的重要目标，是对v w d k 调制技术的实用性进行研究。 由于v w d k 本身是一种非正弦载波调制技术，传统数字通信理论中的等效基带理论在此并不适 用，因而对v w d k 信号晟有效的处理方式是直接对载波信号进行数字信号处理。在实现v w d k 信号调制算法时，可使用直接数字频率合成( d d s ：d i r e c td i g i t a lf r e q u e n c ys y n t h e s i s ) 技术，生成 调制信号的幅度样本，经过d a c 得到模拟信号。在进行v w d k 信号解调时，可将接收到的模拟 信号通过抗混叠滤波器后，使用高速a d c 得到接收信号的幅度采样，再进行数字信号处理。 目前常用的高速数字信号处理器件分为3 类。第一类是专用集成电路( a s i c ：a p p l i c a t i o n s p e c i f i ci n t e g r a t e dc i r c u i t ) 芯片。像g s m 手机，基站中使用的数字下变频、数字混频等芯片都属于 a s i c 。这类芯片的特点是处理速度快、性能稳定，但是一般功能单一、算法固定，很难搭建算法 复杂的专用数字信号处理系统。对于本系统，尚无合适的a s i c 数字信号处理芯片可以直接使用。 第二类高速数字信号处理器件是可编程逻辑器件( p l d ：p r o g r a m a b l el o g i cd e v i c 曲。常用的 大规模p l d 器件包括c p l d 、f p g a 等。其特点是用户可以自由定制芯片内的门电路连接方式， 配置出各种时序电路和组合逻辑电路，速度快、容量大，芯片内整合的外围器件丰富。高档的f p g a 芯片时钟频率达上百m h z ，片内资源达几百万门，并且集成了s r a m 、p l l 等外围器件。充分利 用了大规模f p g a 芯片内资源设计的数字电路系统，可同时实现几十个甚至上百个数字信号处理 单元的并行运行及流水线操作，这种情况下的数字信号处理速度、效率己接近a s i c 的水平。因 而在数字电路系统方案设计成熟后，常常使用f p g a 作a s i c 流片前的系统验证。但是p l d 器件 的电路设计方式目前还不是特别方便。常见的设计方法有原理图设计、v h d l n e r i l o gh d l 编程 等，与p c 机或d s p 平台上的c 语言编程相比在灵活性、通用性上都还有一定的差距。p l d 的调 试过程也不是特别直观，一般使用的方法有p c 机时序仿真、在芯片引脚作信号探针( p r o b e ) 分析 6 第二章系统总体设计 等，与p c 机或d s p 平台上的c 程序断点调试相比还有很大的差距。因而f p g a 内的数字信号处 理算法设计、调试都较为复杂，开发难度要高于d s p 平台编程。 第三类高速数字信号处理器件是数字信号处理器( d s p ：d i g i t a ls i g , 1 a lp r o c e s s o r ) 芯片。与普通 单片机、嵌入式处理器相比，d s p 最大的特色就是为了实现高速数字信号处理能力而作了很多设 计结构上的改进，如多条地址、数据总线的哈佛结构、乘加运算单元，专用浮点运算单元、多级 流水线处理、多个运算单元的并行处理等。有了这些硬件结构和指令设计上的优势，普通处理器 需要几条、甚至十几条指令实现的运算，d s p 往往只要一条指令即可完成。虽然d s p 能实现的数 字信号处理单元的并行度与大规模f p g a 相比还有很大差距，但是高速d s p 能达到的运算量也很 可观。本系统选用的t ic 6 7 0 0 系列浮点d s p 的最高运算量即可达到2 4 0 0 m i p s 和1 3 3 6 m f l o p s 。 与f p g a 相比，d s p 最大的优势在开发难度和速度上。由于可以使用汇编，c 语言，c + + 语言进行程 序编写和断点调试，d s p 平台上的程序结构设计和算法移植都更加直观、易行。 由于本系统中v w d k 调制信号的处理采用了对载波信号直接进行数字信号处理的方式，又 因为v w d k 信号的特殊性，出于研究需要系统采样频率至少需要达到载波信号频率的2 0 倍，因 而本样机系统的载波频率不宜过高，以便于实际处理。受限于常见数字信号处理器件的处理速度， 并考虑到选用器件的性价比，本系统的载波频率选择在i m h z 以下的中、长波波段。为能够高效、 实时地处理此频率范围的数字信号，并兼顾开发难度，保证开发进度，本系统的d s p 信号处理部 分选用了高速a d c d a c 芯片配合高速d s p 芯片的方案。 在具体d s p 芯片型号的选择中，本系统采用了t i 公司的3 2 位浮点高性能d s p 芯片 t m s 3 2 0 c 6 7 1 3 。其时钟频率最高可达3 0 0 m h z ，峰值运算量最高可达2 4 0 0 m i p s 和1 3 3 6 m f l o p s ， 拥有2 个定点a l u 、4 个浮点及定点a l u ，2 个浮点及定点乘法器，对于涉及到浮点运算的数字 信号处理算法具有一定的运算优势。 数字信号处理部分另外两个重要器件是实现高速数模转换的a d c d a c 芯片。为了保证对最 高1 m h z 的v w d k 载波信号实现至少2 0 倍的采样速率，并达到较高的转换精度，本系统选用了 m a x i m 公司的1 2 b i t , 4 0 m s p s 的a d cm a x l 4 2 1 和1 4 b i t ，2 0 0 m s p s 的d a cm a x 5 8 8 4 。同时还选用 了a l t e r a 公司的c p l d 芯片e p m 3 1 2 8 实现a d c d a c 与d s p 之间的接口电路，完成时钟信号生 成、地址译码等工作。为满足大容量数据处理的需求，本系统还选用了2 片容量为3 2 m b y t e 、接 口为1 6 b i t 的s d r a m 芯片5 7 v 5 6 1 6 2 0 ，并联在d s p 数据总线上，以支持d s p 的3 2 位数据总线 访问。此外系统还配备了容量为1 2 8 k b y t e 的f l a s h 芯片a t 2 9 l v 0 1 0 用于掉电时保存d s p 程序。 2 3 2p c 机数据分析软件 本系统的p c 机软件部分主要用于对系统的硬件模块发送控制指令，监视硬件模块的运行状 态，对收发的数据进行分析处理，并可以将p c 机作为无线收发信机的数据终端，通过无线收发 信机在2 台p c 机之间传输信息。p c 机软件部分在本系统中实际上充当了用户控制界面的角色。 这与当前流行的虚拟仪器的概念有些类似，即整个仪器的硬件模块上只有极少的用户控制部分， 7 大部分的仪器操控界面都放在p c 机上由软件实现，仪器配套的专用软件再把用户的指令传送给 硬件模块，同时把硬件模块里传感器的测量信息在p c 机上反馈给用户。这种将传感器硬件模块 和控制软件分离的做法有不少优势，一方面对用户而言可以实现一个硬件模块被多个虚拟仪器终 端共享，在一定程度上降低了大规模部署整套仪器的成本，另一方面对生产厂商而言可以简化仪 器面板设计，利用标准的p c 机软件开发来代替复杂的专用设备显示控制面板设计。 对本系统来说，采用p c 机软件来实现系统的主要监控界面可以大大减轻硬件模块部分的设 计与开发工作量，省略掉可能的液晶显示面板与控制键盘的硬件设计。此外采用p c 机软件作为 监控界面，往往能更轻易地实现常规监控功能之外的一些灵活多变的复杂功能，如多次通信历史 数据批量分析、p c 机终端实时数据通信等。实践证明，这种设计方案在本课题的科研工作中较为 适用，能够满足v w d k 算法实用性验证的分析需要。 设计p c 机软件部分时，首要问题是如何建立与d s p 模块的数据连接。常见的计算机与外设 间的通信方式很多，如串口、并口、以太网络、u s b 、1 3 9 4 、w i f i 、蓝牙、i r d a 、专用p c i 插卡 等。其中串口传输速度太低，以太网络速度较快但开发复杂，其它几类对本系统也均不适合，唯 有u s b 在速度和易用性上是目前的最佳选择。目前常见的u s b 设备设计方案有3 类：一类是专 用a s i c 芯片，如u 盘、u s b 声卡、u s b 鼠标键盘等，其功能专一，并不通用；一类是集成了 u s b 通信模块的单片机芯片，如c y p r e s ss e m i c o n d u c t o r 公司的e z u s b 系列芯片等，但其数字信 号处理运算能力一般都较弱；还有一类就是使用单独的u s b 接口芯片配合系统的主控制芯片共同 完成u s b 通信任务，这种方案搭配灵活、调试方便。 本系统在方案验证阶段利用t i 公司的6 7 1 3d s p 开发板搭建的仿真平台采用的就是上述第三 类方案，利用独立的u s b 接口芯片实现了开发板和p c 机的通信。该芯片同时可进行u s b j t a g 协议的转换工作，实现了d s p 芯片j t a g 调试器的功能。在查阅1 1 公司的d s pj t a g 调试接口 资料后，我们发现t i 公司的d s pj t a g 调试接口为开发人员预留了用户数据传输通道，可以方便 地通过1 1 公司提供的r t d xa p i 接口在p c 机和d s p 之间传输用户数据。经过测试，我们确认 了r t d x 接口可达到足够的数据传输速率，满足本系统的数据传输需求。同时r t d x 接口程序开 发难度较低，应用方式灵活，在d s p 应用系统的开发过程中是一套简单易用、功能强大的主机， 客户机数据传输解决方案。在无线收发信机样机设计时，为降低系统设计复杂度，保证开发进度， 将主要的开发精力投入到更重要的v w d k 算法实现中去，本系统采用了r t d x 接口作为d s p 模 块和p c 机监控软件之间的传输接口。在上层软件接口中，p c 机的c + + 程序和d s p 的c 程序里 都调用1 1 提供的r t d xa p i 接口来进行数据收发；在底层的物理连接层面上，继续采用与d s k 开发板类似的u s b 仿真器+ j t a g 调试接口的连接方式。 对于p c 机数据分析软件的编程语言选用c h ，开发环境选用m i c r o s o f tv i s u a lc + + n e t 2 0 0 3 。选用v c 编写本软件有不少优势：首先，本系统在方案验证阶段开发的p c 平台超窄带无 线收发信机也是使用c + + 编写的，因而很容易在同一软件体系下加入和d s p 通信的功能模块，添 加新的硬件模块监控界面和数据分析界面。构成更完整的v w d k 调制算法仿真分析软件平台， 从而保证本系统p c 平台上c + + 编码软件的开发延续性，能够充分利用c + + 面向对象编程技术的 8 第二章系统总体设计 模块可复用性，节约开发时间；其次，c + + 语言是p c 机上效率最高的高级程序设计语言，特别 适合于本系统中需要进行的连续大批量数据实时处理工作。而v b d e l p h i 等编程语言则不太适合 科学计算类的程序编写；另外，t i 公司的r t d x 接口p c 机平台a p i 是以c o m 接口的形式提供 的，使用c + + 语言进行c o m 对象编程更为直接、高效。 2 3 3 射频发射，接收模块 本系统的射频发射模块的主要作用是将d a c 转换得到的v w d k 调制信号进行功率放大后， 通过天线发射出去。与此对应，射频接收模块的主要作用是将天线上收到的小功率模拟信号进行 功率放大、预滤波等处理，传送给a d c 进行模数转换。本文对此不作深入探讨。 本课题研制的无线收发信机要求双向通信。目前无线通信设备实现双向通信的常见方式包括 频分复用、时分复用、统计复用等。g s m c d m a 体系的数字移动电话系统采用了频分复用+ 时分 复用的方式实现基站与手机之间的全双工通信，无线局域网w i f i 采用的是统计复用方式实现各 设备之间的双向通信。这类成熟的商业无线通信系统都通过较完善的链路控制协议来保证双向通 信链路的可靠性与健壮性。本设计为了降低系统复杂度，采用了在同一频段时分复用来实现半双 工双向通信。在实际通信中采用呼叫、应答方式传输数据，简单有效地避免了双向传输可能发生 的信号冲突，达到了双向通信的要求。 由于采用时分复用的信号收发机制，本系统的射频发射、接收模块可通过双工器共用一根天 线。为了便于模块测试。本系统目前设计为射频发射、接收模块各有一付天线，在后续系统设计 方案中可加以改进，合并为一根天线。 2 4 系统的总体设计方案 经过详细的方案论证，我们最终确定的系统总体设计方案如图2 - 2 所示。 图2 - 2 超窄带无线收发信机系统结构框图 9 以下对几个部分的基本要求和工作原理作简要说明。 ( 1 ) d s p 数字信号处理部分：包括d s p 芯片、c p l d 、d a c 、a d c 、f l a s h 、s d r a m 、u s b 接口电路等。这部分是无线收发信机的核心组成部分，主要的信号处理算法都在这里实现。d s p 芯片完成数据编解码、信号调制解调、与主控p c 机通信等工作。c p l d 作为d s p 与d a c a d c 通信的桥梁，协助d s p 完成在内部高速缓存和d a c a d c 间进行的d m a 操作。s d r a m 用于保 存通信算法中使用的临时数据。f l a s h 用于掉电时保存d s p 程序。 ( 2 ) 射频发射接收部分：包括发射信号放大电路、接收信号调理电路以及天线等。这部分主 要用于无线信号的发射和接收。 ( 3 ) p c 机控制平台：实现对系统硬件模块的控制功能，监视硬件模块的运行状态，对收发的 数据进行分析处理，并可以将p c 机作为无线收发信机的数据终端，通过无线收发信机在2 台p c 机之间传输信息。 在本系统中，d s p 芯片是整个系统的核心，p c 机数据处理软件则是整个系统的控制中枢。 合理的系统设计保证了开发工作的顺利进行。 1 0 第三章系统方案验证 第三章系统方案验证 为了保证v w d k 无线收发信机样机的顺利开发，在方案设计阶段我们设计了多个系统方案 仿真验证平台。通过多个仿真平台的逐步迁移，课题组的多项v w d k 信号处理算法最终得以平 稳地移植到d s p 硬件平台上 3 1 基于m a t l a b 的超窄带无线收发信机仿真平台 3 1 1 设计目标 m a t l a b 是一套功能强大的科学、工程计算软件包，可利用其自身支持的m a t l a b 编程语言方便 地编写脚本程序，实现各种复杂的数据处理算法，进行系统建模、仿真、分析。同时m a t l a b 还提 供了大量可供用户直接调用的库函数，简化了算法编写时的程序实现代码。m a t l a b 还具有强大的 2 维3 维图形显示引擎，能够方便地以各种形式表现数据。m 砒l a b 还提供了丰富的数据采集接口， 可通过p c 机声卡、摄像头，专用数据采集卡等设备直接导入数据。此外从6 5 版本开始，m a t l 曲 具备了完备的图形用户界面应用程序开发能力，可以编制简单的面向数据处理的w i n d o w s 应用程 序。 本课题组的大部分v w d k 信号处理算法都是用m a t l a b 语言编写的。为了便于直接引用已有 的算法程序，创建基于m a t l a b 的超窄带无线收发信机仿真平台成了本课题的第一个工作。在 m a t l a b 仿真平台中需要实现完整的v w d k 调制解调算法，利用p c 机声卡作为模拟信号的输入 输出接口，搭建成实时的低码率双向数据传输系统。 p c 机声卡常用采样频率包括4 8 k h z 、4 4 1 k h z 、2 2 0 5 k h z 、11 0 2 5 k h z 、8 k h z 等。1 9 9 6 年以 i n t e l 为首的5 个p c 厂商共同提出的a c 9 7 ( a u d i oc o d e c 9 7 ) 规范里规定的声卡最高音质效果即为 4 8 k h z 下的1 6 b i t 多声道采样。2 0 0 4 年i n t e l 公司推出了更高音质水平的h