（通信与信息系统专业论文）虚拟无线接收机的研究与16qam信号解调算法的实现.pdf

摘要 本文在系统研究数字接收机、虚拟无线电、信号处理等理论的基础上，设计 了一个虚拟无线电接收机，实现了基于该接收机的1 6 q a m 信号解调算法的仿真。 系统设计中采用当前比较先进且常用的器件搭建了虚拟无线电接收机的硬件平 台，详细叙述了p c i 接口、刖d 、f i f o 、c p l d 等各个模块的具体设计过程。在 w i n d o w s 2 0 0 0 操作系统下，开发了p c i 设备驱动程序和用户应用程序。接收机中 数据采集卡使用模数转换器件和p c i 总线来传输高速数字信号，该系统工作在通 用计算机上，采用d m a 方式和双端地址映射方法实现高速数据传输。对于1 6 0 a m 信号的解调分别从定时误差估计、接收频率偏移估计和相位偏移估计三个方面进 行讨论与分析，并将本设计中采用的算法与经典算法进行了性能比较，最后给出 了基于本设计的1 6 q m 信号解调的实现流程和性能分析结果。 关键字：虚拟无线接收机p c i 总线w i n 埘v e rd m a 1 6 q a m 调制与解调 a b s t r a c t t l l i st h e s i sd c s i g n sa n dr c a l i z e sav i r 七i l a lm d i or e c e i v e r ，b a s e do ns t u d y i n gt l l eb a s i c 也e o r ya i l dr e a l i z a t i o nt e c h n o l o g yo fd i g i t a lr e c e i v e r ，v i 巾皿lr a d i o ，a n ds i 盟a lp r o c e s s i n g ， a sw h i l et l l e s y s t e mo fn l ed 锄o d u l a t i o no f1 6 q a mi ss i m u l a t e db a s e do nm i s r e c e i v e rd i s “s s e da b o v e i nm ys y s t e m 砒i cd c s i g n ，t 1 1 a tp r c s e n ta d v a n c e dd e v i c e sa r e u s c dt oc o n s 虹u c tn l eh 盯d w a r ep l a t f o r i no f m ev i n i j a lm d i or e c e i v e r a n di tg o e si i 】_ t o 吐1 e d e s i g n i n gp r o c e g so fd i 矗b r e n tm o d i l l e so fm eh a r d w a r ep l a t f o r ms u c ha sp c ii n t e r f k e ， a dm o d l l l e ，f i f o ，a 1 1 dc p l di nd e t a i l s u n d c rm ec i r c l 埘s 协n c eo f 、聃n d o w s 2 0 0 0 “v e rp m g r a ma n du s e ra p p l i c a t i o np r o g r 锄a r ed e v e l o p e d t h cd i 百t a ls i 舻a l sa r e 觚1 s f c e db y 伽ed i g i t a la c q u i s i t i o ns y s t e ma 1 1 dp c ib u si i lm er c c e i 、惯w h i c hc a l l i m p l e m e m1 1 i g h s p e e dd a t ac h 蛐e l i nc u r r e n tc o m p u t c ru s i n gd m am o d ea n dd o u b i e s i d ea d d r e s sm a p 叻ea r i t h r n e t i co fd e m o d l l l a t i n gm e16 q a ms i 弘a 1i ss t l l d i e d a l l d 锄a l y z c d 丘o mt l l ea s p e c to fd m i n ge 孙3 re s t i m a t i n g ，c a r r i e r 抒e q u e n c ye x c u r s i o n e s t i m a t i i 培，a n dc a 埘e rp h a s ee x c u r s i o ne s t i m 州n gw h i l et h ea r i t h m e t i ca d 叩t e di nm y s y s t e mi sc o m p a r e dw i t h 廿l ec l a s s i ca r i m m c t i c i nc o n c l u s i o n ，t h ed e m o d u l a t i o no f 16 q a ms i 弘a li sr e a l i z e da i l dt h ep e r f b r m a n c ei ss i m l l l a t e ds u c c e s s m l l yb a s e do nm e d e s i g nd i s c u s s c di i lt h e 血e s i s k e y w o r d s l r t u a lr a d i oi h c e i v e rp c ib u sw i n d r i v e rd m a 1 6q a mm o d u l a t i o na n dd e m o d u i a t i o n 独创性( 或创新性) 声明 v8 5 9 0 9 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：劐秀函日期埋：1 21 乏) 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：划盔函日期趁1 6 臣三盈 导师签名：王尘边 日期 第一章绪论 第一章绪论 1 1 虚拟无线电的提出和现状 虚拟无线电m r n l a lr a d i o ) 是软件无线电技术的发展和更新，它的提出有着市 场和技术两方面的背景。 自2 0 世纪9 0 年代初以来，移动通信领域一场新的技术革新悄然兴起，这就 是以软件无线电技术为特征的新一代通信系统的研究和开发。基于移动通信领域 的发展状况而提出的软件无线电思想是一种新的无线通信的概念。软件无线电的 主要思想就是在一个通用的硬件平台上，通过软件加载的方式用软件实现所有无 线电台的功能，将这一思想延伸到移动通信领域，设想不需要为每一种新的移动 通信体制重新建网、更换设备，只需在各个基站中建设统一的硬件平台，然后不 论是现有的各种体制和标准，还是将来新出现的体制和标准，都以软件加载的方 式进行更新换代。需要更新的软件可以通过一个统一的软件提供商来供给，软件 可以以无线电波的形式从空中下载。使用这样一种理想的软件无线电概念之后， 所有的体制和标准的更新，以及不同体制之间的兼容，都可以通过更换适当的软 件来完成，这样既节省了重新建网的费用，又缩短了从研究到应用的周期。 近年来，随着大规模集成电路的不断发展，计算机技术得到了飞速发展。现 在的计算机具有更高的速度，更强的功能，更大的存储空间和更高的稳定性能。 因此，就有人提出了软件无线电的计算机化，这个念头的核心思想是用计算机代 替普通软件无线电中的d s p 或者专用信号处理芯片，来完成数模变换以后的所有 变频、信号处理等功能。这一思想就是虚拟无线电的主要思想。 虚拟无线电与传统软件无线电的区别是；虚拟无线电不是由专门的数字硬件 或通用d s p 芯片实现，而是基于计算机( p c 机或工作站) 系统结构，所有的数字 信号处理模块都在用户现有的通用计算机上用软件实现，所以说虚拟无线电可以 称得上是通信系统的计算机化。 虚拟无线电的思想最早是1 9 9 9 年由美国麻省理工大学( m i t ) 的v a u n b o s e 等人提出的。它充分利用计算机进行信号处理，依靠高性能的模数转换器件做成 硬件插卡，采用p c i 总线作为传输通道，工作在高速的计算机上，将信号宽带数 字化后，在计算机上进行数字信号处理而不是用d s p 芯片。 美国麻省理工大学s p e c 仇瑚w a r e 作为虚拟无线电的开山之作，项目进展顺利。 项目中采用p e n t i mj l ，3 0 0m h z 个人计算机实现了蜂窝f m 接收机，它可以实时 处理，没有任何故障和丢失数据的现象，需要大约6 0 的c p u 。话音输出的主观 虚拟无线接收机的研究与1 6 q a m 信号解调算法的实现 质量与商用a m p s 蜂窝手机一样好，甚至比商用手机还好。随着计算机技术的普 及和发展，其运算速度越来越快，存储容量越来越大，处理能力也越来越强，虚 拟无线电商用的日子也不远了。 1 2 虚拟无线电技术的特点 作为软件无线电技术分支的虚拟无线电具有软件无线电技术所特有的技术优 势，它与通信、电子等多方面的技术相结合，具备了一些独特的新功能。 1 ) 易于实验。工作站的容量和可编程环境均优于专用d s p 芯片，容易实现新 算法和新协议的信号处理。 2 ) 开发快捷。用户可以很方便地通过更新设备驱动程序和升级软件来开发新 设备和增强现有设备的功能。 3 ) 易与其它应用结合。虚拟无线电的研究将无线电和其它应用的界限模糊化 了，提高了功能性和端到端的有效性。 4 ) 能实现多种功能。软件模块中所有的信号处理不仅可以动态地分配信道和 带宽，也可以改变同一信道的调制和编码方式。这种结构有利于新标准的推广， 可将不同标准的通信系统构造在一起。 5 ) 易于改进性能。由于工作站性能的不断提高，从而使虚拟无线电性能提高。 工作站的内存和处理器性能的增强可促使快速算法的实现；将信号处理与高层应 用结合，可优化系统；信号处理功能可动态地调节，当有空闲可用周期时，可实 现一些其它功能，如信道优化等。 6 ) 改进的计算效率。首先，与在d s p 上所受到的限制相比，由于工作站的大 存储容量和强大处理能力提供的灵活性，允许人们有效的实现新的算法。其次， 为信号处理与高层次应用集成的能力提供了在系统级进行优化的机会。最后，在 检测信道变化和系统特性的基础上信号处理函数可以动态地改变，以改进性能。 1 3 信号处理的基础理论 虚拟无线电与普通的软件无线电技术应用的信号处理原理和算法很多是相 同的，区别只是虚拟无线电的处理算法要尽量适应在计算机上进行。它涉及的领 域相当广泛，其中比较重要的理论和技术有：采样理论，多速率信号处理理论， 高效数字滤波以及正交变换理论，调制解调算法，信道编码，智能天线等。下面 对本设计中用到的理论知议进行简单介绍。 夺带通采样定理【5 】 设一个窄带信号s ( r ) ，其频率限制在( ， ) 内如其采样频率工满足。 第一章绪论 ，：! 垫! 厶!( 1 1 ) “ ( 2 n + 1 ) 式中，糟取能满足工2 ( 一石) 的最大正整数( o ，1 ，2 ，3 ) ，用正进行等间隔采样所 得到的信号采样值j 疋) 能准确地确定原信号j ( f ) 。 式( 1 1 ) 用带通信号的中心频率五和频带宽度口也可表示为。 正= 器 ( 1 - 2 ) 式中， = 盥盐，n 取能满足t 2 口( b 为频带宽度) 的最大正整数。带通采样 的结果是把位于( 柏，+ 1 ) b ) ( 一= o ，l ，2 ，) 等不同频带上的信号都用位于( 仉占) 上 相同的基带信号频谱来表示，所以带通采样可以用于将r f 或i f 信号变换到更低 的中频上，很适合在无线通信接收机中采用。 f i r 滤波器窗函数设计 数字滤波器，可以用两种形式来实现，即f i r 和i i r 滤波器。f i r 滤波器相对 于l i r 滤波器有许多独特的优点，它可以设计任意的幅频特性，同时保证了精确、 线性的相位特性。f i r 的时域表示 ( t ) 是有限长的，可以用因果系统来实现，也可 保证稳定。此外，f 取滤波器的设计相对成熟，方法更多，所以下面重点介绍f i r 滤波器的设计技术。 设计兀r 滤波器最简单的方法就是用一个已知的窗函数w ( 女) 去截取一个理想 滤波器的冲激函数k ( t ) ，得到一个实际可用的f i r 滤波器冲激函数。 ( 七) = ( 七) w ( 七)( 1 3 ) 加窗以后，对滤波器的理想特性有如下影响：第一，日。( ) ( ( ) 的频谱) 在 截止频率的间断点变成了连续的曲线，使片) 出现了一个过渡带，它的宽度等于 窗函数的主瓣的宽度。因此，如果窗函数的主瓣越宽，过渡带就越宽。第二，由 于窗函数的影响，使得滤波器的幅度频率特性出现波动，波动的幅度大小取决于 旁瓣的相对幅度。旁瓣的面积越大，通带波动和阻带波动就越大。第三，增加窗 函数的长度，只能减小窗函数的幅频特性的主瓣宽度，而不能减小主瓣和旁瓣的 相对值，该值取决于窗函数的形状。换句话说，增加截取函数的长度，只能相应 减小过渡带长度，而不能改变滤波器的波动情况。 为了满足工程的需要，可以通过改变窗函数的形状来改善滤波器的幅度频率特 性，而窗函数的选择原则是：第一，具有较低的旁瓣幅度，尤其是第一旁瓣的幅 度。第= ，旁瓣的幅度下降的速度要快，以利于增加阻带的衰减。第三，主瓣的 宽度要窄，这样可以得到比较窄的过渡带。 典型的窗函数c ) ( ) 有各种形式，例如：矩形窗、汉宁窗、海明窗等等。频谱 如图1 1 所示。 虚拟无线接收机的研究与1 6 q a m 信号解调算法的实现 盆 3 础 罄 图1 1 典型的窗函数 1 4 本课题主要内容与成果 本文较系统地研究了虚拟无线电相关理论和实现技术，设计了一个虚拟无线 接收机并实现了基于此接收机的1 6 q a m 信号的解调。第二章讨论了虚拟无线接收 机的通用硬件平台，所用器件的特性，关键技术及软件接口程序的编写。第三章 介绍了虚拟无线接受机中的1 6 q a m 信号解调定时恢复算法的实现，选择了一种可 行的定时误差估计方案，并对该方案提出了改进。其后对定时误差进行卡尔曼滤 波，选择立方插值滤波器对采样信号进行插值，达到接收机的定时要求。第四章 分剐介绍了虚拟无线电接收机中的1 6 q a m 信号解调载波恢复算法，详细分析了载 波频率偏移和相位偏移的算法特点及实现结构，用软件对所选用的算法进行了仿 真分析。第五章综合前面的讨论，构建了虚拟无线电接收机中的1 6 q a m 信号解调 的整个框图和实现流程，比较分析了系统的性能。 第二章虚拟无线接收机的硬件平台 第二章虚拟无线接收机的硬件平台 2 1 虚拟无线电硬件平台结构 虚拟无线电系统中要把模数转换部分尽可能地靠近天线，以a d 变换作为软 硬件划分界限，由于目前技术水平的限制，一般采用多频段硬件前端将r f 频段信 号下变频到中频，然后对中频信号直接采样，再将采样结果送到内存中，之后的 处理将全部在用户层软件中完成。下面以s p 叫呻mw l r e 实验系统( 以软件为核心 的无线通信和分布式信号处理方法，采用的是虚拟无线电技术) 为例，介绍虚拟无 线电的结构，如图2 1 所示。 操作蒜统扩展 图2 1 虚拟无线电结构示意图 图2 1 中的左边虚线框用来表示信号的采样。采样后的数据流通过工作站上的 g u p p i ( 通用p c li o ) 接口经过操作系统扩展功能处理后，被直接送到内存中。这里 采用的方法称为d m a ( 直接存储接入) ，就是将采样流直接送到内存，无需经过设备 驱动程序和一般操作系统的处理。这样做是为了满足实时数据处理的要求。工作 站中的软件无线电应用模块对内存中的采样流进行处理，可以完成软件无线电技 术中d s p 所能完成的功能。 在本设计中，虚拟无线平台的功能是把天线接收到的宽带多频段信号经过a d 变换器的带通采样，在c p l d 的控制下将信号送入f i f o ，并通过f i f o 的控制信号来 完成与p c l 9 0 5 4 本地端的握手，进而触发p c l 9 0 5 4 的总线中断，进行d m a 数据传输， 这样就完成了从天线到计算机的数据传输。据此，本设计的硬件平台结构如图2 2 所示。 虚拟无线接收机的研究与1 6 c i a m 信号解调算法的实现 图2 2 本设计硬件平台结构 图中的平台主要由模拟前端、a 仍变换器、f i f 0 、p c i 接口以及可编程控制 逻辑c p l d 等几部分组成。模拟前端包括：宽带天线，输出功率的产生，前鼍放 大及滤波器。图中模拟前端的功能是将不同频段的射频模拟信号进行变频，即将 射频信号频率变换至中频，以得到适应a d 变换器输入的信号频率；a 仍变换模 块完成中频数字采样；f i f o 模块起到数据缓冲的作用，以免突发传输中丢失数据； p c i 接口芯片完成信号在p c i 总线上的协议转换，通过d m a 方式将f i f o 中的数 据送到主机中：c p l d 用来完成与p c i 本地端的握手和中断逻辑控制，对模拟前端、 a d 和f i f 0 等模块以及全局的时钟进行控制。 2 2 虚拟无线电平台的硬件组成 2 2 1p c i 9 0 5 4 的结构和性能 p c i 总线规范十分复杂，其接口的实现比i s a 困难的多。目前实现p c i 接口的 有效方案是使用专用接口芯片。p c i 9 0 5 4 就是一款功能很强的专用接口芯片。它是 美国p l x 公司生产的总线通用接口芯片。使用该专用芯片桥接p c l 总线和本地总 线( l o c a lb u s ) ，开发者可以省去考虑太多复杂的p c i 总线规范，而集中精力开发 硬件和驱动程序。 p c i 9 0 5 4 符合p c iv 2 1 和v 2 2 规范；提供了两个独立的可编程d m a 控制器， 每个通道均支持块和分散集中的d m a 方式；在p c i 总线端支持3 2 位3 3 m h z ： 本地端( l o c a ib u s ) 可以编程实现8 、1 6 、3 2 位的数据宽度，传输速率最高可达 13 2 m b s 。本地总线端时钟最高可达5 0 m h z ，支持复用非复用的3 2 位地址数据。 p c i 9 0 5 4 内部有6 种可编程的f i f o ，以实现零等待突发传输以及本地总线和p e l 总线之间的异步操作( 本地总线时钟由外部提供，该时钟可以与p c i 时钟异步) 。 p c i 9 0 5 4 的内部结构如图2 3 所示。 p c i 9 0 5 4 的总线接口主要完成两项任务： 第，数据传输，地址译码和控制指令的译码。数据传输过程中的握手和等 待控制信号主要由帧周期信号f r a m e # 、主设备准备好信号i r d y # 、从设备准备 第二章虚拟无线接收机的硬件平台 好信号t r d y 捍和设备选择信号d e v s e 删组成。数据和地址信号是复用的t 由 f r 州醚信号区分地址期和数据期，同时它也标志着一次传输的开始。i r d y # 和 n y 群任何一个无效都为等待周期，二者同时有效，数据才能完成传输。 d e v e s e 肼确定选中的是哪一个p c i 设备。此外，为了避免p c i 总线上信号接收 和发送时占用总线的冲突，由总线占用请求信号r e q 拌和总线占用允许信号g n t # 仲裁。 p c i 配置寄存器 再哥1 配鬻 本地配置寄存罂 e e p r 0 n 删寄存器 。m 一 消息寄存器 0 曩离高慷幢 太 地 总总 线线 控制逻辑 图2 3p c i 9 0 5 4 的内部结构 第二，p c i 总线的信号采用反射波方式，而不是入射波方式。这一特性与普通 的单片机或者d s p 的入射波信号不同，不能与普通芯片互连，p c i 总线接口完成信 号波形和信号格式的转换。 p c l 9 0 5 4 有六个“零等待可编程f i f 0 ”。他们分别完成p c i 发起读、写操作， p c t 目标读、写操作和d m a 读、写操作。由于f i f o 的存在，数据可以大量突发 传输而不丢失。这样不仅满足实时性要求，同时可以根据用户的需要采用与p c i 时钟异步的本地频率。f i f o 和内部寄存器在计算机主机或者本地端都是统一编址 的，用户可以从两端通过编程访问他们的每一个字节。串行e e p r o m 是用来在开 机时初始化配置内部寄存器的。内部寄存器标识地址映射关系以及p c i 端和本地 端工作状态。 本地总线接口用来实现本地总线的数据传输以及标识本地端工作状态。其中， l h o l d 、l h o l d a 、r e a d y # 、a s d 抖、b l a s t ：f 、i j 、r 奔等比较重要。 p c l 9 0 5 4 工作方式灵活多样，包括：直接主模式，直接从模式和d m a 模式。 直接主模式就是本地处理器访问p c i 总线上的i ，o 接口和计算机的内存资源， 由本地处理器发起整个数据传输。直接从模式是p c i 总线作为主控设备发起对本 地总线上资源的访问，包括对本地处理器的控制和对本地内存的访问。d m a 模式支 持p c i 总线与本地总线之间的高效突发传输。p c t 9 0 5 4 集成了两个互相独立的d m a 通道，每个通道都支持块d m a 和分散集中d m a 操作。块d m a 要求计算机或 虚拟无线接收机的研究与1 6 q a m 信号解调算法的实现 本地处理器提供p c i 和本地总线的起始地址、传输字节数、传输方向。在d m a 传 输中，p c f 9 0 5 4 既是p c i 总线的主控设备又是本地总线的主控设备。发起者设定 “d m a 传输开始位”启动数据传输，一旦传输完成，p c i 9 0 5 4 设定d m a “传输结 束位”结束d m a 操作，如果“中断允许位”被设置为有效，在传输结束时p e l 9 0 5 4 将向主机申请中断。 2 2 2a d 模块设计 a d 9 2 4 4 是a d 公司推出的一款1 4 位高精度高速模数转换器。它可专门用来处 理峰峰值为1 2 v 的模拟小信号。它的输入信号和时钟信号都可以采用差分输入 形式，以使系统获得最好的性能。 1 ) 特性介绍 a d 9 2 4 4 采用先进的c m o s 制作工艺，采用4 8 脚表面贴装封装形式。因此， 它可用于小信号通信子系统、高端图象处理设备以及高频设备中。其特性如下： 夺采用单一+ 5 v 模拟电源，数字电源有+ 3 v 或者十5 v 两种选择： 夺高精度，对于l v 小信号输入，a d 9 2 4 4 具有1 4 b i t 的精度； 夺高速度，抽样速率最高可以达到6 5 m s p s ； 夺低功耗，在4 0 m s p s 抽样速率下，其功耗仅3 4 0 m w ，在6 5 m s p s 抽样速 率下，功耗为5 9 0 m w ； 夺输入频带宽，具有7 5 0 艘z 的模拟输入信号带宽；在最高抽样速率下可达 到7 4 d b 的信噪比： 夺片内集成有高性能的抽样和保持放大器，输入信号可以采用单端输入，也 可以采用差分输入： 片内提供有十1 v + 2 v 的参考电压，并可通过交换接口的电阻值来设定； 夺具有溢出表示位( o t r ) ，当输入信号超出正常工作范围时置1 ； 夺具有高速并行输出接口： 夺具有很高的欠采样性能，当输入信号为1 0 0 m h z ，抽样频率为6 5 m s p s 时 s n r 可以达到7 0 d b ，s f d r 可以达到8 2 d b ； 夺采用4 8 引脚的表面贴装封装形式。 2 1 典型应用电路 图2 4 是a d 9 2 4 4 的一个典型外围应用电路。其中模拟电源、模拟地和数字 电源、数字地都分别从外部输入。模拟信号输入和时钟信号的输入均采用差分输 入形式，以获得最佳的模数转换效果。趾! f s e n s e 、v i 疆f 和i 也f g n d 通过一个 1 0 沁的电容和一个o 1 沁的小电容相连，可提供内部l v 的参考电压。r e f t 和 i 也f b 都应通过电容网络接地，而且c m l 和v r 也都应当通过0 1 心的电容接 第二二章虚拟无线接收机的硬件平台 地。d u t y 接模拟电源可使a d 9 2 4 4 输入时钟信号的占空比调整在5 0 。o e b 脚 接地可使输出使能；d f s 通过l k q 的电阻接地，可选择输出数据为直接二进制形 式。将输出数据管脚通过2 2 q 的电阻连接到下一级数字电路，可以防止输出电流 过大，同时有隔离其它数字电路，减小干扰的作用。模拟电源和模拟地、数字电 源和数字地都应通过电容网络去耦，以减小电源输入噪声。在实际的应用中，模 拟地和数字地最好采用地层的形式，而且模拟地和数字地应该在芯片下单点接地。 另外，由于a d 9 2 4 4 是静电灵敏器件，所以电路板也应该采取各种防静电措施， 以保证a d 9 2 4 4 的正常工作。 2 2 3 其它元器件介绍 图2 4a d 9 2 4 4 典型外围电路 1 ) c p l d 设计 本系统选用了a l t e r am a x 7 1 2 8 来实现全局控制逻辑，主要完成系统复位、 时钟处理、f i f o 读写功能及复位和d m a 传输控制。m a x 7 1 2 8 是一款高性能的基 于e e p r o m 的可编程逻辑器件，该器件具有以下特点： 夺具有1 0 0 管脚、8 个逻辑阵列模块、1 2 8 个宏单元、2 5 0 0 个可用门； 夺基于第二代的m a x 结构； 夺基于j i a g 口的5 o v 的在系统可编程能力： 夺内建j 1 1 a g 边界检测电路； 夺具有1 7 5 4 m h z 计数器频率的5 n s 管脚延迟； 1 0 虚拟无线接收机的研究与1 6 q a m 信号解调算法的实现 夺3 3 v 和5 v 兼容i o 口。 2 ) i d t 7 2 0 6 介绍 系统中的i d t 7 2 0 6 是一个单向f i f 0 双端口存储器，片上的d o d 8 为9 位 数据输入线，不用的输入线应接地；q 0 q 8 为9 位三态数据输出线，不用的应 当悬空；该芯片其它引脚的功能如下： 、x o ：扩展功能控制线，本系统进行宽度扩展时，接地，而x o 不用； r s ：复位引脚，低电平时复位( 复位后读、写指针相同，存储器内容为空) ； e f ：存储器空标志“氐电平有效以表示存储器空，此时读操作将被禁止1 ； h f ：存储器半满标志( 低电平有效，表示存储器已存储了一半) ； f f ：存储器满标志( 低电平有效，用于表示存储器满，此时写操作将被禁止) ； r 、w ：读、写控制线，低电平有效，扩展使用时，可以将两片读写控制连在 一起；读指针和写指针的相对位置为0 时，e f 为低，存储器空并蔡止读，而当该 存储器为满容量时，f f 为低以禁止写。 f l r t ：该引脚具有两个功能。本系统没使用此管脚，而是通过一上拉电阻将 其拉高。 本系统中f i f 0 的r s 、r 、w 信号均受c p l d 逻辑控制。e f 、h f 、f f 标志 位也连接到c p l d 以对其它位进行逻辑控制，这些标志位只要看两个片子中的任 何一套即可。整个逻辑控制如图2 5 所示。 r u n t 聋 f i f o r s # l h o l d f l f d w # l h o l d f i f o r a d s # b t e r m # f i f o c p l d l 、唰 p c i 9 0 5 4 i 口r 7 2 0 4e p m 7 1 2 8 l c l k f l f o f f 拳 l r e s e t # f i f o h f # r e a o y # f i f o e f 幸 b u 憾1 并 l a 【3 2 ：1 】 图2 5逻辑控制框图 2 3 虚拟无线电平台的软件接口设计 在、矾n d o w s 操作系统中，c p u 工作在保护模式下，要实现对数据采集卡上的 硬件资源( 如内存、中断等) 的访问，必须编写运行在核心态的设备驱动程序。目前， 第二章虚拟无线接收机的硬件平台 使用较多的开发工具是j u ng o 公司的驱动程序开发组件w i n d d v e r 。利用砌n 础v c r 开发驱动程序，不需熟悉操作系统的内核知识。整个驱动程序中的所有函数都是 工作在用户态的，通过与w i n d r i v e r 的v x d 和s y s 文件交互来达到驱动硬件的 目的。 2 3 1 编程中用到的p c i 9 0 5 4 重要寄存器 在介绍驱动程序之前先介绍几个在操作中必须用到的寄存器。p c i 总线内部定 义的配置空间对应在p c l 9 0 5 4 的内部寄存器上，p c l 9 0 5 4 的所有内部寄存器和f r f o 在主机端和本地端( l o c a lb l l s l 都是统一编址的。也就是说，p c l 9 0 5 4 的内部五种寄 存器除了p c l 配置寄存器以外，都有自己的地址，每一个寄存器都有自己的含义。 下面介绍在编程时一些比较重要的寄存器。 1 ) p c i 配置寄存器( p c ic o n f i g u r a t i o nr e g i s t e r s ) 中有四个基地址的寄存器： p c i 基地址0 ：用作配置空间映射的基地址( p c i b a r 0 ) ； p c i 基地址1 ：用作i 0 空间映射的基地址( p c i b a r l ) ； p c i 基地址2 ：用作本地空间0 的基地址( p c i b r 2 ) ； p c i 基地址3 ：用作本地空间1 的基地址( p c i b a r 3 ) 。 其中，p c e b a r o 用作访问p c i 9 0 5 4 内部寄存器和f i f o 的基地址，在这个基 地址上按照p c l 9 0 5 4 定义的偏移寄存器( 或者p c i 总线规范定义配置空间) 的偏 移量偏移就可以访问所要找的寄存器。p c i b a r 2 是用来访问本地空间o 的基地址， 它对应本地地址o x o 0 0 0 ，在该地址上偏移可以访问的本地地址空间大小由后面将 要介绍的l a s o r r 决定。这些基地址是计算机系统自动分配的，不同的计算机， 分配的地址不同。 2 ) 设备识别寄存器，这些寄存器存储在与p c l 9 0 5 4 配套的串行e e p r o m 中。 当计算机开启时，数据采集卡也随之上电，p c i 9 0 5 4 将串行e e p r o m 的内容读入 内部相应的寄存器里。同时，计算机检测硬件设备，发现p c i 总线上有未知设备， 根据p c i 总线规范在这几个设备识别寄存器的位置读出设备识别码。如果没有识 别信息，计算机将会忽略该设备，整个p c i 数据采集卡将不能工作。识别码存储 在p c i 9 0 5 4 的p c i 配置寄存器中。 在头标区有几个字段涉及设备的识别。所有p c l 设备必须实现这些字段，一 般配置软件利用它们便能很容易地确定在系统的p c i 总线上有什么样的可用设备。 所有这类寄存器都是只读寄存器。下面说明它们的具体功能。 ( 1 ) 供应商识别字段( v c n d o ri d ) 。该字段用以标明设各的制造者。一个有效的 供应商标识由p c is i a 来分配，以保证它的唯一性。o x f f f h 是该字段的无效值。 ( 2 ) 设备识别字段( d e v i c ei d ) 。该字段用以标示指定的设备，具体代码由供应 1 2 虚拟无线接收机的研究与1 6 q a m 信号解调算法的实现 商来分配。 ( 3 ) 修改识别字段( r e v i g i o ni d ) 。该字段用来指定一个设备持有的修改识剐代 码，其值由供应商来选定，0 是一个可接受的值。该字段应当看作是设备识别字段 的扩展。 3 1 本地配置寄存器 本地配置寄存器用来控制本地端的基本工作方式，指示工作状态。共有 1 6 + 3 2 b i t ，它们都是以p c i 基地址o ( p c i b a r 0 ) 为基地址来访问的。 l a s o r r 寄存器：本地空间0 范围寄存器，它的作用是确定本地空间开辟的尺寸。 m a r b r 寄存器：本地d m a 工作方式状态寄存器，用来控制本地端的些重要的 工作方式，如等待、仲裁、d m a 等等。 b i g e n d 寄存器：b i g l i n l ee n d i a n 控制寄存器。其中各位决定本地端与p c i 总线 端字节传输顺序。 2 3 2 基于w i n 艄v e r 的设备软件接口程序的开发过程 下面我们介绍一下基于v c + + 6 o 环境下的w i n “v e r 驱动程序的开发过程，主要 有以下几个部分： 1 ) 将w m d r i v e lh 头文件拷贝到应用程序的源代码目录中，以使应用程序可以找到 它。 2 ) 在应用程序的源文件中包含w i n d o w s h ，w 协i o c t l h ，w i n d th 三个头文件。 3 ) 调用w d o p e 0 函数，打开w i i l d r i v e r 设备驱动程序，获得设备文件旬柄。 4 ) 调用、d c 砌r e g i s t e r ( ) ，向w i n d r i v e r k e m e l 登记板卡硬件信息。 5 ) 现在就可以利用w d t r a s f e r ( ) 函数来进行i o 和内存的数据存取了。当然，使 用w d c a r d r e g i s t c r ( ) 函数返回的内存映像的线性地址，应用程序还可以直接存 取硬件上的内存地址空间，消除由于w d t r a s & r ( ) 命令引起的函数调用开销。 6 ) 如果使用中断的话，可利用w d i n te n a b l e ( ) 使能中断。此后便可以调用w d i n t w a i t0 函数等待中断的到来，停止中断响应可调用w d i i l 由i s 2 a b l e ( ) 函数来 实现。 7 ) 当不需要硬件操作时，可调用w d c a r 2 d u n r e g i s t e r ( ) 取消登记，而后调用w d c 】o s e ( ) 关闭w i n 商v e r 设备驱动程序。 除了采用w i n 埘v e r 提供的程序框架来开发软件工程，也可以自行在v c + + 中新 建工程从头开始设计，这种方法思路明确，有助于加深自己对整个开发过的认识， 本设计就采用这种方式来进行数据的d m a 传输。 通过对v i s u a l c + + 、p c i 总线规范、p c i 9 0 5 4 等硬件知识、操作系统、w i n d r i v e r 以及驱动知识的学习，所做的主要工作如下： 第二章虚拟无线接收机的硬件平台 ( 1 ) 通过软件配置，能够正确读取卡的地址空间和中断等硬件信息； ( 2 ) 能够在d o s 下对采集卡进行配置，能够进行单字节以及连续d m a 数据传输； ( 3 ) 在w i n d o w s 下采用v i s u a lc + + 开发的图形界面中，能对采集卡进行配置和单次 以及连续的d m a 传输，能够正确的读取采集卡传送来的数据并用波形粗略的表示出 来，还可以将数据保存在指定的d a t 文件中； ( 4 ) w i n d o w s 标准安装程序的制作。 2 3 3d m a 传输的实现 由于要协调a d 采集和p c i 总线数据传输的速率、信息格式和时序，就要在p c i 板卡上设置数据缓冲区。为了实现连续无间隔采样，采用f i f 0 组成数据缓冲区， 再利用板上存储器直接映射主机内存技术实现快速数据传输。常用的数据传输方 式有程序查询方式、中断方式、d m a 方式和d m a 结合中断方式，由于数据采集系 统的速率指标为4 0 m s ，s ，采用程序查询方式和中断方式时数据传输速率都达不到 要求，d m a 方式只适宜做单次传输，因此只能采用d m a 结合中断方式。采样中要 保证数据采样的连续性，如果数据不能得到及时的处理和传输，很容易造成数据 的丢失。但是如果采样数据填满全部缓冲区后再采用d m a 方式传送数据，在a d 速 率较高时可能会发生数据丢失，因此对板上的存储器空间进行逻辑划分，即将板 上的存储器空间一分为二，一半用于接收a d 采来的数据，另一半用于放置将要通 过d m a 方式传到主机的数据，这样d m a 传输和从a d 接受数据在一段时间内可以 同时进行，而d m a 的速度远快于a d 采集速度，从而可以有效避免数据丢失。以下 是实现d m a 数据采集的关键代码： p 9 0 5 4 一h a n d l el l p l x = n u l l ；，定义一个p9 0 5 4 句柄 h a n d l eh w d ；定义一个设备句柄用于检测 b o o lf u s e i n t = f a l s e 默认不使用中断 w d _ 【) m a d m a ；定义一个d m a 结构，开辟一个d m a 缓冲区 b z e r o ( d m a ) ；结构清零 p 9 0 5 4 _ m o d em o d c = p 9 0 5 4 m o d e _ _ d w o r d ；，操作模式为双字节 d w o r dd w l o c a l a d d r ： i n t + p b u f c r ； i f ( ( p b u f e r = ( i n t + ) m a l l o c ( 2 0 4 8 + s i z e o i m ) ) ) ! = n u l l ) ；在内存中开辟一个缓冲区 p 9 0 5 4d m a c h a n n e l d m a c h a 皿e l ；定义一个d m a 通道句柄 b o o lf a u t o i n c = t r u e ；操作模式为地址自动增加 b o o ln s r c a d = t r u e ；读操作 d w l o c a l a d d r = 0 x 0 ；指定用户缓冲区的起始地址 “ 虚拟无线接收机的研究与1 6 q a m 信号解调算法的实现 d m a c h 籼e l = p 9 0 5 4d m ac h a n n e lo ；采用d m a 通道0 d m a 。d w b y t e s - 51 2 ；加m a 缓冲区的大小，也是一次d m a 操作传送的字节数 d m a p u s c r a d d 唧b u f c r ；，内存中的缓冲区用于d m a 操作 d m a d w o p t i o n s = 0 ； p 9 0 5 4d m ah a n d l e h d m a ；定义d m a 句柄 确认wi n “v e r 被加载 i f ( ! p c i _ g e t w d _ l a n d l e ( & h w d ) ) r e n no ； w d c 1 0 s em w d ) ；臆测设备 打开指定的w i n 埘v e r 设备，获得设备信息并向系统登记资源 h p k 2 p l xl o c a t e a n d o p e n b o a r d ( 0 x l o b 5 ，0 x9 0 5 4 ，ms e i n t ) ； 其中封装了”i x 一 h w d = w d lo p e n ( ) ；打开板卡 b z e r 0 0 c i s c a n ) ； p c i s c a n s e a r c h l d d 、v v b n d o r i d = d w v e n d o d d ；指定售主i d p c i s c a l l s e 盯c l l i d d w d e v i c e i d = d w d e v i c e i d ；指定设备i d m p c i s c a i l c a r d s ( ”i x 一 h w d ，& p c i s c a l l ) ；列举p c i 插槽上的设备 b z e r oq c i c a r d i n f 0 ) ； 恤i c a r d1 n f b p c i s l o 忙p c i s c a n c a r d s l o t 【n c a r d n u m 】；获得p c i 插槽信息 ，w dp c i g 鲫c a r d i n f 0 ( ”l x 一 h w d & p c i c 删n f o ) ； 佣江) _ c a r d r e g i s t e r 0 1 p 1 x 一 h w