（控制理论与控制工程专业论文）基于软件无线电技术的数字调制解调系统的研究.pdf

丫 61 8 6 2 7 摘要 在信息高速发展的今天，通信体制的变化也日新月异。因而，现代 通信的一个显著特点是新旧通信体制并存、多种通信方式并存。作为通 信系统的重要组成部分， 调制解调也存在多种不同方式。 各种不同体制、 不同通信方式的设备之间的兼容性和互连互通性较差。为了解决这个问 题， 本次课题设计将软件无线电的设计思想引入信号的调制解调过程中， 通过构造一个具有开放性、标准化、模块化的通用硬件平台，将各种调 制解调功能用可升级、可重新配置的软件来实现，将系统从以往基于硬 件、面向用途的设计方法中解放出来，从而研制出具有高度灵活性、开 放性的通用的调制解调系统以满足不同通信体制和通信方式的要求. 本课题对基于软件无线电技术的数字调制解调系统进行了研究，并 在此基础上完成了本篇论文。论文从分析调制解调系统的软件无线电实 现的原理入手，分别从硬件和软件两方面对系统实现进行了阐述，清晰 的描述了本课题的设计思路和具体实现过程。系统设计采用高速数字信 号处理器 ( d s p )和基于 s r a m结构的可编程逻辑器件 ( h d p l d)构造 的通用硬件平台完成信号的调制解调， h d p l d以其 “ 硬件软化”的特点 使系统的硬件实现更加简单，可靠性更高。同时采用 a v r 单片机控制 h d p l d进行配置数据的实时下载，更使得 a v r单片机在速度上的优势 得到了充分而完美的发挥，这一新颖的方法在体现系统的先进性和灵活 性方面起着至关重要的作用。软件设计方面，由于使用了内部带算术逻 辑单元和乘累加单元的高速数字信号处理芯片， 且t i 提供了完善的软件 开发工具和指令集提高芯片的数字信号处理能力，从而使得程序的执行 能力大大提高。显示采用将驱动与控制集成为一体的内置控制器图形液 晶显示模块，使用控制器指令功能就可实现汉字、数据及光标的显示， 简单方便。该系统的设计结合了各家之长，并利用了电子器件的最新成 果，使得整个系统技术的先进性得到了充分的发挥。 关键字:软件无线电 调制 解调 高速数字信号处理器 可编程逻辑器件 d i g i t a l m o d u l a t i o n / d e m o d u l a t i o n s y s t e m b a s e d s o f t w a r e - r a d i o t e c h n o l o g y ab s t r a c t d u r in g re cen t i n f o r m a ti o n - b o o m i n g d a y s , t h e c o m m u n i c a t i o n s y s t e m c h a n g e s v e ry q u i c k ly . a s a re s u l t , t h e c o e x i s t e n ce o f m u lt i f a r io u s c o m m u n i c a t io n s y s te m s i s a re m a r k a b le c h a r a c t e r i s t ic i n m o d e m t i m e s . m o d u la t io n a n d d e m o d u la t io n t h a t a re t h e m o s t i m p o rt a n t p a rt s o f c o m m u n ic a t io n h a v e m a n y f o r m s a ls o . t h e c o m p a t ib i li t y a n d c o n n e c tiv it y b e t w e e n e q u i p m e n t s d i ff e re n t s y s te m s a re n o t g o o d e n o u g h f o r re s o l v i n g t h i s p ro b l e m , w e i n t r o d u ce th e s o ft w a re - r a d i o to d ig ita l m o d u la t io n ld e m o d u la t io n p ro c e s s . i n t h is w a y , e v e ry k in d o f m o d u la t io n /d e m o d u l a t io n f u n c t io n s c a n b e r e a li z e d b a s e d o n a g e n e r a l h a r d w a re pr o v i d e d w it h o p e n in g , s ta n d a rd iz a ti o n a n d m o d u l a r i z a ti o n c h a r a c te r i st ic, s o w e c a n脚 a m o d u la t i o n / d e m o d u la t i o n s y s te m w it h fl e x i b i li ty a n d c u rr e n c y t o s a d 吻th e r e q u i r e m e n t s o f d i ff e r e n t s y s te m s . t h i s p a p e r i n t r o d u c e s t h e i d e a o f t h is d e s i gn a n d i t s r e a l i z a t io n o f h a r d w a re a n d s o ft w a r e b e g i n n in g w it h t h e p r i n c i p le o f s o ft w a r e r a d i o . d s p a n d h d p l d a r e u s e d t o r e a l iz e d ig i ta l s i g n a l m o d u l a ti o n / d e m o d u l a ti o n . t h e u s e o f h d p l d m a k e s t h e w h o l e s y s te m s i m p l e a n d c re d i b l e f o r i t s s o ft w a re c h a r a c t e r i s t ic . b e s id e s , 二 u s e a v r s in g l e c h ip t o c o n t ro l c o n f i g u r e d a t a d o w n l o a d a t re a l t im e , w h ic h m a k e s t h e a v r s a d v a n t a g e in s p e e d e x e rt p e r f e c tl y . it p l a y s a i m p o r ta n t ro l e i n re v e a lin g t h e s u p e r io r it y o f th i s s y s te m . i n s o ft w a re d e s i g n , t h e p e r f o r m i n g c a p a b i lit y o f s y s te m s p ro g r a m i n c r e a s e s c o n s id e r a b ly th a n k s t o t h e u s e o f d s p w it h a ri t h m e tic lo g ic un it a n d m u lti p li c a t i o n - p lu s u n it a s w e ll a s p e r f e c t s o ft w a r e t o o l a n d i n s tr uc ti o n s s h o w f u n c tio n i s re a l iz e d b y t h e u s e o f l c d h a v i n g d ri v e r s a n d c o n t r o l le r in s id e . w e c a n s h o w t h e d a t a w e w a n t s i m p l y a n d e x p e d ie n t l y m a k in g u s e o f i n s t r u c tio n s o f l c d . i l u s d e s i gn e x t ra c t s m a n y e x ce ll e n t id e a s a n d u t ili z e s a l o t o f t h e l a s t p r o d u c ti o n o f e le c t ro n i c a p p a r a t u s , a n d s o t h is sy s te m is s u p e r io r t o t r a d it io n a l m o d u la t io n ld e m o d u la ti o n s y s te m . w r i tt en勿ma n g u c o n tr o l t h e o r ie s a n d e n g in e e r in g d ire c t e d 勿y a n g y o n g - g u o k e y w o r d s : s o ft w a r e r a d io , mo d u l a t i o n . d e m o d u l a t i o n , d s p、h d p l d 西安工程科技学院硕士研究生学位论文 第一章绪论 t . 1选题的背景 在信息高速发展的今天，通信体制的变化也 日新月异:旧的通信 方式逐渐被淘汰， 新的通信方式不断涌现且日臻完善。 新旧体制并存、 多种通信方式并存是现代通信的一个显著特点。在现有的通信领域 中，每种通信体制甚至每种信号形式都需要相应的硬件 电路来支持， 设备繁杂，投资巨大，兼容性差。随着信息化程度的日益加深，提高 设备之间的互连互通性 已成为当前迫切需要解决的一个 问题。 现代通 信技术、 微电子技术和计算机技术的飞速发展促进了无线通信技术从 数字化走 向软件化。 软件无线电技术的出现为解决上述 问题提供了一 个全新 的思路 。 软 件 无 线 电 ( s o f t w a r e r a d i o) ， 或 称 软 件 可 定 义 的 无 线 电 ( s o f t - d e f i n e d r a d i o ) ， 自 2 0世纪 9 0年代中期提出以来，在最近几 年取得了引人注 目的进展。 软件无线电概念最早是为了解决三军联合 作战时军事通信的互连互通 问题而提出的。 这个最初起源于军事通信 的设计新概念以现代通信理论为基础，以数字处理为核心，以微电子 技术为支撑， 并在最近几年逐渐发展成为可提供高性能的地区性或全 球性通信的第三代移动通信的基石。 随着其概念的不断完善及相关技 术的飞跃发展， 软件无线 电己从军事领域的演示阶段发展成为可应用 于多个领域的灵活的开放式系统。 这一设计新思想不仅可以应用于无 线、有线通信，也可在电子战、雷达及信息化家电产品等领域中得到 广泛应用，已引起了包括军事通信、个人移动通信、微电子以及计算 机领域的巨大关注和广泛兴趣。 软件无线电作为未来通信乃至无线电技术的发展方向，世界各国 都在对其进行深入的研究。 美国三军通用软件无线电台原理样机的研 究成功，更引起了我国相关行业的高度重视。目前，我国在该方面的 研究正处于起步阶段， 国内的科研机构及几大通信公司都投入了大量 西安工程科技学院硕士研究生学位论文 的人力、物力进行该项技术的开发和研究。因此，在这样一个背景之 下， 我们开展基于软件无线电技术的调制解调系统的研究是十分必要 的 。 1 . 2选题的意义 软件无线电是模块化、 标准化的硬件单元以总线方式连接构成基 本平台， 并通过软件加载实现各种无线通信功能的一种开放式体系结 构。其中心思想是构造一个具有开放性、标准化、模块化的通用硬件 平台，将各种功能，如工作频段、调制解调类型、数据格式、加密模 式、通信协议等，用可升级、可重新配置的软件来完成，并使宽带 a / d和 d / a 转换器尽可能的靠近天线，以研制出具有高度灵活性、 开放性的新一代无线通信系统 1 调制解调技术是移动通信系统的重要组成部分。在不同的应用环 境下，通信信道呈现出不同的特性，因此在实际应用中，要求系统应 能根据具体信道的情况 自动地改变调制解调方式。为了达到这个要 求 ，本 次设计对基 于软件 无线 电概 念 的调制解调 系统进行 了研 究 ，将 这种全新的设计新概念引入到信号的调制解调过程中， 构造一个通用 的、多功能的通信系统硬件平台，通过对其加载不同的应用软件，使 其完成多种调制解调过程。 根据这种原理所设计的调制解调系统，在硬件上可进行更新，在 软件上可进行升级。因此，具有很强的灵活性和开放性。用户在该硬 件平台上可通过配置不同的应用软件来满足不同时期、 不同使用环境 下的不同功能的需求。 从研究的角度来考虑， 可将其作为通信网络工 程实验系统，在这个平台上，学生甚至科研人员可以完成一些相应的 测试，实现一些相应的算法;从市场的方面来考虑，若将该系统转化 为产品， 投资商只需在这个通用的硬件平台上不断开发新的应用软件 就可满足用户或市场的新要求， 既可节省大量的硬件投资，又缩短了 新产品的开发研制周期，使产品实时适应市场变化，从中获得巨大的 西安工程科技学院硕士研究生学位论文 经济效益。由此可见，开展调制解调的软件无线电实现方法的研究， 不仅具有重要的科研价值，同时也具有重大的经济价值。 1 . 3系统的设计思想 基于软件无线电技术的调制解调系统设计的基本思想是以一个 通用、标准、模块化的硬件平台为依托，通过软件编程来实现对信号 的调制与解调， 将系统从以往基于硬件、 面向用途的设计方法中解放 出来。因此 ，必须首先构造一个坚实的硬件基础。要实现通用、开放 的体系结构，必须尽可能的减少功能单一、灵活性差的硬件电路，而 以可重复编程 的硬件 电路代之 。在 具 体的设计 中 ，主要运用 高速 数字 处理器和可编程逻辑器件及单片机构筑硬件平台， 并进行相应的软件 设计。 通过不同软件的实时下载，实现对输入的多种类型信号进行不 同方式的调制和解调。 系统 的硬件 分为显示控制部 分和信 号处理部分 。 显示控制 部分采 用 8 0 3 1单片微处理器实现 了对面板按键的控制和液晶显示的控制。 信 号处理 部分 的核心是高速 数字处理器和 可编 程逻 辑器件 。 高速数字 处理器完成了对输入信号的解调、同步提取等过程。可编程逻辑器件 完成了信号生成和对信号的调制，并以其 “ 硬件软化”的特点使系统 的硬件实现更加简单，可靠性更高。 系统的软件分为数据处理、控制下载以及控制显示等几部分。 数 据处理主要包括几种调制解调算法。 用单片机软件控制可编程逻辑器 件 的配 置完善 了系统 的灵活性 ， 使用 户 可根据 自己的需要选择不 同的 调制解调方式。显示采用内置 s e d1 5 2 0图形液晶显示模块，它将驱 动与控制集成为一体，因此，可用相应的软件来实现汉字、数据及光 标 的显示 。 该系统采用面板按钮和液晶显示来操作，界面清晰，使用方便， 功能完善，适用范围广。 西安工程科技学院硕士研究生学位论文 第二章系统的基本结构与相关理论 2 . 1软件无线电的基本概念 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命悄然 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。软件无线电概念自1 9 9 2年 5月 j o s e p h mi t o l a 在美国通信系统会 议上首次提出以来 2 1 ， 其重要性和可行性己被越来越多的人所认识和 接受。软件无线电是实现无线通信新体系结构的一种技术，是从硬件 无线通信到软件无线通信的革命，是无线通信产业从模拟到数字、从 固定到移动之后的第三次革命( 3 1 软件 无线 电是将模 块化 、标准 化 的硬件 单元 以总线方式连接构成 基本平 台， 通 过软件加载实现各种无线通信功 能的一种 开放 式体 系结 构 。这种 开放性包 含对使用 的开放性 ，对生产 的开放性 以及对研 制的 开放性。 软件无线电的重要价值体现在硬件仅仅作为无线通信的基本 平台，而将尽可能多的无线电功能用软件实现。 这样就打破了长期以 来设备的通信功能仅仅依赖于硬件的发展格局。 灵活性和集 中性是软件无线电所具有的两大优点。这里的灵活性 是指可以任意的转换信道接入方式， 改变调制方式或接收不同系统的 信 号等 ，利 用这一特 点 ，可 以实现 对现有 多种体制 的 “ 无缝 ”连 接 。 所谓集中性意即多个信道享有共同的射频前端与宽带 a / d / a转换器， 以获取每一个信道相对廉价 的信号处理性 能。 软件无线电的最终 目的就是要使通信系统摆脱硬件系统结构的束 缚，在系统结构相对通用和稳定的情况下，通过软件实现各种功能， 使得系统的改进和升级非常方便且代价小， 并且不同系统间能够互连 和兼容。一个典型的软件无线电平台可以将硬件单元划分成射频、中 频、基带、信源和信令等各层，它们具有模块化结构，各层之间的连 接通过控制总线和数据总线实现。 西安工程科技学院硕士研究生学位论文 2 . 2软件无线电的理论基础 软件 无 线 电的核 心 思 想 是 对 由天 线感 应 的射 频模 拟信 号尽 可 能 的直接进行数字化，将其变换为适合数字信号处理器( d s p ) 或计算机 处理的数据流，然后通过软件 ( 算法)来完成各种功能，使其具有更 好的可扩展性和应用环境适应性。因此，软件无线 电首先面临的问题 就是如何对工作频带内的信号进行数字化， 即如何对模拟信号进行采 样 。 由n y q u i s t 采样定理知道，如果以不低于信号最高频率两倍的采 样速率对信号进行采样， 那么所得到的离散采样值就能准确的确定原 信 号。这就表 明 ，时间上连 续 的模拟信 号可 以用 时间上离散 的采样值 来取代。这就为模拟信号的数字化奠定了理论基础。 n y q u i s t 采样定理只讨论了频谱分布在( 0 , f h ) 上的基带信号采样问 题，对于频谱分布在( f l , 几) 上的带限信号而言，如果仍按 n y q u i s t 采 样定理的采样速率 f s 3 2 f h 来进行采样，其采样频率就会很高，不仅 难于实现 ，且后 处理 的速度也难 于满足条件 。软件无线 电所覆盖 的频 率范围较 宽，可 以从 o . 1 mh z到 2 . 2 mh z ，具有广泛 的适 应性 。因此 ， 对于宽频带工作的软件无线电台而言，它是无法采用 n y q u i s t 采样技 术来采样 的。带通采样 定理可解决上述带 限信号的采样 问题 。 设一个频率带限信号 x ( t ) ， 其频带限制在( f l , f h ) 内，如果其采样速 率 f s 满 足 : 2 ( f l + f h ) ( 2 n + 1 ) ( 2 一 1 ) 式中，n取能满足 f s - : 2 ( f h - f l )的最大正整数，则用 f s 进行等间隔 采样所得到的信号采样值 x ( n t s ) 能准确的确定原信号 x ( t ) 。 这就是带 通采样定理。 式( 2 -1 ) 用带通信号的中心频率 f o 和频带宽度 b也可表示为: ( 2 一2 ) f s = 4 # o ( 2 n + 1 ) 西安工程科技学院硕士研究生学位论文 式中 f o = ( f h 十 几)/ 2 , n 取能满足 f s % 2 b的最大正整数。 显然，当f o = f h / 2 , b = f h 时，取 n = 0 ，式( 2 -2 ) 就是 n y q u i s t 采样 定理，即满足 f s = 2 f h . 由此 可 见 ，对 模 拟 信 号 的 采 样 数 字 化 有 两 种 方 法 ， 一 是 基 于 n y q u i s t 定理的低通采样，二是带通采样。而带通采样又有两种方式 实现，即射频直接带通采样和中频带通采样。带通采样定理是软件无 线电所基于的最基本的理论， 它的应用大大降低了所需的射频采样速 率，为后面 的实时处理奠定 了基础 。 2 . 3软件无线电的体系结构 体系结构是一些设计原则、基本功能模块 以及函数的集合。利用 它们可 以组织 、设计和 建立一个 系统 。一个特 定的体 系结构承担 了系 统中各部分功能模块的划分，软硬件的分配，以及各部分之间的接口 定义等任务。软件无线电强调体系结构的开放性和全面可编程性。通 过软件的更新就可改变硬件的配置结构，实现新的功能。为了便于硬 件模块 的不断升 级和扩展 ，软件无线 电采用标 准的 、高性 能的开放式 总线结构 ，并尽可能的简化射频模拟前端，使 a / d 转换尽可能的靠 近天线去完成模拟信号的数字化 ， 而且数字化后的信号要尽可能多的 用软件来进行处理，实现各种功能和指标 。这些既可以说是软件无线 电的基本要求，也是软件无线电的发展 目标。 理想的软件无线电主要由三大部分组成，即用于射频信号变换、 位于模数/ 数模转换之间的射频处理 ( 含天线)前端，高速模数/ 数模 转换器 ( a / d, d / a)以及位于 a / d之后、d / a之前的数字信号处理 单元 ( d s p )等三大部分。如图 2 . 1 所示。 图 2 . 1软件无线电的三大组成部分 西安工程科技学院硕士研究生学位论文 在这三大部分中， a / d ( d / a ) 起着最关键的作用。 根据被采样信号 的频率和带宽决定采用何种 a / d 采样技术，因为不同的采样方式将 决定射频处理前端的结构，也影响其后处理( d s p ) 的处理方式和对处 理速度的不同要求，而且 a / d 的性能如何也将严重制约整个软件无 线电性能的提高。将宽带 a i d 放置在中频变换之前，这样可以在信 号的检测和解调部分使用数字处理，提高算法的灵活性，同时可以利 用可编程硬件完成部分数字处理功能， 并能对有限的资源进行优化分 配 。 软件无线电射频处理前端电路的主要任务是把接收到的信号变 换至适合 a / d 转换器处理的信号频率和电平范围之内，同时把宽带 d / a转换器的输出信号变换至能被其他电台接收的频率和电平范围。 通 过上一节 的介绍我们 了解 到 ，对模 拟信号 的数字化有三种方式 ，对 应这三种采样方式，软件无线电的组成结构也有三种:射频低通采样 软件无线电结构 ， 射频带通采样软件无线电结构和宽带中频带通采样 软件无线电结构。 2 . 3 . 1 射频低通采样软件无线电结构 射频低通采样软件无线电，把模拟电路的数量减少到最低程度 结构简洁，如图 2 . 2所示。 图 2 . 2 射频低通采样软件无线电结构 从天线进来的信号经过滤波放大后，由 a / d 进行采样数字化。 7 西安工程科技学院硕士研究生学位论文 这种结构对 a / d 转换器的转换速率、工作带宽、动态范围等性能提 出了很高 的要 求 ，同时对后续 ds p或 a s i c( 专用集 成 电路 )的处理 速度要求也特别高， 因为射频低通采样所需的采样速率至少是射频工 作带宽的两倍。如此高采样速率的 a / d 是很难实现的，尤其是当需 要采用大动态、 多位数时就更加困难。 其前端完全宽开的电路特性( 前 置滤波器带宽为整个工作带宽) 使得同时进入接收信道的信号数大幅 度上升 ，对动态 范 围的要求 也随之提 高 。因此 ，这种射频全 宽开低通 采样软件 无线 电结构 只适用于工作 带宽不是很 宽的场合 。 2 . 3 . 2射频带通采样软件无线电结构 射 频 带 通 软件 无线 电结 构 与低通 采 样 软件 无 线 电结构 的最 大不 同点是前置滤波器的差异: 前者采用了带宽相对较窄的窄带电调滤波 器，可根据所需的处理带宽进行带通采样，而后者是宽带滤波器。这 样可以较好的解决上述射频低通采样软件无线 电结构对 a / d 转换器 和高速 d s p处理速度要求过高以至无法实现的问题，但其仍对 a / d 工作带宽要求很高。 图 23 射频带通采样软件无线电结构 图2 . 3 所示的射频带通软件无线电结构的特点是对 a / d采样的速 率要求并不高， 而且整个前端接收通带并不是全宽开的， 而是先由窄 带电调滤波器选择所需的信号 样有助于提高接收通道信噪比 ，然后进行放大，再进行带通采样，这 ， 也有助于改普动态范围.因此射频带 西安工程科技学院硕士研究生学位论文 通软件无线电结构实现起来要容易的多。 但其在采样时需要多个采样 频率增加 了系统的复杂度 。 2 . 3 . 3宽带中频带通采样软件无线电结构 宽带中频带通采样软件无线电结构的组成如图 2 . 4所示。其射频 前端较前两种结构而言相对复杂， 它的主要功能是把射频信号变换为 适合于 a / d采样的宽带中频信号或把 d / a输出的宽带中频信号变换 为射频信 号 。 通过 相对复杂 的射频前端把 高频信号变 换 为中心频率适 中、带宽适中的宽带中频信号后，给后续的 a / d 采样数字化大大减 轻 了负担 。 图 2 . 4 宽带中频带通采样软件无线电结构 这种 结 构 与常规 的超外 差无线 电台收/ 发信机类 似 ，但 两者 的区 别在于:常规电台的中频带宽是窄带结构，而图 2 . 4所示的软件无线 电的中频带宽为宽带结构。 这种宽中频带宽使得前端电路的设计得以 简化， 信号经过接收通道后失真较小， 且与常规窄带超外差电台相比， 这种结构再配 以后续的数字化处理，具有更好的波形适应性，信号带 宽适应性 以及可扩展性。与前面两种软件无线电结构相比，这种宽带 中频带通采样软件无线电结构不仅不需要第一种结构所要求的超高 速采样，也不需要第二种结构中的高精度、高工作带宽的采样保持放 大器。因此，它是上述三种结构中最容易实现的，但它离理想软件无 线电的要求也最远，灵活性也较差。 西安工程科技学院硕士研究生学位论文 2 . 4软件无线电中的d s p技术 2 . 4 . 1概述 数字信号处理器 d s p是整个软件无线电方案的灵魂和核心。软 件无线电的灵活性、开放性、兼容性等特点主要是通过以数字信号处 理器为中心的通用硬件平台及 ds p软件来实现的。从前端接收下来 的信号， 或即将从功放发射 出去的信号都要经过数字信号处理器的处 理:或进行频谱分析、信号解调、信号类型识别，或进行信号的数字 上下变频，或进行各种样式的数字调制、数字滤波，比特流的编码、 译码，同步信号的获取等等。 d s p通过可下载的软件或固件来实现数字信号的处理功能， 除具 备普通微 处理器 的控 制功能外 ， 其 主要特 点是 处理速度 大大高于 一般 的微处理器。这主要得益于 d s p器件具有强大的硬件运算电路和特 殊的总线结构。图 2 . 5 描述了d s p控制器的基本结构组成 a 1 图 2 . 5 d s p控制器荃本结构 d s p普遍采用了哈佛结构或改进的哈佛结构， 这种结构把数据总 线和程序总线相分离， 比传统的冯 . 诺依曼结构的指令执行速度更快。 很多 d s p都采用流水操作技术，每条指令的取指、译码、取数、执 t o 西安工程科技学院硕士研究生学位论文 行等由几个功能单元分别完成， 减少了指令的处理时间。 d s p的功能 是快速实现各种运算，特别是在卷积、相关、滤波、f f t等应用中要 用到的乘法累加运算， 为此， ds p大多都配有独立的乘法器和加法器， 从而使得 ds p在一个时钟周期内可 以完成几次相乘和累加运算。同 时，在 d s p片内往往有多条总线可以同时进行取指和存取多个操作 数，并且利用辅助寄存器寻址，使数据的访问更加便捷 .因而，与模 拟信号处理系统相比，d s p系统具有以下优点 5 ( 1 ) 接口方便。 d s p应用系统与其它以现代数字技术为基础的 系统或设备都是相互兼容的， 它与这样的系统接口以实现某种功能要 比模拟系统与这些系统接 口要容易得多。 ( 2 ) 编程方便 。d s p应用系统 中的可 编程 d s p芯片可使设计 人员在开发过程中灵活方便地对软件进行修改和升级。 ( 3 ) 稳定性好。ds p应用系统以数字处理为基础，受环境温度 及噪声的影响较小，可靠性高。 ( 4 ) 精度高。 1 6 位数字系统可以达到 1 0 5 级的精度。 ( 5 ) 可重复性好。 模拟系统的性能受元器件参数性能变化的影 响比较大，而数字系统基本不受影响，因此数字系统便于测试、调试 和大规模 生产 。 ( 6 ) 集成方便。d s p应用系统中的数字部件有高度的规范性， 便于大规模集成 。 2 . 4 . 2 d s p系统的设计过程 使用 d s p进行系统设计时的设计步骤为 6 . ( 1 ) 算法模拟阶段，即根据应用系统目标确定系统性能指标。 首先要先根据系统要求进行算法仿真和高级语言模拟实现。 为了得到 最佳 系统性 能，在这一步骤 应 当确 定最佳处理方法 . ( 2 ) 选择 d s p芯片. 根据算法要求 ( 运算速度、 运算精度要求、 存储器要求等)选择 d s p芯片。 西安工程科技学院硕士 研究生学位论文 ( 3 ) 设计实时 d s p系统。 这部分包括硬件设计和软件设计两个 方面。硬件设计主要根据系统要求设计 d s p芯片外围电路和其它电 路 ( 如转换、控制、存储、输出等电路) 。软件设计主要根据系统要 求和所选 d s p芯 片编写相应 的 ds p汇编软件 。 ( 4 )硬件和软件调试阶段。硬件调试一般采用硬件仿真器进 行。软件调试一般借助于 d s p开发工具如软件模拟器、d s p开发系 统或仿真器等进行。 ( 5 ) 集成和系统测试阶段 。调试完成后，实时程序被固化在 d s p系统中。 d s p系统加入到更大的系统中进行测试， 评估是否完成 了设计 目标 。 使用 d s p进行系统设计的流程如图 2 . 6所示。 图 2 . 6 d s p系统设计流程 2 . 5可编程逻辑器件在软件无线电系统中的应用 2 . 5 . 1可编程逻辑器件概述 可编程逻辑器件 ( p r o g r a m m a b l e l o g i c d e v i c e , 简称 p l d ) 是一种 由用户编程以实现某种逻辑功能的新型逻辑器件。它 的 出现 ，打破 了 1 2 西安工程科技学院硕士研究生学位论文 中小规模通用型集成电路和大规模专用集成电路的垄断。 与中小规模 通用型集成电路相比，用 p l d实现数字系统，有集成度高、速度快 、 功耗小、可靠性高等优点 7 1 。大多数 p l d是可重复擦写的，这使得 对系统的调试和修改较为方便。尤其是利用高密度可编程逻辑器件 ( h d p l d) ，甚至可以将一个较大规模的高性能数字系统集成于单片 器件之中， 大大减小了设备的体积、 重量和功耗。 p l d特别是 h d p l d 已逐渐成为设计和实现数字系统的主要方式。在本次设计中，系统的 部分数字电路采用了 h d p l d来实现，其具体实现方法将在第四章详 细介绍，这里先简单介绍一下可编程逻辑器件的基本概念。 输入项乘积项或项 输入 电路 输出 电路 或阵列 与阵列 图 2 . 7 简单 p l d基本结构 p l d的基本结构如图 2 . 7所示。它由输入缓冲、与阵列、或阵列 和输出结构等四部分组成。其中，可以实现与一或逻辑的与阵列和或 阵列是电路的核心。由与门构成的与阵列用来产生乘积项，由或门构 成 的或 阵列用 来产 生乘积项 和形式 的 函数 。 输 入缓冲 电路可 以产 生输 入变量的原变量和反变量，输出结构相对于不同的 p l d差异很大， 有些是组合输出结构，有些是时序输出结构， 还有些是可编程的输出 结构，输出信号往往可以通过内部通路反馈到与阵列的输入端。 对 p l d的分类可以有多种方法。根据集成度来分类，可分为低 密度可编程逻辑器件( l d p l d ) 和高密度可编程逻辑器件( h d p l d ) 两 大类。 l d p l d通常指那些集成度小于 1 0 0 0门每片的 p l d， 而 h d p l d 通常指那些集成度大于 1 0 0 0门每片的 p l d 。h d p l d又可分为可擦 除可编程逻辑阵列e p l d ( e r a s a b l e p r o g r a m m a b l e l o g i c d e v i c e ) 、 复杂 可编程逻辑阵列 c p l d ( c o m p l e x p r o g r a m m a b l e l o g i cd e v i c e ) 和现场 l 3 西安工程科技学院硕士研究生学位论文 可编程门阵列f p g a ( f i e l d p r o g r a m m a b l e g a t e a r r a y ) . e p l d的内部 互连能力较弱， 而 c p l d与 f p g a的主要差别在于 c p l d是通过修改 具有固定内连电路的逻辑功能来进行编程 ， 而 f p g a则是通过修改内 部连线来进行编程。很多半导体公司都有 自己的可编程逻辑阵列产 品，与之相应，每种产品都有 自己的开发软件和编程工具。因此，要 进行系统设计，首先必须要了解所使用器件的开发软件及编程方法。 本次系统设计中选用了 a l t e r a公司的逻辑器件以及 ma x + p l u s 1 1 设计 软件。下面，结合 ma x 十 p l u s 1 1 简要介绍一下可编程逻辑器件的设计 方法 。 2 . 5 . 2可编程逻辑器件的设计方法 可编程逻辑器件的设计是指利用开发软件和编程工具对器件进 行开发的过程1 8 1 。高密度可编程逻辑器件的设计流程如图 2 . 8 所示。 图 2 . 8 高密度可编程逻辑器件的设计流程 ma x + p l u s i l ( mu l t i p l e a r r a y ma t r i x a n d p r o g r a m m a b l e l o g i c u s e s y s t e m ) 是a l t e r a公司在w i n d o w s 环境下开发的完全集成化的逻辑可 西安工程科技学院硕士研究生学位论文 编程设计软件平台。它提供 了一种与结构无关的设计环境 ，支持 a l t e r a公司的各种可编程器件，允许多种输入方式输入逻辑设计文 件，经过系统编译器的编译、综合，可对设计进行功能模拟，对数字 电路的设计实现模拟分析、延时分析、编译，最后将编译好的电路分 配 到一个或 多个器件 中。 它的优越性在于开放的界面，完全集成化，丰富的设计库，支持 包括 v h d l , v e r i l o g - h d l以及 a l t e r a 公司编写的 a h d l等在内的多 种描述语言的输入，同时还支持 s y n o p s y s , v i e w l o g i c , e x e m p l a r , d a t a l / o , o r c a d等公司提供的工具接口 ” 。因此，它所提供的灵活 性和高效性是无可比拟的。 用 ma x 十 p l u s i i 软件进行逻辑设计的过程主要有:设计输入、设计 处理、设计校验和器件编程。 一、设计 输入 设计者将所设计的系统或电路 以开发软件要求的某种形式表示 出来， 并送入计算机的过程称为设计输入。 ma x 十 p l u s i i 提供多种输入 方式，设计者可以根据实际需要从中选择便利的编译器。 1 、原理图设计输入 这是一种最直接的设计描述方式， 它使用软件系统提供的元器件 库及各种符号和连线画出原理图，形成原理图输入文件. ma x + p l u s i i 提供图形编辑器，可以方便、 快捷的输入原理图。该 软件提供四个库，其中有基本门符号、7 4系列、大规模器件的宏单 元符号等丰富器件， 由此为用户提供了极为便利的环境. 原理图输入法效率较低， 但容易实现仿真， 便于信号的观察以及 电路的调整。 对于系统速率高和系统对时间特性要求较高的部分，易 于采用此种输入方法。 2 、硬件描述语言设计输入 硬件描述语言是用文本方式描述设计的输入方式，它分为普通 硬件描述语言和行为描述语言。 西安工程科技学院硕士研究生学位论文 普通硬件描述语言支持逻辑方程、真值表、状态机等逻辑表达 方式 。 行为描述语言是 目前常用的高层硬件描述语言，有 v h d l . v e r i l o g h d l等，它们都已成为i e e e 标准，并且有许多突出的优点: 语言与工艺的无关性可使设计者在系统设计、 逻辑验证阶段便确立方 案的可行性;语言的公开利用性使它们便于实现大规模系统的设计。 ma x + p l u s i i 提供文本编辑器， 接受 v h d l . v e r i l o g h d l以及 a l t e r a 公 司编写的 a h d l设计文件。使用 ma x 十 p l u s i i 提供的编译程序，可以 对 h d l综合设计文件进行编辑综合，最终实现器件编程。 利用这种输入方法的优点是效率较高，结果容易仿真，在不同 设计输入库之间转换非常方便， 但必须依赖好的综合器，这样才能把 语言综合成优化 电路。对于易于描述、易于综合的电路，可采用此种 输 入方 法 。 3 、波形图设计输入 波形输入主要用于建立和编辑波形设计文件以及输入仿真向量 和功能测试 向量 。 ma x + p l u s i i 提供波形编 辑器 ， 还 具有逻辑分析仪 的 功能，增加的设计输入的灵活性。 波形设计输入最适合时序和重复的 函数， c o m p i l e r 采用先进的波形综合算法，可以根据用户定义的输入 / 输出波形 自动生成逻辑关系。 除上述常用三种输入方法外，ma x + p l u s i i 还提供了底层设计输 入和层次设计输入，并且还能将这些输入方式综合为一个体系， 允许 信息在各应用程序间自动转换。因此，设计人员可以根据 自己实际情 况灵活选择使用。 二、设计处理 这是器件设计中的核心环节。在这个过程中，编译软件将对设 计输入文件进行逻辑化简、综合和优化，并适当地用一片或多片器件 自动地进行适配，最后产生编程用的编程文件。 ma x 十 p l u s i i 提供了功能强大的编译器，可以对设计进行全方位 西安工程科技学院硕士研究生学位论文 的设计处理， 在编译器中有逻辑综合模块， 可以对逻辑设计进行化简: 有试配模块， 将逻辑设计分配至一个或多个文件中，实现 自动布局布 线;还有装配模块， 可以将己编译的设计创建一个或多个编程目标文 件，如: * . p o f , * . s o f 或* . h e x ，产生多种编程文件格式。 三、设计校验 设计校验过程包括设计仿真和定时分析，这两项工作是在设计 处理过程中同时进行的，其作用是测试逻辑操作和设计的内部定时。 1 、仿真分析 电路设计输入后，要对其进行仿真，仿真前需进行带延时的完全 编译过程 ，编译完成后 ，可得到报告文件 、延 时文件 、可 仿真网表文 件 以及 配 置 文 件 。在 仿 真 时 需加 入 激 励 信 号 ，该 激 励 信 号 可 以用 a l t e r a软件中的波形编译器直接编译成波形文件，也可 以用向量输入 语言定义输入激励，仿真结果可以在波形编辑器和文本编辑器中看 到。为便于比较，设计者可以使用波形编辑器把两次仿真结果重叠起 来 观 察 。 2 、定时分析 m a x + p l u s i i 的 t i m i n g a n a l y z e r ( 定时分析程序) 可以确定器件引 脚上的建立时间和保持时间，可以计算器件的最高工作频率， 可以计 算器件 中点到点的延 时。 四、器件编程 编程是指将编程数据放到具体的可编程器件中去。对 c p l d 器 件来说是将 j e d文件下载到 c p l d器件 中去，对 f p g a来说是将位 流数据 b g文件配置到 f p g a中去.器件编程需要满足一定的条件。 普通的c p l d和一次性编程的f p g a需要专用的编程器完成器件的编 程工作。 基于 s r a m 的 f p g a可以由 e p r o m或其它存储体进行配置。 在系统可编程 ( i n - s y s t e m p r o g r a m m a b l e ， 简称 i s p )器件则不需要专 门的编程器，只需一根下载编程电缆就可以了。 西安工程科技学院硕士研究生学位论文 m a x + p l u s 1 1 的p r o g r a m m e r 是使用c o m p i l e r 生成的编程文件对器 件进行编程 。它可用来对器件编程、检验、检查是否空 白以及进行功 能检测。完善的、高度集成的 ma x + p l u s 1 1 开