（电磁场与微波技术专业论文）射频数字通信系统的研发.pdf

、 、- 一 囊 笼 东南大学学位论文独创性声明 删 y 1 7 61 划孑 本人声明所呈交的学位论文足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。 淞i 口站f 8 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) 论文的伞部或部分内容。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： 钥茄鸣 导师签名：屋她 期： 丝! ! ：笪： 摘要 射频数字通信系统的研发 研究生姓名：胡笳鸣 导师姓名：殷晓星 ( 东南大学信息科学与工程学院毫米波国家重点实验室) 摘要 随着近十年来通信技术的迅猛发展，射频数字通信系统由于体积小、重量轻、耗电低等优点在 当今的各个领域，诸如蜂窝式个人通信与基站、无线局域网、低轨道卫星移动通信中得到了广泛的 应用【。 本论文的主要工作是：依托理论研究的基础，采用系统设计的思想，利用现有的集成电路和芯 片技术，结合仿真软件和测试平台，研制出一款可以适用于多种实际q k 务的射频数字通信系统，并 且针对该系统进行实地环境测试和现场调试，力求系统的町靠稳定和性能最优。 该系统主要山两部分组成：基带数字传输系统和射频传输系统。其中，基带数宁传输系统采用 了当今较为先进的数字集成电路技术，完成对基带信号的a d 、d a 变换、信号处理、脉冲传输控 制以及各种通信接口的协议处理等功能，向上为用户提供友好的接入方式，向f 则是为射频系统提 供优质的信道数据接口。射频传输系统从基带系统中获得信道数据，完成信号调制、功率控制和最 终发射，或者是相反，从接收的无线信号解调出信道数据然后通过信道数据接u 交给基带系统。 在本系统的设计过程中，针对基带系统开展的主要工作是架构一个以d s p 和f p g a 芯片为核心， 高速a d 芯片、声码器芯片、存储芯片为外围的电路系统，结合大量c 、v 砸l o g 的软件调试；而围 绕射频电路开展的工作相对较为复杂，首先根据系统的预定性能指标选择适当的芯片，然后针对频 率合成器、调制器、解调器、功率放大器、低噪声放大器等芯片开展单独的模块测试，以求获得器 件的实际工作特性，最后在把握整体系统原理的基础上，构建一个射频无线通信收发平台。 【关键词l 射频技术调制和解调基带系统d s pf p g a 东南大学硕十学位论文 r e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n t o n r fa n d d i g i t a lc o m m u n i c a t i o np r o t o t y p e s y s t e m g r a d u a t eh u j i a m i n g s u p e r v i s o r y i nx i a o x i n g a b s t r a c t w i t hr a p i dd e v e l o p m e n t so ft h ec o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y ，t h er fd i g i t a lc o m m u i l i c a t i o ns y s t e m1 1 a s b e e n 谢d e l ya p p “e di ni m n ya f e 嬲f 研i t sa d v a n t a g e s t h e s ea f e a s 1 1 a v ec o v e r e dc e l l p h o 北a n d b a s e - s t a t i o nc o m m u i l i c a t i o n ，w i r e l 鼯si a n ，s a t e l l i t ec o m m l l i l j c a t i o na n ds oo n t h i st h e s i sd e s c r i b e st h eg e n e r a lm i n j k i i l ga n dd c s i g i l i n gi d e ao f 勰r f 锄dd i g i t a lc o m m u l l i c a t i o n s y s t e 札w i t ht h es u p p o no fm n y t h e o r e t i c a ls t u d i e s 锄dw o r k i l l ge x p 丽e i l c e s ，、ed e v e l o pa n do p t i n l i z e n l i ss y s t e mf - o rm a n yp r a c t i c a la p p l i c a t i o n s b a s e do nw b o l ec o l l r s e 缸_ a c l ( i n g 缸l dc o m j n i s s i o n i n g ，t h i s o p t i i i l i z e ds ) ，s t e mf i m l l yh a sag o o da b i l 毋o f c 伽t r o l 、a d j l l s t m e n ta n da d a p t i n g ，w h i c ho p e r a t e ss 乜山l y t h ec o m m u n i c a t i o ns y s t e mc o 璐i s 协o f 锕ds u b s y s t e i 璐：o i sm eb a s e b 锄dd i g i t a ls y s t e ma n dt h e o 也e ri si 强s y s t e nt h eb a s e b a n dd i g i t a ls ) r s t e m ，a d o p t i n ga d v a n c e d 蚴t 1 1 r e dv l s it e c h n o l o g i 嚣，i s d e s i g n e dt oa c c o m p l i s hs y s t e mc o n 廿o l ，a da n dd ac o n v 盯s i o 珥d i 西t a ls 追m lp r o c e s s i n g ，d 追i t a l i m p l e m e n t a t i o no f 啪v es h a p i n gb a s e b a n d 丘l t e ra n ds oo n np r o v i d 鹪伍e n d l yi n t e r f - a c e sf 研l l s e f s ，a n d c b a 皿e li n t e r f a c ef o rr fs y s t e 皿t h eb a s e b a n ds 追m l ，c o m i n gt h r o u g hc h a n li m e r 伍c e ，i st h e n 啪d u d 、a i i l p l i f i “m d i a t e d t om e 舶es p a c e b y t h e r fs y s t e n l o ra l o n g ar e v 铘er o u t e ，t h a t r fs y s t e m t e c e i v e st h er a d i os i g n a l 舶mt h es p a c e ，d e m o d u l a t e si ta n d6 m u ys e n d st h ed e m o d u l a t e db a s e b a n ds i g n a l t ob a s e b a n dd i g i t a ls y s t e mt h r o u g hc t l a 衄e l i n 蛐c e t h eb a s e b a n dd 蜮t a is y s t e ml l a sac o r eo fd s pa n df p g aa n dp 嘶p h e r a ic n u i t s 班d eu po fa 巾 c h i p 、a m b ec h i pa n ds d 黜m c o i 塔仇i c t i o no f b a s e b 锄ds y s t e mn d s l o r es o 胁a r ed 曲u g g i n g ，w h i l e 吐l er fs y s t e mn e e d sm o r eh a r d w a r e 出b u g g i n g n o n - d e t e m l i i l i s mi i lr fs y s t e mm a k e st h ec o 舾t r i l c t i o n m o r ec o m p l i c a t e 也s oe v 吖r fm o d u l es h o u l db em c a s u r e df i r s t i y 1 1 1 ew h o l es y s t e mi sc o 璐t n l c t e do nt h e p r e m i s eo fm l d e r s t a i l d i n gt h ei n h e r e ml a w s 【k e y 们r d s 】r f 妣h n o l o g ) ，、m o d u l a t i o na n dd e i d u l a t i 、b a s e b a n ds y s t e m 、d s p 、f p g a i i 目录 目录 摘要i a b s 仃a c t 目录i 第l 章绪论1 1 1 通信系统基本原理1 1 2 射频数字通信系统简介1 1 3 本本论文的工作背景和内容介绍2 第2 章基带数字电路系统7 2 1 用户接u 8 2 1 1 语音接口一8 2 1 2 网络接口9 2 1 3 u s b 接口。1 0 2 2 中央处理单元1 1 2 2 1 中央处理单元的组成和功能1 1 2 2 2 基带系统的工作流程1 3 2 3 信道接口1 4 2 3 1 码间串扰1 5 2 3 2 奈奎斯特准则1 6 2 3 3 信道滤波器1 8 2 3 4 信道接口的实现1 9 2 4 本章小结2 0 第3 章射频收发系统2 3 3 1 射频收发系统的组成2 3 3 1 1 发射系统的基本结构和性能参数2 3 3 1 2 接收系统的基本结构和性能参数2 4 3 2 发射系统的设计与构建2 5 3 2 1 调制器模块2 6 3 2 2 本振信号模块2 9 3 2 3 功率放大器模块3 3 3 3 接收系统的设计和构建3 6 3 3 1 低噪声放大器3 6 3 3 2 解调器模块3 9 i 东南大学硕士学位论文 3 4 滤波器4 l 3 5 天线4 2 3 6 总结4 4 第4 章整体系统的构建和测试一4 5 4 1 系统的构建4 5 4 1 1 调制解调器模块的构建4 5 4 1 2 射频系统模块的级联4 6 4 2 级联系统的测试4 7 4 2 1 发射系统的测试4 8 4 2 2 接收系统的测试5 0 4 3 工作性能的测验5 1 4 4 本章小结51 总结5 3 参考文献5 5 第l 章绪论 1 1 通信系统基本原理圆 第1 章绪论 信息时代的一个主要特征就是信息、信息源以及信息的获取、传递、处理等能力在信息技术支 持f 的高速发展b 1 。其中，信息传递技术即通信技术的飞速发展，不仅仅改变了人类的生产和生活 方式，还必将对全球政治、经济、军事领域产生强烈的冲击。 点与点之问建立的通信方式是通信系统的一种最基本形式，其模型可以用图卜1 来表示拈1 ： 图卜1 通信系统构成基本模型瞄1 图卜1 中的信源足指发出信息的信息源。不同的信源构成小同形式的通信系统。变换器的功能 是把信源发出的信息变换成适合于信道上传输的信号，通常的步骤是：首先将非电信号转变成电信 号，之后对电信号进行变换和处理，使其适合于信道传输。信道则是信号传输媒介的总称。不同的 信源形式对应的变换处理方式不同，与之相对应的信道形式也不一样。信道基本上可以分为两类， 利用窄间电磁场辐射传输信号的无线信道和利用传输线传输信号的有线信道。本次设计的系统主信 道是无线信道，但是在基带电路中也涉及很多育线信道的内容。反变换器的功能则是完成变换器的 逆变换，由于变换器把不同形式的信息变换和处理成为适合信道传输的信号，这样的信号必须由反 变换器转变为接收者可以处理的信息。信宿是信息传递的终点，也就是信息接收者。噪声源是电路 和信道中客观存在的干扰，在模型中被统一标志在信道处。 1 2 射频数字通信系统简介 射频通信技术的发展可以追溯到1 9 世纪中期。1 8 6 4 年j a i m sm a x 、张u 在伦敦英国皇家学会发表 的论文中首次提出了电场和磁场通过其所在的空间传播的设想：1 8 8 7 年h e n z 通过实验论证了电磁 能量可以通过空间发射和接收；1 9 0 1 年m a r c o i l i 成功实现了无线电信号横越大西洋的传递，从此无 线电技术正式诞生。如今，随着移动通信和无线局域网( w l 小) 等技术的发展，射频通信系统开 始在其中扮演越来越重要的角色，并且成为当前最热门的技术之一。 射频通信系统的主要功能是将基带信号调制到相应的载波上，这样可以有效地把信号用电磁波 的形式辐射出去，但是考虑到天线尺寸的因素，系统使用的载波信号频率不能太低；同理，射频通 1 东南大学硕十学位论文 信系统还必须具备将基带信号从射频信号中解调出来的功能。为了应对无线信道的信号衰落，整个 系统中还会安装功率放大器和低噪放：最终还要通过收发天线来完成信号接收和辐射。一套基本的 射频通信系统可以分为发射机和接收机两部分，如图卜2 所示。射频通信系统所要处理的基带信号， 通常分为模拟和数字两种。由于当今数字技术的普及和本次工作的重点，本文在讲述基带信号时， 指的均是经过采样、量化、编码的数字信号【5 。 基带 天 天 带信号 载波载波 ( a ) 发射机原理图( b ) 接收机原理图 图卜2 射频通信系统发射机和接收机基本原理图 数字通信技术的发展源于奈垒斯特抽样定理的给出：等间隔采样的脉冲周期频率，应该不小于 采样信号频谱带宽的两倍旧1 。但是该技术真正走入实用是在2 0 世纪6 0 年代中期，当时，高速a d 、 d a 变换器的出现和计算机的人量使用，促进了数字信号处理技术的快速发展。近几年来，由于超 大规模集成电路的出现，数字技术已经开始在越来越多的应用领域中取代传统的模拟技术。 如今和数字信号技术紧密结合的射频通信，所调制的基带信号已经不再是属于四十年代的模拟 信弓，相反，调制器面对的是一系列比特流，这些连续的0 、1 信号通过键控的方式被调制到载波的 幅度、频率或者是相位上，接着被发射出去幢1 。和传统的射频模拟传输系统相比，现代的射频数字 传输系统拥有许多优点：抗干扰能力强、精度高、可靠性好、便于大规模集成而且功耗也很低，因 此应用的领域相当广泛。 1 3 本本论文的工作背景和内容介绍 近年来，随着电信市场的开放和通信与信息产业技术的快速发展，射频通信系统凭借其建设速 度快、网络接入迅速便捷以及体积小功耗低等特点，开始在微波、无线通信领域扮演着越来越霞要 的角色。和射频系统有关的各种先进技术和方法层出小穷，几乎所有的射频通信系统都在采用微波 单片集成电路( m m i c ) 技术的基础 ：，不断追求小体积、高集成度的目标。 本文工作就是研制一套射频数字通信系统，用以评估某系统的软硬件性能及算法的参数。根据 上述要求，我们给即将设计的系统提出以下几点要求： ( 1 ) 通用性强：该系统必须涵盖从基带到射频技术的所有基本内容，并且为用户提供多种接口 以承载各项、【k 务。 ( 2 ) 可操作程度高：系统应当具备较强的参与度，用户可以任意选择系统的工作方式，或者是 在系统工作时观察各个单独模块的状态，最终获得对于射频数字通信系统不同工作模式的直观认识， 2 第l 章绪论 以掌握系统中各个模块之间的相互关系； ( 3 ) 具备扩展性：系统中的各个模块应该是可以置换的，用户可以自行改进或者是设计模块添 加到系统中，完成系统整体架构的改进和性能提升； ( 4 ) 紧密结合当今射频技术：采用的器件和相关技术必须和当今射频技术的发展相同步。 该系统的主要性能指标如下： ( 1 ) 发射频率接收频率：8 5 0 m h z 8 0 0 m h z 。 考虑到空间环境中分布的电磁干扰，我们选择的频点应当规避这些已有信号的频段，例如空间 中存在可能会1 i 扰本系统工作的g s m 和c d m a 信号，我们选用的频点合理规避了这些信号的干扰 ( 使用图1 - 4 中自制的3 d b 增益小天线，测得的空问电磁信号分布如图卜3 所示) 。实用的整套通信 系统由两台对等系统组成，工作时分为a 台、b 台，单工时分别完成收发任务。如果整套系统以f d d 模式工作，a 台和b 台的收发频率应当人为进行相反的设置。 ( 2 ) 通信方式： 可以使用单向方式进行通信，也可以采用5 0 m h z 间隔的f d d ，或者采用1 d d 双工方式。 ( 3 ) 调制方式：b p s k 或是q p s k 。 为保证系统未来的可扩展性，基带电路中信道接口可以提供i 、q 两路正交信号的输出，调制方 案可以是b p s k 或q p s k 以及其他的数字调制技术。 ( 4 ) 数据速率：1 m b p s 4 m b p s 。基带数据速率可以通过软件配置加以改变。 设计步骤如下： 一、作为一套整体实验系统的设计者，首先应当参考一些他人工作的经验，了解嗳待设计的整 体系统在性能上应该达到的平均指标，确保系统能够具备较强的通用性： ( 1 ) 伴随着数字集成电路技术进一步的成熟和射频集成电路技术的快速发展，越来越多的高性 能、高指标的射频通信系统的工作已经被工程界完成。 ( 2 ) 成熟的芯片技术已经使得系统的整体设计丁作变得不是太复杂，性能指标均可以在调试和 实验后达到由芯片厂商规定的范围。 ( 3 ) 通用性应当在设计之初便加以考虑，本次设计的系统是实验级产品，主要承载一些可以满 足基本教学所需的简单业务，如语音、网络通信等，整体系统采用常见较为简单的方式进行工作。 二、设计者应当规划整体系统的构成以及这些组成部分在系统中发挥的作用，在构建过程中必 须保证系统的操作性和扩展性，并且藉此选择合适的器件： ( 1 ) 整套射频数字通信系统由基带数字电路系统和射频收发系统构成。其中，基带数字电路系 统负责向用户提供接口，例如语音、网络和u s b 接口等，具备a d 、d a 变换、信号处理、信道数 据编码以及控制整体系统工作状态的功能；射频收发系统负责完成数字信号的解调和调制、接收和 发射；最终完成的系统，可以根据用户的需求方便地改变架构和工作状态。 3 东南大学硕士学位论文 r 融i l ，1 0 0 c h 2 触tod b v 8 w3 0 0k h l 【l 】 融f 一2 0 o od b ms v 盯5 瞄8 5 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0mhz s e “s o r7 一3 0d 融 4 0d e i 5 0d b i 6 0 d b 一7 0 d b i 1 虹 l属 l 飙，i 瓯嘲 m 州蝴一舻h w州引一犷k 小 孳 h r 州 if ( m i a1 l - 1 1 0d i 1r l & li l l l 图卜3 空间电磁场分布图 图卜4 自制的3 d b 伞向小天线 ( 2 ) 基带数字电路系统使用t i 公司的1 m s 3 2 0 c 6 0 0 0 系列的d s p 芯片和u t e r a 公司的 e p 2 c 3 5 f 6 7 2 c 8f p g a ：卷片作为本系统控制、信号处理、模块链接的核心器件；a d 、d a 变换采用 a n a l o gd e v i c e 公司的几款高速和低速变换器；用户接口则由语音编码器、以太网驱动芯片提供。这 些芯片均具备较强的操作性，其中d s p 和f p g a 模块更是为用户提供了广泛的发挥空间。 ( 3 ) 为保证系统的扩展性，射频收发系统在本次构建中，以独汐模块的方式实现各种功能，例 如调制解调、功放、滤波等。每个模块留有相互连接所需的5 0 欧姆s m a 接口，便于未来系统的改 变和设备添加。 三、在熟练掌握各种芯片t 作性能的前提下，开展整体系统的搭建工作，确保系统性能的稳定： ( 1 ) 数字集成电路在技术上相对成熟，基带系统的搭建工作主要足安排系统工作的程序流图、 绘制p c b 版图并且配合以大量的软件调试工作。 ( 2 ) 射频收发系统的搭建过程则相对较为复杂，考虑射频电路对于具体布局布线较为敏感的特 点，因此只有在经过针对每个模块( 例如独立的本振模块、功率放大器模块、低噪声放大器模块等) 的调试实验之后，整体系统的搭建才能较为顺利的完成；搭建过程中要注意模块之间的关系，以规 4 第1 章绪论 避相。旺之间可能出现的干扰。 p n q 、对于搭建好的整体系统进行现场测验和调试，以获得稳定的最终性能。 全文的结构安排如下： 第一章简述了射频数字通信系统的相关知识背景和本文的差要工作； 第二章介绍了基带数字电路系统的设计思想和该系统的构成以及搭建调试过程； 第三章介绍了射频通信系统的基本原理和结构，确定设计指导思想并且完成针对射频系统中各 个模块的测试，获得性能指标； 第四章介绍了在把握各个模块性能指标的前提下，开展整体系统的搭建、实地测验和现场调试， 最终实现系统的稳定工作。 5 东南大学硕士学位论文 第2 章基带数字电路系统 第2 章基带数字电路系统 随着超人规模数字集成电路技术的发展，通信系统中的基带部份多数是由数字电路构成【7 1 。本 次实验的基带数字电路系统其基本构成如图2 1 所示，所需完成的主要工作是： 语音接 力锣彩 彩 髫：j 矧 射频 模块 r j i su s b 图2 1 基带数字电路系统的基本框图 ( 1 ) 为用户提供接口： 系统为用户提供语音接口、网络接口和u s b 接口。 ( 2 ) 信号的a d 、d a 变换： 话筒将使用者的声音信号转换成连续的电流信号，然后交给基带数字电路系统。基带系统按照 数字信号处理的流程，对传入的连续电信号进行抽样、量化和编码，接着将编码后的离散数据，上 传到中央处理器以待进一步的处理。同理，中央处理器收到的离散数据，需要经过相反的过程，即 从这些离散数据中恢复出原始的连续电流信号，然后传至听筒。这样，使用者就可以从听筒中听到 恢复出的话音信号。 网络接口和u s b 接口的对象是p c 机，这二个接口收发的是离散的数据信号，因此不需要经过 a d 、d ，a 变换。 ( 3 ) 离散数字信号的处理【8 】【9 】： 中央处理单元完成语音数据、网络数据和u s b 数据的综合处理。首先，中央处理单元必须将有 效数据从各个接u 传递来的数据流中剥离；接着按照定的格式把这些有效数据重新组装成数据帧， 使其具有适应无线信道传输的特性，例如增加冗余校验或者是数据交织；然后再进行数字滤波，将 脉冲信号变换为适合信道传输的信号形式。 ( 4 ) 基带传输信号的产生： 中央处理单元完成的一系列工作是以离散的数据计算为主，其输出的信号是标准的方波脉冲。 这样的脉冲不适合信道的传输，必须经过信道滤波以产生适合信道传输的基带信号。信道接口将方 波数字信号转换成基带传输信号交给射频模块进行调制，或者是从信道接口传来的基带解调信号中， 恢复出数字信号，交给中央处理单元处理。 7 东南大学硕士学位论文 2 1 用户接口 2 1 1 语音接口 对于终端用户来说，语音接口就是麦克风和扬声器。麦克风的作用是将人类语音的声波信号， 通过碳膜片的触压作用，转换成标识有语音信号强度的电流信号；扬声器的作用正好相反，将载有 语音信号的电流，转换成声音信号输出。 本次实验系统鉴于节省信道带宽资源的目的，不仅要求语音接口部份可以提供优质的话音信号， 还要求语音数据速率尽可能低。为此，我们选用a m l o gd e v i c e 公司的a d 7 3 3 l l 数模转换芯片和 d v s i 公司推出的a m b e 2 0 0 0 7 m 声码器芯片【1 0 】【1 1 1 。 d v s i 公司推出的a m b e 2 0 0 0 t m 声码器芯片是款应用灵活、高性能、低功耗、可变速率的单 片实时全双工语音压缩解压芯片。该芯片使用标准的多带激励( a m b e ) 语音压缩算法，因此其工 作性能比使用c e l p 、r e l p 、v s e l p 、m e l p 、e c e l p 、m p m l q 、l p c 1 0 等算法的同类芯片优异。 使用该芯片的系统可以在町变速率( 2 妨p s 9 6 妨p s ) 的条件下，提供实时的、全双工并且质量优良 的语音信号。 硬件控制 用户接 国 压缩语音数据 & 控制字 语音接口 图2 2 语音接口模块 语音接口整体模块如图2 2 。a d 7 3 3 1 1 为p 州b e 推荐使用的a d 、d a 变换器，当a d 7 3 3 1 1 和a m b e 2 0 0 0 t m 声码器芯片级联时，a m b e 2 0 0 0 t m ：签片会自动向a d 7 3 3 1 1 内部的控制寄存器写入 控制字，完成a d 7 3 3l l 工作状态的设置。a d 7 3 31 l 将以3 2 k h z 速率采样模拟语音信号，量化位数 1 6 位。之后，这些语音数据将被送入a m b e 2 0 0 0 7 m 声码器芯片等待压缩处科1 】【1 2 1 。 图2 3 语音接口模块的实际电路 8 钟停止。 ( 7 ) 支持u r p 、a u i 和b n c 自动检测；支持1 0 b a s e t 的自动极性改正。 ( 8 ) 支持8 条承q 总线、1 6 条i o 基本地址选项和额外i o 地址输入输出完全解码方式。 ( 9 ) 支持存储器瞬时读写。 ( 1 0 ) 支持可编程的4 诊断l e d 输出。 图2 4 网络接口模块的实际电路 通过中央处理单元可以设置i 汛8 0 1 9 a s 芯片的工作方式和状态：向芯片的内部寄存器写入控制 字来分配发送和接收缓冲区，通过对地址以及数据口的读写来完成以太嘲帧的接收和发送。 9 东南大学硕士学位论文 在软件调试过程中，需要注意的是：r t l 8 0 1 9 a s 芯片的发送数据帧格式符合正e e 8 0 2 3 协议， 如图2 5 ，但是接收数据帧格式并非完全符合正e e 8 0 2 3 协议定义的帧格式。芯片自动添加了“接收 状态、下一页指针、以太网数据帧长度”共4 字节的帧头，如图2 6 ，以便于驱动程序的设计。 p rs 【)d a s at y p ed a t af t ? s 莉导羁梭营宠界符目的地址源地址 类型字段数据段帧校验j 葶列 7 l 66 2 1 6 l s o o 1 图2 5i e e e 8 0 2 3 定义的帧格式 r s rn p pl t hd as at y p ed 姆af c s 接收状态 下一页指针l ；l 太弼帧长发目的缝蛙灏她缝类型字段数据段帧授验缪翔 ll2662 4 6 l s t o - i 2 1 3 u s b 接口1 1 5 l 图2 6r t l 8 0 1 9 a s 定义的帧格式 随着u s b 2 0 规范的推出，u s b 总线的最高数据速率可以达到4 8 0 m b p s ，这使得越来越多的设 计者在设计嵌入式系统时开始采用u s b 总线进行数据传输。本次实验，设计者选用n x p 公司的 i s p l 5 8 1 芯片来架构u s b 接u 模块。 i s p l 5 8 1 是一。种价格低、功能强的通用串行总线接口器件，它完全遵循u s b 2 0 规范，支持7 个 玳端点，7 个0 l r r 端点。i s p l 5 8 1 支持u s b 2 o 的自检模式和u s b l 1 的返回工作模式，可以在高 速或者全速条件下正常运行。内部集成有串行接u 引擎( s i e ) 、p i e 、8 k b 的f 口o 存储器、数据收 发器、p l l 的1 2 m h z 晶体振荡器和3 3 v 电压调整器。i s p l 5 8 l 与本系统中央处理器的通信是利用 一个高速的通用并行接口来实现。 其完成功能如下：u s b 2 0 收发器通过集成的终端电阻肯接与u s b 电缆相连：p l l i l i p s 串行接口 引擎( s i es e r i a li n t e r f a c ee n g i ) 完成所有u s b 协议层的功能；存储器管理单元和集成r a m 实现 了u s b 总线和微控制器管理器或d m a 管理器之间的速度转换；直接存储器访问( d m a ) 管理器接 收到d m a 命令后可直接把数据从内部洲传送到外部d m a 设备或从外部d m a 设备传送给内部 r a m 。i s p l 5 8 l 工作模式由b u sc o n 下、m o d e 0 和m o d e l 管脚来决定，外部数据通过8 位地址 线和1 6 位数据线传输到i s p l 5 8 l 内部进行编码并送入u s b 2 0 收发器进行数据传送。数字系统最高 的采样速率为2 1 7 6 m h z ，i s p l 5 8 1 接u 速度可达1 2 5m 字节秒，所以可以满足系统实时传输要求。 1 0 第2 章基带数字电路系统 2 2 中央处理单元 中央处理单元是整体基带数字电路系统的核心部分，如本章节开头所示，它在整体电路中起到 以下作用： ( 1 ) 控制整体电路系统中各个模块的工作状态。 中央处理单元必须能够控制每个模块的一卜电、复位、置数和开关。所有器件均町以通过相应管 脚电位的改变来完成开机之后的初始复位；为了完成初始工作状态的设置并且进行开机后的再次调 整，中央处理孽元还需要向各个模块的控制寄存器中写入控制字；后期的调试过程中，个别模块的 测试工作需要独立进行，那么能够控制模块的开关也是相当重要的；对于射频系统，中央处理单元 合理控制某些器件的开关还可以起到降低功耗的作用。 ( 2 ) 协调整体系统中各个模块的工作。 在一套整体的通信系统中，构成系统的各个要素之间存在着时间、资源上的竞争和冲突。中央 处理单元必须安排整体系统的工作时序，合理把握系统内部各个模块之间的信号流向，以确保整体 系统的丁作稳定。 ( 3 ) 完成数字信号的处理。 这是中央处理单元的丰要工作。由于接口形式的多样性，进入中央处理单元的数字信号各不相 同，必须对这些形式不同的数字信号进行统一规划。例如，语音接口模块上传的是经过压缩编码的 语音数字信号，而网络和u s b 接口模块上传的是以各自协议为规范的数据帧，中央处理单元必须从 这些数据格式中剥离出有效成份，经过合理重组以适应信道传输。或者是相反的过程，从接收到的 来自射频模块的数据帧中分解出各个接口所需的数据，最后按照不同接u 协议组装后传给各接u 模 块。为满足通信信道的传输要求，中央处理单元还必须对即将| ：传射频系统的数据流进行信道化处 理，例如在有效数据中增加冗余编码以应对无线信道的随机噪声，添加数字滤波功能等。 综上所述，本次设计系统的中央处理单元具有的功能是系统的控制协调和信号处理。 2 2 1 中央处理单元的组成和功能 中央处理单元控制协调和信号处理的功能可以通过使用d s p 和f p g a 芯片来实现。高速、功能 强大的d s p 芯片足本次实验系统的灵魂，负责整体系统的程序循环和流程控制，完成协议之间的转 换；实时性强、并行处理能力突h 的f p g a 芯片则用于连接各个接口模块，对各个模块进行初始设 置以及实现基带数字信号的滤波。 d s p 芯片我们选用1 1 公司的1 m s 3 2 0 c 6 7 1 3 ，该系列d s p 最主要的特点是在体系结构上采用 v e l o c i t i 超长指令字( v e r y l o n gi i 塔t m c t i o n w o r d ，v l l w ) ，通过指令问的并行来获取更高的性能。具 有v l l w 体系结构的d s p ，可以在单周期内执行多条指令。并行的系统结构是该系列d s p 高性能的 体现，使之在性能上完全超过了其他传统的d s p 【1 6 】【1 7 】。 具有每秒钟4 8 亿条指令( m 口s ) 和高效的c 编译器，使得t m s 3 2 0 c 6 0 0 0d s p 对于不同产品 东南大学硕士学位论文 都具有最大程度的应用。高性能、操作简单和可以承受的价格使得1 m s 3 2 0 c 6 0 0 0 平台尤其适用于 多通道、多功能的应用，例如共享调制解调器( p o o l e dm o d e m s ) 、无线本地环基站( w 岫l e s sl o c a l l o o p b a s es t a t i o n ) 、远程访问服务器( r e m o t ea c c e s ss e e r s ) 、数宁用户回线系统( d i 百t a ls u b s c r i b e rl o o p s y s t e m s ) 、电缆调制器( b l em o d e r 璐) 、多通道电话系统( 枷l t i c l l a n n e lt e l e p h o n ys y s t e r 璐) 等。 c 6 0 0 0 系列的d s p 每个周期能够执行8 条3 2 位的指令。其内核c p u 由两个寄存器组a 和b 组 成，具有8 个3 2 位字长的功能单元。该款d s p 具有以下特点： ( 1 ) 具有8 个功能单元的高级v l l w 体系结构的c p u ，包括2 个乘法器和6 个a l u 。每个周期 执行8 条指令，允许设计者开发高效率的类r j s c 代码，从而加快开发进度。 ( 2 ) 指令打包。给定代码大小等效于8 条指令，可以串行或者足并行执行，减小了代码大小、 程序取指时间和功耗。 ( 3 ) 所有指令的有条件执行。减小岛代价条件分支指令，增加高持续性性能的并行机制。 ( 4 ) 独立功能单元中代码高效执行。工具集中有上业标准级的高效c 编译器以及用于快速开发 和增强并行性能的工业标准级汇编优化器。 ( 5 ) 8 l6 3 2 位的数据支持，为各种应用提供高效存储器支持。 ( 6 ) 支持4 0 位的算术运算，能够为各种高强度的计算和编码提供附加精度。 ( 7 ) 硬件支持i e e e 标准的单精度( 3 2 位) 和双精度( 6 4 位) 指令，该特点仅限于本次实验选 用的c 6 7 x 系的d s p 。 牟令r j 一4 5 黜晒 图2 7 中央处理单元和外围模块 f p g a 我们选用e p 2 c 3 5 f 6 7 2 c 8 ，该芯片是鲇t e r a 公司推出的c y c l o m 系列的f p g a 中的新产品。 在继灿t e r a 公司大获成功的第一代c y c l o n e 系列的基础上，c y c l o 鹏i if p g a 从根本上针对低成本进 行构建，为价格敏感的应用提供大批量的产品解决方案。c y c l o 北i i 器件采用t s m c9 0 衄的低k 值 电介质工艺，在3 0 0 n m 圆晶片上牛产，具有很高的性能和较低的功耗，而价格和a s i c 相当。c y c l o 器件可以提供4 6 0 8 到6 8 4 1 6 个逻辑单元，包括了嵌入式1 8 1 8 位乘法器、专用外部存储器接u 电 路、m 4 kr a m 块、锁相环( p l l ) 和高速差分i o 功能【1 8 】【1 9 1 。 1 2 第2 章基带数字电路系统 中央处理单元中，d s p 是核心器件，它负责控制整体系统的工作流程，完成对于各个模块的控 制和收发数据的信号处理。f p g a 贝u 完成各模块的连接并且负责缓冲接收到的数据，如图2 7 。大多 数芯片和中央处理单元的通信足依靠高速并行接口完成的，f p g a 具有这方面的优势，它不仪对下 提供和各个用户接口模块进行通信的并行接口，对上依据系统工作流程，在适当的时刻把缓存的数 据交给d s p 进行处理；而且还可以完成一些简单的数字信号处理工作，例如在本系统中构建f m 数 字滤波器，i 、q 两路信号的分离和聚合等。 2 2 2 基带系统的工作流程 图2 8 基带数字电路系统实物图 基带数字系统按照一定的流程工作，如图2 9 。开机上电后，d s p 首先完成复位和软件加载， 之后d s p 控制f p g a 完成复位，复位后的f p g a 等待d s p 进一步的指令。d s p 在检测到f p g a 复 位正常的信号后，开始控制f p g a 完成对各个接口模块的复位和初始工作状态的设置。整体系统在 复位完成和初始工作状态被设置后，进入主程序循环。 在主程序的循环中，d s p 通过f p g a 轮询外围接口状态。由于各接口模块上作时间的不确定性， 通过接口( 包括语音、网络、u s b 和信道数据接口) 接收并且亟待d s p 处理的数据酋先被缓存在 f p g a 中，d s p 轮询f p g a 巾各接l 模块的缓冲区，如果缓冲区中有新数据，d s p 会将上传的数据 通过f p g a 存储到外挂的s d r a m 中，等待进一步的处理；当程序进展到信道数据处理阶段时，d s p 首先会将存储在s d r a m 中的语音、网络、u s b 这些用户接口上传的数据重新成帧，通过信道接口 发送给射频端进行调制；接着，d s p 开始处理信道接口接收并且存储在f p g a 中的解调数据，从巾 分离出各个用户接口所需的信息，传递给最终用户使用，如图2 9 ( b ) 。 1 m s 3 2 0 c 6 7 1 3 型号的d s p 具有极高的运算速度，完成一次主程序轮询工作的时间单位是微秒 级，而大多数接口的响应间隔是毫秒级，因此中央处理单元可以实时地完成信号的收发和处理工作。 1 3 东南大学硕十学位论文 ld s p 复位 山 f p ( ；a 复位 山 l 备接口 i 模块 l 初始状 i 态设置 王 上作 循环 主程序 电 有 亡 t 7