（通信与信息系统专业论文）基于认知无线电的通信硬件平台设计与自适应控制的实现.pdf

葡姜 认知无线电作为一种可以解决目前频谱资源紧张的技术，能够检测频谱空洞， 并在不干扰授权用户的条件下充分利用频谱资源来传输信息。本文实现的基于 d s p + f p g a 的通信板可以实现多种调制解调方式，根据环境选择合适的调制解调 方式，支持多速率的数据传输，并能和认知板、射频板组成一个完整的认知通信 系统。 本文首先简述了认知无线电的产生背景及概念，介绍了无线电环境中的频谱空 洞探测等技术。然后基于认知无线电及软件无线电的思想设计了d s p + 】巾g a 的通 信平台，第三章给出了通信平台硬件系统的原理图设计和p c b 板设计，包括串口、 网口、语音接口、d s p 、f p g a 、上变频及模数采样模块。后续给出了对于硬件平 台相关模块的调试及初始化过程。最后介绍了系统内d s p 程序的设计，以及在 b p s k 、兀4 d q p s k 、8 p s k 、1 6 q m 四种调制解调方式中，根据信道状态自适应 选择调制解调方式的方案及实现。 关键字：认知无线电d s p自适应传输调制解调 a b s t r a c t c o 嘶t i v er a d i oi sam d i ot h a t sa w a r eo fa i l d c a l ls e n s ei t se 1 1 r 0 衄饥ta n d l o c a t i o n 1 e a m 缸i mm ee n v i r o 眦e n ta n dt h e na l t e ri t sp o w e r ，仔e q u 饥c y ，m o d u l a t i o n a n do t h e rp a r 锄e t e rs oa st 0d y n a m i c “1 yr e u s ea v a i l 吞b l es p e c t r u m t h ec o m m u | 1 1 c a t l o n p i a t e o 吼b a s e d0 nd s p + f p g a i i lt h i sp 印e rr e a l i z e ss e v e r “k i n d so fm o d d i a t i o n 础l d t h ec o m m 戚c a t i o np l a t f o m ，c o 鲥t i v ep l a t f 0 h na n dr a d i o 舶q u e n c yp l a t f o m m a k eu p t 1 1 ew h 0 1 ec o 嘶t i v er a d i os y s t 锄 f i r s t l y ，t 1 1 ep a p e ri i l 拄o d u c e s 垃l ee o n c e p t 勰de v o l u t i o np r 。c e s so fc o 则i v e r 础o 。 s c c o n d l y ，i ti n n d d u c e sm ec o 砌 i l u i l i c a t i o np l a t f o m 觚d t h ed e v e l o p m e n to ft h ec i r c u i t s c h e m 撕ca 1 1 dp c b ，i n c l u d i n gd s p 、f p g a 、a d 9 8 5 7 、a d 9 2 3 5 、u a r ts t l 6 c 5 5 0 锄d e t h 锄e td m 9 0 0 0 ，趾dt h e ns l 】m 脚a i i z e sm ed e b u g 昏n ge x p e r i e n c eo f t h ec l l i p s0 nm e p c b f i n a l l v m ec o d e si 1 1t l l ed s pa 1 1 dt l l er e a l i z a t i o no fm ed a t at r a i l s n ：l i t t i n g 伽廿l a d a d t i v em o i 【u l a t i o n 羽ei n 缸d e l u c e d k e y w o r d s ：c o g n i t i v er a d i o d s p a d a p t i v e1 y a n s m i t i 蛐 m o d u l a t i o n ，d e m o d u l a t i o n 创新性声明 本人声明所呈交的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中所罗列的内容以外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技 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做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研 究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保 证毕业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技 大学。学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布 论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在一年解密后适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 日期婴：至： 日期丝翌里12 ： 第一章绪论 第一章绪论 1 1 认知无线电概述 随着无线通信技术的发展，人们可以获得的带宽不断地增加，移动通信的数 据速率从1 0k b i t s 增长到2m b i t s ，在不久的将来还可能提高到上百兆比特每秒。 但即使如此，也无法满足人们日益增长的无线接入需求。为了缓解这一矛盾，一 方面，人们不断开发新的无线接入技术，利用新的频段来提供各种业务；另一方 面，不断改进各种编码调制方式，提高频谱效率。但由于移动终端天线尺寸和功 率的限制，可以用于无线接入的频段很有限。在提高频谱效率方面，目前较为先 进的c d m a 空中接口技术，如h s d p a 可以达到1b i t ( s h z ) 的频谱效率，将来 o f d m 和m d 讧o 技术的应用也只能达到3 4b i t ( s h z ) 的频谱效率【1 1 。3 4 倍的频谱 效率的提高对于人们成百上千倍的带宽需求增长是微不足道的。认知无线电技术 的出现，为解决频谱资源不足、实现频谱动态管理及提高频谱利用率开创了崭新 的局面。 认知无线电( c o g i l i t i v e 蹦i o ，c r ) 的概念是由j o s e p hm i t o l a 博士提出的，他 在1 9 9 9 年发表的一篇学术论文中描述了认知无线电如何通过一种“无线电知识表 示语言( r k r i ，) 的新语言提高个人无线业务的灵活性，随后在2 0 0 0 年瑞典皇家科 学院举行的博士论文答辩中详细探讨了这一理论【2 】。 认知无线电也被称为智能无线电，从广义上来说是指无线终端具备足够的智 能或者认知能力，通过对周围无线环境的历史和当前状况进行检测、分析、学习、 推理和规划，利用相应结果调整自己的传输参数，使用最适合的无线资源( 包括频 率、调制方式、发射功率等1 完成无线传输。认知无线电能够帮助用户自动选择最 好的、最廉价的服务进行无线传输，甚至能够根据现有的或者即将获得的无线资 源延迟或主动发起传送。由定义可以看出，认知无线电的一个最大优势就是无线 用户可以通过该技术实现“频谱共享 。目前大多数频谱已经被划分给不同的许 可持有者( 又称为首要用户) ，包括移动通信、应急通信、广播电视等。但是随着用 户需求的增长，简单地通过开发新的无线接入技术和使用新的频点已经无法满足 市场需求。 近年来，很多学者通过监测分析当前无线频谱使用状况发现，虽然大部分频 谱已经被分配给不同的用户，但是在相同时间、相同地点频谱的使用却非常有限。 常常是大部分频点未被使用，而某些热点频率又处于超负荷运行。美国联邦通信 管理委员会( f c c ) 充分注意到了这一点，于2 0 0 2 年1 1 月出版了频谱政策任务组撰写 2 基于认知无线电的通信硬件平台设计与自适应控制的实现 的一份报告，该报告指出，当前分配的绝大多数频谱的利用率为1 5 8 5 。因此 f c c 认为当前存在的最主要问题并不是没有频谱可用，而是现有的频谱分配方式导 致资源没有被充分利用【3 1 。只有彻底改变当前固定频谱分配政策，部分甚至全部采 用动态频谱分配政策，使多种技术可以实现“频谱共享 ，才能彻底改变频谱缺 乏的问题。 尽管没有成熟的认知无线电的标准和法规，但无线业界的强烈感觉是认知无 线电将成为下一波有冲击性的技术革新浪潮，e e 于2 0 0 4 年1 0 月正式成立 正e e 8 0 2 2 2 工作组无线区域网络( w r a 工作组，其目的是研究基于认知无线 电的物理层、媒体访问控制( m a c ) 层和空中接口，以无干扰的方式使用已分配给 电视广播的频段，将分配给电视广播的甚高频超高频m 九册) 的频率用作为宽 带接入频段。 学术界也行动起来，著名通信理论专家s i m o nh a l ( i n 在2 0 0 5 年2 月j s a ci n c o l n m u l l i c a t i o n s 上发表了关于认知无线电的综述性文章“c o 嘶t i v e r a d i o ： b r a i l l e r n p o w e r e dw i r e l e s sc o i l l i n u l l i c a t i o n s ”，开始了国际性的认知无线电技术研究。 随后b e r k e l e y 、v i 晒i l i a 、s t e v e i l s 等大学研究所和软件无线电( s d r ) 论坛等研究组 织纷纷展开研究，r u t g e r s 大学w i n l a b 实验室还进行了认知无线电平台的开发。 综上所述，无论对于民用和军事应用，认知无线电将使无线通信产生巨大变 化的潜力被非常看好。毫无疑问，认知无线电技术将是未来无线通信的发展方向 之一。 1 2 本文的主要内容 本文所研究的认知无线电的通信单元，主要是应用软件无线电的思想，在通 用可编程硬件平台上实现多业务、多调制解调方式、多终端处理速率的中频处理 单元。 本文的主要工作实现基于d s p + f p g a 的硬件平台设计以及在平台上实现认知 的相关功能，硬件平台主要包括以下几个模块：接口模块、d s p 通信控制模块、 f p g a 调制解调模块、上下变频模块。其中接口模块共包括了串口、网口、语音接 口，可以适应不同业务的需求。f p g a 的调制解调模块实现了矾d q p s k 、8 p s k 、 1 6 q 剐、b p s k 四种调制解调方式以满足不同业务对于通信速率的要求。下面介 绍各章的具体内容： 第二章：简述了认知无线电的产生背景及概念，介绍了无线电环境中的频谱 空洞探测等技术。 第三章：介绍了基于d s p + f p g a 认知无线电通信单元的硬件平台的系统方案 以及硬件组成结构及各个模块的原理图设计以及p c b 设计。包括电源模块、串口、 第一章绪论 3 网口、语音接口模块、d s p 模块、f p g a 模块、上变频模块和模数转换模块。 第四章：介绍了硬件平台的调试以及通信基本功能的实现，主要包括了对上 述各个模块的调试以及对芯片的功能初始化。 第五章：介绍了系统内d s p 程序的设计，以及在b p s k 、矾d q p s k 、8 p s k 、 1 6 q 蝴四种调制解调方式中，根据信道状态信息自适应选择调制解调方式的方案 及实现。 第二章 认知无线电技术 5 第二章认知无线电技术 2 1 认知无线电技术的产生 2 1 2 当前无线电频谱使用中存在的问题 频谱紧张是今天无线电频谱的最大问题。现今的无线电波已经是拥塞不堪。 某些频段挤得可谓水泄不通，漫长的等待和恼人的干扰早已是家常便饭。这些传 输频道的通畅程度，取决于所用的无线系统。无线电波段( 即由射频波组成的电磁 波段) 现在容纳了不计其数的通信装置。例如，在美国，联邦通信委员会( f c c ) 负责 为各用户分配一定的频率，包括人们熟知的触( 调幅波) 、刚( 调频波) 、短波及民 用频段、还有肛( 甚高频) 和切盱( 超高频) 电视频道，还有数百个比较陌生的频段， 分别用于手机和无绳电话、g p s ( 全球定位系统) 跟踪器、空中交通管制雷达、安全 警报装置、无线遥控玩具等等。 现今无线电频谱资源紧张，很大程度上源于上一代硬件在上个世纪所形成的 成本及性能方面的局限性。现在这种局限性可以通过以软件为基础的自适应无线 通信设计来解决。这种下一代无线技术，称为“软件无线电”( s o 胁a r ed e 血e dr a d i o ， s d r ) ，预计，在近期内，这一由软件推动的进展将使无线电设计发生天翻地覆的 变化。例如这种变化意味着：在标准的笔记本电脑( 安装着一块小小的外围无线电 频率部件连接卡) 上运行的s d r 代码，并使用其它可编程无线通信前端接口技术， 则可以接收并显示电视信号。现在随着s d r 技术的产生，以其为基础的认知无线 电又接踵而至。 2 1 2 无线电频谱中存在的空闲频段以及频谱空洞的定义 除了6 干兆赫以上的高频和微波波段外，在2 8 0 0 兆赫和5 6 0 0 兆赫之间的约 2 8 千兆赫宽的现有已分配无线电频谱，并没有得到充分利用。另外，手机频段在 凌晨3 点半时使用者寥寥，但在早上1 0 点钟的通话高峰期或晚间上班族纷纷返家 之际，却拥挤不堪。的确，如果我们认真分析无线电频谱，我们就会发现： 1 频谱中的一些频段在很长一段时间内不被占用。 2 一些频段只有部分时间被占用。 等等这些都说明，在当今非常拥挤的无线电频谱中还是存在一些空闲频段的。我 们可以适时适地的“见缝插针 ，充分利用空闲不用的频段，以提高频谱的利用率。 另外，我们给这种“空闲频段”一个统一名称，即频谱空洞。为了理解这个词， 6 基于认知无线电的通信硬件平台设计与自适应控制的实现 我们做以下定义：频谱空洞就是一个频带，这段频带起初是分配给一个用户使用 的，但是在某一个特定时刻或者某一个特定地理区域中，这个频带没有被使用， 而是空闲着。如果允许一个已经分配了的频谱空洞被第二个使用者( 这个用户不是 服务对象) 在合适的时间和地点使用，那么频谱利用率将会在很大程度上得到提高。 认知无线电技术( 涵盖软件无线电) 已经被提为一种通过探测频谱空洞来提高频谱 利用率的方法。 2 2 1 无线环境分析 2 2 认知无线电的功能 如果无线环境是以发送者为中心的，在无线场景中发送功率被设成逼近于一 个离发送者一定距离的规定噪声值。然而，由于不可预知的新干扰源的出现，噪 声值有可能上升，因此会产生信号覆盖的逐步衰退。为了防止产生这样一种可能 性，联邦通信委员会的频谱体制任务小组建议在干扰估计方面采用一种方法，即 在发送端以一种确定的方式运行，整个过程中发送端和接收端是以一种自适应的 方法进行实时性交互通信。这个建议是基于干扰温度的，而干扰温度是用来量化 和管理无线电环境中的干扰源的。而且， 环境提供最坏的情况，在这个特殊地点， 点好处： 干扰温度限为特殊频段特殊地点的射频 接收端可以满意地工作，此建议包含两 1 接收天线处的干扰温度为我们所关注的频段的射频可接收级别提供一个精 确测量。如果噪声基础超过了干扰温度限，在此频段内的任何传输都是有害的。 2 给定一个干扰温度没有超过干扰温度限的特殊频段，这个频段就可以被未 授权用户使用。干扰温度限就好比给可以引入此频段的射频能量戴了一顶帽子。 很明显，可调整的代理设备可以负责设定干扰温度限，然后记录下在所考虑 的频段内的射频环境的状况。 回到实际中，当普通消费者使用现有的商品级电子器件装备起来的无线网时， 该系统总是竭其所能地把本来就很紧张的频谱资源又尽可能多地抢占了一部分， 同时还干扰邻近的其他无线电装置。认知无线电拥有充分的智能性，使得无线电 频谱的运作尽量做到举止“文明礼貌”，遵循合情合理的交易规矩，杜绝你争我夺。 认知无线电可以利用自己的智能性来感知周围环境，采用最符合认知无线电用户 的需求的方式，从而使其用户始终保持联络畅通。 为了完成这些任务，认知无线电装置需要做几件事情。首先，它必须掌握它 所处的位置，了解各个方位( 包括地面、障碍物间以及空中) 的无线电辐射功率如何 随距离的变化而变化。手机无需知道这一信息，因为固定通信网使用的是专用无 线电频谱，它先前就已经根据现有的辐射功率模式作了校正。而认知无线电装置， 第二章认知无线电技术 7 则要凭自己的力量去探知整个局域无线环境，包括低频、中频、及高频等各频段 在内，并绘图表示它的特性怎样随空间、时间及频率传播而变化。为了开发能感 知分析无线环境的认知无线电装置，需要设计高质量的传感器，并编写实用的算 法，以便互相配合的通信节点彼此交换频谱监测数据。具有多重输入输出功能 ( m 蹦o ) 的系统发出的信号，可以沿着多条复杂的路径传送( 从而把建筑物和车辆等 反射的信号也包括进去) ，并避开其他可能相互干扰的无线电装置。 功能完全的认知无线电系统，将具有足够高的智能，可以感知分析周围环境， 以选择它所需要的无线电频段、模式和服务。然后，它将向目标接收机发送能量， 同时尽量减少对其他无线电装置( 包括认知无线电装置) 的干扰。因此，它文明使用 频谱的水平非常高，能够为用户实现安全可靠、保密性好的通信连接。在需要的 时候，无线电装置可通过无线方式查询相关的城市地形环境资料。根据这些模型， 认知无线电装置可以预测接收到的信号强度，从而避开大部分干扰。另外，无线 通信可以设置某些标准化的广播频道，在遭遇干扰时，认知无线电用户可以使用 这些频道，而不阻塞其他频道。 环境所产生的总体干扰随时间变幻无常，使认知无线电文明使用规则这一理 想方案的实现变得更加复杂。一些干扰，包括闪电产生的天然电气噪声以及发电 机、电动机、汽车点火系统和无线电发射机等产生的干扰，这些无线电频率源的 影响随时在变化。例如，在夜间，电梯大部分停开，因此它们的驱动电机所发出 的噪声大大减少，但在电梯使用高峰期间，这种噪声就大幅度增加。通常，在城 市中心区，所有射频源辐射出的总功率，在上午1 0 时左右达到最高峰，而在乡村 及夜间，辐射功率则要小得多。统计这类总体辐射源的复杂性，使人们很难准确 地预测干扰，但对于已知的用户，认知无线电装置可以设法逐渐摸索出重要场所( 如 工作地点和家里) 产生的总和辐射源的规律。 总的来说，认知无线电要能很好地感知周围无线电环境的变化，以便更好地 实现稳定的通信连接，为用户提供最佳服务。 2 2 2 频谱空洞探测 在认知无线电领域，在空域、时域和频域中出现的可以被利用的频谱资源被 称为频谱空洞。认知无线电技术就需要能够感知并分析特定区域的频段，找出适 合通信的频谱空洞，利用某些特定的技术和处理，在尽量不影响已有通信系统的 前提下进行工作。因而，从其工作周期上可以看到( 如图2 1 ) ，为了在某个地域上 应用认知无线电技术，最先进行的工作是对该地无线信道环境的感知，即频谱检 测和空洞搜寻与判定。 8 基于认知无线电的通信硬件平台设计与自适应控制的实现 网络结构及高层管理 ( 组网方式、频段政策决策等) 一 毒 发射机接收机 频谱管理无线信道感知 ( 干扰温度与空闲信道) 发射功率控制信道状态估计 ( 信道预测与容量估计) 卜 f产 无线信道环境 图2 1 认知无线电的典型工作周期 我们在接收端进行干扰温度的测量，并搜寻频谱空洞，将获得的信息通过系 统预设的反馈信道传送至发送端，并据此进行发射功率控制处理和动态频谱管理。 另一方面，在发射端和接收端也可以采用自适应的波束成型技术，进行进一步补 充的干扰控制。 通过感知无线场景从而估计即将到来的射频功率谱，我们就可以据此把频谱 分为三个广泛定义类型，概括如下： 1 黑空：被本地高功率干扰长时间占用。 2 灰空：被低功率干扰部分占用。 3 白空：受周围环境噪声而不受射频干扰的空闲频段。 周围环境的噪声主要是由自然和人为因素组成的【g 】，即： a 由外部物理现象( 例如：光辐射) 所引起的宽带热噪声。 b 来自动物内脏和航行器的短暂反射。 c 由点火、转接器、微波器具所产生的脉冲噪声。 d 由单个接收器的前端电子内部自发波动而引起的热噪声。 很明显，白空和灰空是可以给非授权用户使用的。当然，当工作在此频段的 射频发射器在任何时间任何地点要工作时，必须避开黑空。然而，在一个特殊地 点，如果那些授权发射器被关掉，我们可以认为这些发射器先前占用的频段一黑 空，就是“频谱空洞”，认知无线电通过调用它的动态协调能力来创造一个用于频谱 共享的白空。 2 3 认知无线电的未来 在掌握了每个波段射频能量的变化模式后，认知无线电装置就能够使用语义 网技术( s e m a n t i cw e bt e c h l l 0 1 0 9 y ) 来同其他无线电装置自由地交流这方面的信息。 第二章认知无线电技术 9 对每台无线电装置搜索未充分利用且可出租的频率，这一功能将进行优化，而且 会带来很大的好处。这样，认知无线电装置就可以避免干扰其他无线装置，同时 仍然能够用足够高的功率发送自己的信号，以克服环境干扰，并进行创造性的合 作。 在手机与电信产业同“互联网产业”( 包括微软、英特尔、g o o g l e 等i t 头和 互联网服务商及消费电脑厂商等) 这两大行业明争暗斗的背景下，关系到认知无线 电技术发展前途的决策正逐渐浮出水面。虽然既得利益集团可能会竭力抵制，但 是向认知无线电技术迈进的步伐是难以阻挡的。认知无线电技术有利于认知无线 电通信运营者文明地使用频谱，从而让现今未充分发挥潜力的数千兆赫宽频谱得 以大显身手，帮助千家万户实现宽带通信。 如果f c c 伍e d e r a lc o m m u i l i c a t i o n sc o m i l i s s i o n ) 沿着现今的方向继续前进，他 们就能够拿出大片数百兆赫宽的单一用途频谱区，来让大家共享。到那个时候， 长期以来甚嚣尘上的频率资源短缺之说或许将销声匿迹，取而代之的是可用频率 资源多得用不完。手机的问世，给社会和商业带来了广泛而深刻的影响，与此相 仿，随着在无线网络中运行的高级通信装置逐步取代传统手机，认知无线电技术 必将促成类似的变革。认知无线电技术的发展尚需时日，但它对我们的整个生活 将具有非常重要的影响。 第三章通信模块硬件设计 第三章通信模块硬件设计 3 1 认知无线电通信模块系统方案 3 1 1 认知无线电硬件系统概述 本文实现的基于d s p + f p g a 的通信模块硬件系统平台是个认知无线电系统的 一个重要组成模块，整个系统由认知业务模块、通信模块、射频模块三个部分来 实现，系统框图如图3 1 所示： 图3 1 认知无线电系统框图 其中认知业务模块的主要是对实现宽带信号的信道化，并对每个窄带信道作 短时傅立叶分析，得到时频数据。数据发送模块根据需求调整频谱数据的输出， 并发送数据给管理模块。管理模块进一步分析频谱数据，同时利用转发模块与p c 建立连接发送频谱数据；响应通信申请，协商频谱空洞，建立通信等m a c 功能和 退避功能；管理其他硬件的运行协调整个系统运转。 通信模块主要负责以软件无线电平台构建的通信调制解调功能板，主要完成 在不同q o s 下，认知业务中实际数据的发送与接收。 射频模块包括接收支路和发送支路，通过m 开关( 即t d d 方式) 共用天线， 发送支路采用直接上变频模式，接收支路采用二次变频方案，第一次下变频的输 出同时送到认知业务模块，用于频谱感知。第二次变频后将中频信号送至数据传 输模块，完成数据接收。 1 2 基于认知无线电的通信硬件平台设计与自适应控制的实现 3 1 2 通信模块系统方案 根据上述认知无线电认知系统的要求，本文实现的基于d s p + f p g a 的通信板 可以实现多种调制解调方式，并能根据环境选择合适的调制解调方式，并支持多 速率的数据传输，如图3 2 所述，该通信硬件模块主要由电源、d s p 、f p g a 、串 口模块、网口模块、语音口模块、上变频、a d 采样八个模块构成。下面介绍各个 部分的硬件设计。该通信板作为一种数据业务平台，具有多种调制解调方式，可 以根据不同的环境，选择合适的调制方式进行传输，支持多速率的数据传输，基 于软件无线电的体系结构，具有开发和灵活的软硬件接口，方便程序模块的升级 与扩展，比如可以增加更多的调制解调方式，改进或删除交织等各功能模块，其 基本的技术指标简介如下： 1 调制方式：b p s k 、7 【4 d q p s k 、8 p s k 、1 6 q a m 2 传输速率：1 2 8k b p s 、2 5 6k b p s 、3 8 4k b p s 、5 1 2k b p s 3 带宽：2 0 0 k h z 4 中频：3 2 7 6 8 z 5 体系结构：开放性的体系结构，灵活的程序接口，便于软件模块的升级与 扩展 另外本系统还具有丰富的接口资源，具有的串口、网口、语音接口可以灵活 的应对各种不同的业务需求。系统的结构如图3 2 所示： 串口e m i f 。 s p i 卜 上变频器 1 6 c 5 5 0ya d 9 8 5 7 1卜 网口，1 e m i f f d s p 1e m i i i 、 f p g a 硼s 3 2 0 v c d m 9 0 0 0 e l 7、l je p 2 c 5 0 f 4 8 4 c 8 5 5 0 9 a i卜 广 a d 语音口 惮，l 剧眦r f 、 a d 9 2 3 5 a c 4 8 8 0 11 、j【 图3 2 通信模块系统框图 如图3 2 所示，通信模块设计总共由8 个模块组成，包括电源、d s p 、f p g a 、 串口模块、网口模块、语音口模块、上变频、a d 采样。其中d s p 选用t i 公司的 第三章通信模块硬件设计 1 3 t m s 3 2 0 v c 5 5 0 9 a ，在整个系统中主要负责与计算机和f p g a 的数据以及上电后对 板上的部分芯片进行初始化操作。f p g a 选用砧t e m 公司的c y c l o n e 2 系列，型号 为e p 2 c 5 0 f 4 8 4 c 8 ，负责对基带信号进行调制解调。数字上变频器( d d s ) 选用了 a d 公司的a d 9 8 5 7 ，主要负责实现对f p g a 输出信号的数字上变频和正交变换； a d c 是a d 公司的a d 9 2 3 5 ，负责对中频信号的欠采样。而电源模块：电源模块 输出整板所需要的各种电压，主要使用的芯片是l t l l l 7 、l t l 7 6 4 e q ，输入为+ 5 v 和5 v 电压，输出为数字电压3 3 v 、1 2 v 、1 6 v 、1 8 v ，模拟电压3 3 v 。网口、 串口、语音口为信源部分，提供需要发送的数据。 在本系统中，主要的功能由d s p 和f p g a 实现，d s p 的主要功能分为三个方 面，首先，d s p 需要在上电时对系统上的相关芯片进行初始化操作，如串口、网 口、a d 9 8 5 7 。其次d s p 需要对信源发出的数据进行处理，包括交织，组帧等工作， 将数据处理成适合在信道上传输的形式后发送给f p g a 进行调制解调。另外d s p 还需要和认知业务模块进行交互，完成基于认知无线电的通信控制。 f p g a 主要完成调制解调的工作，目前实现了四种调制解调方式，分别为 b p s k 、氕似d q p s k 、8 p s k 、1 6 q a m 。实现了1 2 8k b p s 、2 5 6k b p s 、3 8 4 k b p s 、5 1 2 k b p s 四种数据传输速率。f p g a 使用的调制解调方式的种类既可以由用户给定， 也可以系统根据信道状况自适应的选择。 3 2 电源模块设计 系统的核心采用“d s p + f p g a 来实现，外围有串口、网口、语音接口三个 接口模块和上变频、a d 采样模块，另外d s p 和f p g a 又需要有i o 供电电压和核 心电压，考虑到整个系统的用电多样性，我们对系统的供电采用如图3 3 所示方案。 1 4 基于认知无线电的通信硬件平台设计与自适应控制的实现 图3 3 电源系统设计 如图3 3 所示，整个系统采用士5 v 电压输入，需要产生的电压有：数字部分： 3 3 v 、1 2 v 、1 6 v 、1 8 v ，模拟部分：3 3 v 、1 2 v 。由于d s p 和f p g a 和接 口电路之间都使用了数字3 3 v 电压，为了保证d s p + f p g a 的供电稳定性，防止接 口电路产生的干扰影响d s p + f p g a 的正常工作，我们将d s p 和f p g a 的外设3 3 v 电压分别使用了2 块l t l 7 6 4 e q 3 3 芯片，其他接口电路使用一块l t l 7 6 4 e q 3 3 芯片。 3 2 1 芯片介绍 在本系统的电源设计中主要使用了l i n e a r 公司的芯片：l t l 7 6 4 和l t l l l 7 ，其 主要性能参数见表3 1 和表3 2 。 第三章通信模块硬件设计 1 5 表3 1l t l 7 6 4 参数 封装d d 5 输入电压范围 2 7 v 到2 0 v 输出电压范围可调输出电压从1 2 1 v 到2 0 v 固定输出电压：1 5 v 、 1 8 v 、2 5 v 、3 3 v 输出电流 3 a 输入电压调节率1 0 m v 表3 2l t l l l 7 参数 封装 s o t - 2 2 3 输入电压范围s 1 5 v 输入输出最小压降 1 v 输出电流 8 0 0 m a 输入电压调节率 0 2 3 2 2l t l 7 6 4 e q 、l t l l l 7 c s t 可调输出电压的计算 在此系统中，使用了两种可调节输出电压芯片，其中l t l 7 6 4 e q 产生f p g a 内核电压1 2 v ，l t l l l 7 c s t 产生d s p 的内核电压1 6 v ，和语音接口使用的1 8 v 电压。在设计时，需要考虑芯片外接电阻的阻值来产生合适的电压。 1 l t l 7 6 4 e q 产生1 2 v 电压设计 影响到输出电压的电阻为如图3 4 的r 1 ，r 2 ，不同的电阻取值会产生不同的 电压输出。l t l 7 6 4 e q 电压设计原理图如图3 4 所示： 图3 4l t l 7 “e q 电压设计 1 6 基于认知无线电的通信硬件平台设计与自适应控制的实现 = 1 2 1 即+ 鲁地洲蚴 = 1 2 1 矿式( 3 一1 ) = 3 谢 由于f p g a 正常工作时，需要的的内核电压范围为1 1 5 1 2 5 v ，当取r 2 = o ， r 1 = 3 6 k 时，输出电压为1 2 1 v ，由于输出具有一定的波动，根据手册，此时电压 波动范围在1 1 9 2 v 1 2 2 8 v 的范围内，完全满足f p g a 的内核电压供电需求。 2 l t l l l 7 c s t 产生1 8 v 和1 6 v 的电压设计 l t l l l 7 c s t 设计输出电压的原理图及计算共识如图3 5 所示： 图3 5l t l l l 7 c s t 电压设计 盯= ( + 等) + r 2 = 5 0 剃式( 3 2 ) = 1 2 5 y 根据上述的计算公式，可以计算得出： 当r 1 = 2 5 i ，r 2 = l k q 时，w = 1 8 y ； 当r 1 = 4 2 k q ，i 匕= 1 败时，咿= 1 6 矿。 根据后期的调试结果，上述设计完全满足需求。 3 3d s p 及外围接口设计 本系统中d s p 选用t i 公司的t m s 3 2 0 v c 5 5 0 9 a ，属于t m s 3 2 0 c 5 5 x 系列，这 个系列是在c 5 4 x 的基础上发展起来的，能够与c 5 4 x 兼容。c 5 5 x 通过增加功能单 元增强了d s p 的运算能力，与c 5 4 x 相比具有更高的性能和更低的功耗，这些特 点使之在无线通信个人数字系统中得到广泛的应用。t m s 3 2 0 v c 5 5 0 9 a 它的主要参 第三章通信模块硬件设计 1 7 数如下： 1 最高2 0 0 m h z 主频，5 n s 指令周期时间，每个指令周期可以执行2 条指令。 2 两个乘法器，两个算术逻辑单元，最高达到每秒4 0 0 m 的乘加运算。 3 1 2 8 k 木1 6 b i t 的片内洲，3 2 k 牛1 6 b i t 的片内r o m ，最大外部扩展 8 m 水1 6 b i t 存储器。 4 丰富的片内外设。 a 2 个2 0 b i t 定时器，看门狗定时器 b 6 通道d m a 控制器 c 3 个串行口支持三个多通道缓冲串行口( m c b s p ) 和两个s d 卡接口 d 可编程p l l e u s b 接口，1 2 c 接口 3 。3 1d s p 外部存贮空间映射设计 t m s 3 2 0 v c 5 5 0 9 a 的外部总线接口( e m ) 具有4 根独立的片选信号，每个片 选信号分别占用不同的地址空间，这样就不需要外部的译码电路就可以实现与外 部设备的无缝连接，在本系统中，d s p 使用这个接口和网口、串口、语音口、f p g a 进行连接。 1 6 位外部存储 器接口 d 1 5 ：0 】1 a 【1 3 ：o 】i c e 3 ：o 】r b e 3 ：o 一j a r d y、 a o e - a w e 一 一a r e s s a d s 、 s s o ei s s w ej h o l d、 h o l d a s d r a s1 s d c a s【 s d w ei s d a l 0j 外部存储器共享 异步存储器 同步突发存储器 总线保持信号 同步动态存储器 c l k m e m 同步存储器时钟 图3 6e m i f 外部存储器结构框图 如图3 6 所示，这款d s p 的e m 口除了对异步器件提供支持以外，还提供 对同步突发静态存储器( s b s 洲) 和同步动态存储器( s d r a m ) 的支持，异步存储 器可以是静态随机存储器( s 洲) ，只读存储器( r o m ) 和闪存存储器等。在实际使 1 8 基于认知无线电的通信硬件平台设计与自适应控制的实现 用中还可以用异步接口连接并行a d 采样器件，并行显示接口等外围设备，但使 用这些非标准设备时需要增加一些外部逻辑来保证设备的正常使用 本系统中，d s p 的四个外部存储器的c e o 空间连接了串口芯片s t l 6 c 5 5 0 ，c e l 空间连接了f p g a ，c e 2 空间连接网口芯片d m 9 0 0 0 ，c e 3 空间连接语音处理芯片 a c 4 8 8 0 1 。四个空间分别有单独的片选信号和对应不同的地址空间，表3 3 为四个 连接器件使用的存储器空间。 表3 3 存储器空间映射 存储器映射空间 e m 空间连接器件 起始地址字地址结束地址字地址 c e 0串口 o x 0 2 0 0 0 00 x 1 f f f f f c e lf p g ao x 2 0 0 0 0 0o x 3 f f f f f c e 2网口0 x 4 0 0 0 0 0o x 5 f f f f f c e 3 语音口 o x 6 0 0 0 0 0o x 7 f f f f f 3 3 2d s p 的上电程序加载模块电路设计 c 5 5 x 系列的d s p 为了方便用户使用多种加载方式，以5 5 0 9 a 为例，有增强 主机接口( e h p i ) 加载方式、并行外部存储器接口( e m ) 加载方式、标准串口加载 方式以及支持外围设备接口( s p i ) 加载方式等多种方式加载。 加载方式可以通过预置通用i o 引脚的高低电平来选择，表3 4 给出了具体的 说明。 表3 4t m s 3 2 0 v c 5 5 0 9 a 加载方式 b o o t m 3 ：o 加载方式 o o o o 或l o o o 不加载 0 0 1 0 0 1 1 1 保留 0 0 0 1s p i 加载( 支持2 4 位地址的s p ie e r o m ) 1 0 0 1 s p i 加载( 支持1 8 位地址的s p ie e r o m ) 1 0 1 0 e m 加载( 8 位宽外部异步存储器) 1 0 1 1 e m 巧加载( 1 6 位宽外部异步存储器) 1 1 0 0 e m 加载( 3 2 位宽外部异步存储器) 1 1 0 le h p i 加载 1 1 1 0 标准串口加载( m c b s p o 口，1 6 位字宽) 1 1 1 1 标准串口加载( m c b s p o 口，8 位字宽) 加载模式可以分为两类：由d s p 控制的加载模式和由外部主机控制的加载模 式。并行外部存储器( e m ) 加载，标准串口加载及串行外部设计接口( s p i ) 加载都 是由d s p 控制的加载模式。在此类加载模式下，下载程序之前先要生成一张载入 表。载入表除了携带有代码段和数据信息外，还有向d s p 下载程序的入口点地址， 寄存器配置信息和可编程延迟信息，应用这些信息来配置d s p 以完成下载过程。 第三章通信模块硬件设计 1 9 外部主机控制的加载模式只有e h p i 加载一种。e 肿i ( e 1 1 1 1 a i l c e dh o s tp o r th l t e r f a c e ) 是扩展主机接口的英文缩写，它可以使主机通过唧i 接口直接访问d s p 的存储器， 这种访问是不需要d s p 干预的。 本系统中，我们使用s p i 加载模式，该方式具有连接简单，控制方便等特点， s p i 接口只用3 根线就可以完成串行数据传输，d s p 作为主方控制s p i 接口。 e e p r o m 选用了a t i l l e l 公司的a t 2 5 f 2 0 4 8 n 芯片，这种加载方式不需要外部时钟 和外部逻辑，可以做到无缝连接，图3 8 是硬件连接图。 3 3 3 串口的设计 t m s 3 2 0 v c 5 5 0 9 aa t 2 5 f 2 0 4 8 n 图3 8s p l 加载方式硬件连接图 串口的设计使用了s t l 6 c 5 5 0 芯片，这款芯片是e ) 已慢公司推出的目前最稳 定、最可靠的i ，a r t 芯片之一，能够提供数据的串并、并串转换功能。其中串行 数据流的同步功能是通过在传输数据中加入起始和结束比特组成数据字节来实现 的，通过在数据字节中附加奇偶校验位确保数据的完整性。接收方检验奇偶校验 位确定是否出现传输错误。用普通电路实现这些功能将非常复杂，尤其是将电路 集成在单片芯片上时。而s t l 6 c 5 5 0 采用o 6 m mc m o s 工艺来达到低功耗、高速 度、高集成度的要求。s t l 6 c 5 5 0 带有1 6 字节收发f 巧o 存储器与高速存储器进行 通信，在2 4 瑚z 的外部时钟下，s t l 6 c 5 5 0 的传输速率可达1 5 m b p s 。s t l 6 c 5 5 0 的其它特性可以通过内部寄存器得到，可选的接收f o 触发点、可选的t x 和r x 波特率等都是s t l 6 c 5 5 0 的一些特性。 2 0 基于认知无线电的通信硬件平台设计与自适应控制的实现 r s 2 3 2 ，一7 l f 、 、厂 h l a x 3 2 2 5 s t l 6 c 5 5 0 t m s 3 2 0 v c 5 5 0 9 a 1 r i o u tt i 州t x d 【7 ：0 d 【7 ：0 】 a 【2 ：o ：a 【3 ：l 】 t 2 0 u tt 2 n lr t s w e、7 l ，e 电压转换串口 d 印 r e l 也 r l r nr 1 0 u 1r x c ec e o ，、巾f 1r 、t 个 - 卜料i n t 3 r 2 i nr 2 0 u tl 乙土。上l 、1 y 图3 9 d s p 与s t l 6 c 5 5 0 接口 图3 9 为串口的设计电路图，接口连接使用了d s p 的e m 口，数据总线使 用低8 位，地址总线使用a 【3 ：1 】，而不是使用a 【2 ：o 】，是因为这款d s p 不能很好 的支持8 位异步器件的读写，所以在工作时将c e o 空间配置为1 6 位模式，这样， a o 地址线就无效，所以地址线连接a 3 ：1 】。由于s t l 6 c 5 5 0 的中断脉冲为高，所 以连接到d s p 管脚时，需要在中间加一个反相器。m a x 3 2 2 5 是一款电压转换芯片， 可以将0 3 3 v 电压转换为r s 2 3 2 接口使用的士1 2 v 电压。 3 3 。4 网口的设计 系统中网络控制器选用d a v i c o m 公司型号为d m 9 0 0 0 e 的基于异步i s a 总 线的1 0 1 0 0 m 自适应快速以太网控制处理器，合成了m a c ，p h y ，m m u 。d m 9 0 0 0 e 是一个完全综合、低成本、单一快速以太网控制芯片，具有1 6 k 大容量的f o ， 4 路多功能g p i o ，