（通信与信息系统专业论文）基于软件无线电的数字接收机的方案研究.pdf

摘要 软件无线电以其极大的灵活性和适应性，在现代的军事和通信领域获得了广 泛的应用。数字接收机和人们的生活也是密切相关。本论文对基于软件无线电体 系结构的数字接收机方案进行了比较深入的研究，提出了一种基于射频带通采样 软件无线电结构的数字接收机方案。并且从事该方案的硬件和软件设计，验证了 该方案的可行性。 系统的硬件设计是论文的主要任务和重要组成部分，包括d s p 硬件平台以 及采样和数字下变频模块的设计。硬件部分是整个系统的基础，它的性能好坏直 接影响整个接收机的性能。 该论文主要包括以下四部分内容：首先介绍了软件无线电和数字信号处理中 的相关理论，比如，带通采样、多抽样率信号处理、数字下变频等；其次是系统 的硬件选型和设计，包括d s p 、模数转换器、数字下变频器等；系统的软件设计 和优化也是论文很重要的部分；最后，对整个系统进行了调试和性能的测试，取 得了令人满意的结果。 关键字：数字接收机、软件无线电、数字信号处理器、数字下变频 a b s t r a c t t h es o 行, v a r er a d i oc a l la f f o r dg r e a tf l e x i b i l i t ya n da d a p t a b i l i t y ：s ow i d e l yu s e di n b o t hm i l i t a r ya n dt e l e e o m m u n i c a l i o na r e a t h i sp a p e rf o c u so nh a r d w a r ea n ds o f t w a r e i m p l e m e n t a t i o no f d i g i t a lr e c e i v e r sb a s e do ns o f t w a r er a d i o t h eh a r d w a r ed e s i g ni sam a i nt a s ka n di m p o r t a n tp a r to ft h i sp a p e r , i n c l u d i n g t h ed e s i g no fd s ph a r d w a r ep l a t f o r ma n da d ca n dd d cm o d u l e t h eh a r d w a r ep a r t i st h eb a s i so ft h es y s t e ma n di t sp e r f o r m a n c ei n f l u e n c e st h ed i g i t a lr e c e i v e r s e f f i c i e n c y t h i sp a p e rh a sf o u rp a r t s f i r s t ，w ei n t r o d u c et h eb a s i ct h e o r yo ns o f t w a r er a d i o a n d d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ，s u c ha s ，b a n d - p a s ss a m p l i n g ，m u l t i - r a t e s i g n a l p r o c e s s i n ga n dd i g i t a ld o w nc o n v e r t e r s e c o n d ，w ed e a lw i t hh a r d w a r es e l e c t i o na n d d e s i g n ，i n c l u d i n gd s p , a d c ，d d c a n dt h e n ，s o f t w a r ed e s i g na n do p t i m i z a t i o n i s i n v o l v e d a tl a s t ，w et e s tt h es y s t e ma n dh a v es a t i s f a c t o r yr e s u l t k e y w o r d s ：d i g i t a lr e c e i v e r 、s o f t w a r er a d i o 、d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r 、 d i g i t a ld o w n c o n v e r t e r 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨鲞盘堂或其他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己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：寸砒j 邑 签字日期：1p 一，年z 月砂f 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解一墨盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨连盘茎可阻将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：j 伛二 导师签名 腓是 签字日期：p p l 7 年3 月纠同签字日期：j 町年2 月z 日 笫一章绪论 1 1 接收机概述 第一章绪论 接收机和人们的生活密切相关，在我们的身边随处可见，比如移动电话、收 音机、电视机等，军事上的雷达接收机、e w 接收机等也属于接收机的一种。接 收机种类繁多，按照不同的分类方式分为模拟接收机和数字接受机，窄带接收机 和宽带接收机，军用接收机和通信接收机等。军用接收机一般具有非常宽的瞬时 输入带宽( 1 g h z 以上) 。这意味着如果不对接收机进行调谐，在输入带宽内的 任何信号都将同时被接收下来。与此相反，通信接收机的带宽非常窄，比如电视 频道带宽为6 m h z ，调频( f m ) 电台的带宽为2 0 0 k h z ，而调幅( a m ) 电台的带 宽仅1 0 k h z 。然而，由于带宽越宽，从一地到另一地单位时间内传送地信息就越 多，所以通信地带宽也在不断的增加。某些通信系统也将达到i g h z 的瞬时带宽， 如果这种趋势持续下去，那么军用战接收机和通信接收机的差异就会消失。传统 接收机属于模拟接收机，混频解调等都有模拟器件完成。随着高性能a d 和d s p 器件的发展，基于软件无线电思想的全数字化接收机的实现成为可能。 总而言之，宽带的数字化接收机是未来接收机的发展趋势。 基于软件无线电的三种结构，数字接收机的分为以下三类： 基于中频采样软件无线电结构的数字接收机 基于射频带通采样软件无线结构的数字接收机 基于射频低通采样软件无线电结构的数字接收机 1 2 本论文任务 硬件设计，包括d s p 硬件平台以及采样和数字下变频模块的设计 软件设计，包括数宁处理和控制程序的编写和优化 - 方案研究，验证基于射频带通采样软件无线电结构的数宁接收机方案 1 3 接收机的性能指标 接收机的频率范围：0 5 2 0 0 m h z 接收机的瞬时动态范围：大于7 0 d b 解调样式：a m ，f m 1 4 未来展望 基于软件无线电的开放性和灵活性，本方案也具有很大的可扩展性。比如， 本接收机工作的频率范围只限于o 5 2 0 0 m h z ，但是通过选用其他更性能的器件 很容易使接收机工作于g h z 带宽内，本课题只研究了a m 和f m 信号的解调， 很容易使接收机工作于g h z 带宽内，本课题只研究了a m 和f m 信号的解调， 第一章绪论 通过编写相关软件，也很容易实现对其他信号的解调处理，而且还可以实现其他 的功能，譬如场强测量、频谱分析和信号参数估计等。 1 5 论文的实际进展 在课题的完成过程中遇到了各种各样的实际问题，实际的进展状况如下： 基于t m s 3 2 0 c 6 2 0 1 6 7 0 1 的硬件平台设计完成，并且调试通过。 系统的软件设计和优化工作圆满完成。 由于诸多原因，采样和数字下变频模块中的模数转换器改用a d 9 2 2 0 替代， 其最高采样率为1 0 m s p s ，无法对调频广播信号进行采样，所以实际的接收机 针对频率范围为5 2 6 5 至l6 0 6 5 k h z 的中波调幅广播信号进行接收。 由于a d 9 2 2 0 的采样位数只有1 2 位，无法实现系统既定的7 0 d b 的动态范围， 但是由于系统工作于较低频率下，硬件的工作情况良好并且软件经过了优 化，所以最终接收机的性能接近预定的目标。 因为时间关系，数模转换模块没有完成，也就是无法通过扬声器对数字接收 机的接收效果进行直观的验证，只能通过c c s 软件的图形显示功能对解调 波形进行分析。 第二章珲论基础 2 1 软件无线电相关理论 第二章理论基础 2 1 1 软件无线电概念的由来 无线通信在现在通信中占据着极其重要的地位，被广泛应用于商业、气象、 军事、民用等领域。当代无线电通信系统有很多，例如，卫星通信系统、蜂窝移 动通信系统、无线寻呼系统、短波通信系统、微波通信系统，等等。各种无线通 信系统的调制方式也很多，有a m 、州、f s k 、p s k 、m s k 、g m s k 、q a m ，等等。其 多址方式有：时分多址、频分多址和码分多址等。为了解决无线通信中的互通性 问题，1 9 9 2 年5 月，m i i t e r 公司的j o em i l t o a 首次提出软件无线电的概念， 其中心思想是：构造一个具有开放性、标准化、模块化韵通用硬件平台，将各种 功能，如工作频段、调制解调类型、数据格式、加密模式、通信协议等用软件来 完成，并使宽带a d 和d a 转换器尽可能靠近天线，以研制出具有高度灵活性、 开放性的新一代无线通信系统。 2 1 2 软件无线电的主要特点 灵活性软件无线电可以通过增加软件模块，很容易增加新的功能。可以与 其他任何电台进行通信，并可以作为其他电台的射频中继。 开放性软件无线电采用标准化、模块化的结构，其硬件可以随着器件和技 术的发展而更新或者扩展，软件也可以随需要而不断升级。 2 1 3 软件无线电的基本结构 软件无线电采用标准的、高性能的开放式总线结构，以利于硬件模块的不断 升级和扩展。理想软件无线电的组成结构如图2 - 1 所示： j 也 占 h 像 觳掂 ，j ； t 图2 - 1 软件无线电主要由天线、射频前端、宽带a d 和d a 转换器和专用数字信号 处理器以及各种软件组成。射频前端在发射时候主要完成上变频、滤波、功率放 第二苹理论幕础 大等任务，接收时实现滤波、放大、下变频等功能。在射频变换部分，宽带、线 性、高效射频放大器的设计和电磁兼容性问题的处理是比较困难的。如果采用射 频直接数字化，可以简化射频前端的功能，但是数字处理的要求就会提高。要实 现射频直接采样，要求a d 转换器要有足够的工作带宽( 2 g h z 以上) ，较高的采 样速率( 一般在6 0 m h z 以上) ，而且要有较高的a d 转换位数，以提高动态范围。 目前8 位a d 转换器的工作带宽已做到1 。5 g h z 以上。模拟信号数字化后的丰要 处理任务全部由d s p 软件承担。为了减轻通用d s p 的处理压力，通常把模数转换 器送来的数字信号，经过专用的数字信号处理软件( 如数字f 变频器d d c ) 处理， 降低数据流速率，并把信号变频至基带后，再把数据送给通用d s p 处理。通用 d s p 主要完成各种基带处理，比如信号的调制解调，各种抗干扰、抗衰落、白适 应均衡算法的实现，还要完成信源编码后的前向纠错、帧调整、比特填充和链路 加密等算。 软件无线电的结构可以分为三种： 射频低通采样数字化结构、射频带通采样数字化结构、宽带中频采样数字化结构， 分别如图2 2 ，图2 3 ，图2 4 所示： 图2 2 射频低通采样数字化的理想软件无线电结构 图23 射频带通采样软件无线电结构 图2 4 宽带中频带通采样 4 第二章理论基础 射频低通采样的软件无线电结构对a d 转换器和告诉d s p 要求过高，有时 候无法实现。第二种结构与的一种的主要不同是a d 前采用了带宽相对较窄的 电调滤波器，然后根据所需要的带宽进行带通采样。第三种结构类似于目前的中 频数字化接收机，都采用超外差体制。结构的主要特点是中频带宽更宽( 2 0 m h z ) ， 所有调制解调功能全部由软件加以实现。 2 1 4 软件无线电中的采样理论 2 ，1 4 1 基本带通采样定理 n y q y u i s t 采样定理只讨论了频谱分布在( 0 ，厶) 上的基带信号的采样问题， 以下是带通采样定理： 设一个频率带限信号f p ) ，其频率限制在( 工，j ) 内，如果其采样速率疋 满足兀= 2 ( 十 ) ( 2 n + 1 ) ，其中1 3 取能满足兀 = 2 ( 厶一无) 的最大整数，则用 兀进行等间隔采样说得到的信号采样值x ( n 疋) 能准确的确定原信号z ( f ) 。 设中一1 1 , 频率矗= ( 无+ 厶) 2 频带宽度b = 厶一 ，那么上式可以改写为 = 4 ( 2 n + 1 ) ，n 取满足 = 2 b 的最大整数。 2 1 4 2 射频直接带通采样定理 一般的无线电信号( 如通信信号雷达信号遥控遥测信号) 其瞬时信号带宽 都是比较窄的，例如一般的常规v u h f 战术通信电台其信号带宽( 间隔) 为： 5 0 k h z 2 5 k h z1 2 。5 k h z 等，而短波电台的信号带宽就更窄，即使象非常规的扩 频信号其带宽页只有几兆赫兹，雷达信号也如此，一般不超过百兆赫兹。 射频直接采样软件无线电其结构框图如图2 - 5 所示： 图2 5 射频直接采样软件无线电接收框图 由前面讨论的带通信号采样定理知道，当以采样速率分氏对( 0 ，厂m 。，) 频带 内的信号进行数字化时，如果a d 前的抗混叠滤波器是理想的话( 矩形系数为1 ， 带宽为 2 ) ，就可以实现整个频带的无“盲区”采样。但是这种矩形系数为1 的理想滤波器实际当中是做不到的，比较理想的基本可实现的滤波器如图2 - 6 所 示，从图中可以清楚地看出这种可实现滤波器所造成的不良后果是存在采样“亩 区”，如图中阴影部分所示，阴影部分之中心频率为( m + 1 ) 疋2 也就是说当信 母 荸 第二章理论基础 号落在“盲区”时，将被滤波器所滤除、而无法对这些信号进行采样数字化( 至 少将降低信号采样灵敏度) 。解决的办法是对这些“盲区”通过选择合适的采样 频率进行“异频”或“异速率”采样。设主采样频率为兀，则“盲区”中心频 率为： d o 。一( m “) 兀2 ( r n _ o ，1 ，2 ，) ( 2 - 1 ) t o i 图2 - 6 射频直接带通采样原理一盲区采样 根据采样定理，为了对中心频率为 ，的盲区频率进行采样，所要求的采样 频率为： l = 4 。( 2 n + 1 )( n = o ，1 ，2 ，) ( 2 - 2 ) 如果取n = m + 1 ，则有： 0 = ( 1 1 ( 2 m + 1 ) ) 兀 ( 2 - 3 ) 盲区采样频率确定后，并不意味着能够实现无盲区采样，还必须对滤波器 的矩形系数提出要求，假设主采样说要求的滤波器的矩形系数为r ( 如图2 7 所 示) ，则有： b o = ，s 2 r ( 2 - 4 ) h ( f ) 胁 砌 弋、 、 l 仍 ， f s 2 f 一 f s m 2 图2 7 盲区采样滤波器的特性要求 所以育区采样滤波器的通带宽度为 b 。2 ( r - 1 ) 兀2 r ( 2 - 5 ) 其矩形系数o = 二2 b 。2 ( 1 - 1 ( 2 m + 3 ) ) r ( r - 1 ) ( 2 - 6 ) 如前所述，实际的无线电信号，特别是目前比较常规的通信信号，其瞬时信 第二章理论基础 号带宽都不会很宽，一般都在几十千赫兹量级( 如战术电台) ，最宽也不会超过几 兆赫兹强第三代个人移动通信信号) 。这样的话，前面讨论的抗混叠滤波器就不 需要用宽带滤波器( 其带宽为2 ，) ，矩形系数为r ，m = 0 ，1 ，2 ，) 来实现， 而只需要采用其带宽大于信号带宽( 几十千赫兹几兆赫兹) 的窄带滤波器。由于 滤波器带宽的减小，其矩形系数相应就可以加大，有利于滤波器的实现。但这种 窄带滤波器是一种跟踪滤波器、当需要对某一信号进行采样数字化时，就要把该 滤波器调到这一信号的频率上。很显然对这种窄带跟踪滤波器矩形系数的要求由 前面介绍的宽带滤被器的过渡带宽度所决定。 2 2 多速率信号处理理论 软件无线电所基于的最基本的理论就是带通采样定理，在可能的情况下，带 通采样速率尽可能的选的高一些，使瞬时采样带宽尽可能的宽。但是随着采样速 率的提高带来的另外一个问题就是采样后的数据流速率很高，导致后续的信号处 理速度跟不上，特别是对有些同步解调算法，其计算量大，如果其数据吞吐率太 高是很难满足实时性要求的，所以很有必要对a d 后的数据流进行降速处理。 那么是否有可能进行降速处理呢? 回答是肯定的。因为前面已经讲过，一个实际 的无线电通信信号带宽一般为几十千赫兹到几百千赫兹实际对单信号采样时所 需的采样速率是不高的，所以对这种窄带信号的采样数据流进行降速处理或者叫 二次采样是完全可能的。多速率信号处理技术为这种降速处理的实现提供了理论 依据。其中最为重要也是最为基本的理论是抽取和内插。 2 2 1 整数倍抽取 所谓整数倍抽取是指把原始采样序列x ( n ) 每隔( d 一1 ) 个数据取一个，以形成 一个新序列x 。( m ) ，即： z d ( m ) = x ( m d ) ( 2 - 7 ) 如果x ( n ) 序列的采样率为，厶，则其无模糊带宽为瓜2 。当以d 倍抽取率进行抽 取得到抽取序列x d ( ) 的取样率为兀d ，其无模糊带宽为矗2 d ，当x ( n ) 的傅立 叶变换x ( e ，。) 含有大于兀2 d 的频率分量时候，b ( m ) 的傅立叶变换爿。( p ”) 必然产生频谱混叠。但是如果首先利用一数字滤波器( 滤波器带宽为月d ) 对 x ( e j 。) 进行滤波，使x ( e 一) 中只含有小于n d 的频率分量( 对应于模拟频率为 d ) ，再进行d 倍抽取，则捕取后的频谱将不发牛混叠。 完整的d 倍抽取器结构如下图2 - 8 所示： 厂 厂 竺! ! ：! 卜! 里卜 图2 8 抽取器方框图 7 第二童理论基础 2 2 2 整数倍内插 所谓整数倍内插就是在两个原始抽样点之间插入( i - 1 ) 个零值，设原始抽样 序列为x ( n ) ( 傅立叶变换x ( e ”) ) ，内插后的序列为x ，) ( 傅立叶变换 x ，0 ”) ) 。则有工， ”) = j 0 j m l ) 。可见内插后的信号频谱为原始序列频谱经过 i 倍压缩后得到的频谱，为了从x ，( e ”) 中恢复原始频谱，则必须对内插后的信 号进行低通滤波( 滤波器带宽为7 g i ) 。内插器如图2 - 9 所示： 互卜 w ， 图2 - 9 内插器方框图 2 3 高效数字滤波 2 3 1 半带滤波器 所谓半带滤波器就是频率响应- ( e 一) 满足如下关系的f i r 滤波器： ：一“一尝( 2 8 ) 氐= 6 ，= 6 、 或者说半带滤波器的阻带宽度等于通带宽度，并且阻带通带纹波也相等。 可以证明，半带滤波器的冲击响应除了零点不为零外，其余偶数点全部为零，所 以采用半带滤波器来实现取样率变换时候，只需要一般的计算量，有很高的计算 率，特别适合于实时处理。 2 3 2 积分梳妆( c lc ) 滤波器 所谓积分梳妆滤波器，是指该滤波器的冲击响应具有如下形式： 1 1 , 0 ”d 一1 “( ”) 2 o ，其他( z - 9 ) 式中，d 为c i c 滤波器的阶数，也是抽取因子。 对其进行频率变换可知，单级c i c 滤波器的旁瓣电平比较大，只比主瓣低 1 3 4 6 d b ，这也意味着阻带衰减很差。为了降低旁瓣电平，一般采用多级c i c 滤 波器级联的办法来解决，多级级联能增大阻带衰减，减小混叠影响，但会增大带 内容差。所以c i c 滤波器的级联数目有限，一般以5 阶为限。 第= 章理论基础 2 4 数字解调算法 2 4 1 信号勰调通用模型 为了便于信号发射，提高信道利用率、发射功率效率以及改善通信质量，人 们研制卅各种通信信号的调制样式，相对于调制的逆过程一解调也因调制样式的 不同而不一样，解调方法大致有相干解调和非相干解调二类。一般而言，相干解 调性能比非相干解调好，在某些场合利用非相干解调的主要原因是其解调电路简 单，在解调需要用硬件电路实现的时代，当然有其存在的理由，但其不足也是显 而易见的，如作为非相干解调的一种方法一包络检波法，在输人为小信噪比的情 况下，存在“门限效应”；另一种非相干解调法，即对f m 解调的鉴频器法也有 类似的“门限效应”。 软件无线电的几乎所有功能部将用软件来实现，解调也不例外。软件无线电 的解调一般采用数字相干解调的方法。数字相干解调法从原理上讲与模拟相干解 调法一样。常见于模拟解调电路的一般相干解调法( 指用一个同频同相的本地载 波去相干解调1 ，当同频同相不满足时、解调输出就会严重失真。例如，在移动 通信中，接收到的信号受到严重衰落时，提取出来的载波质量往往达不到要求， 特别是在多普勒效应等引起的频偏环境下更是如此。由于正交解调法在一定程度 上能克服以上这些弱点，因此，软件无线电的解调一般采用数字正交解调法。对 于用正交调制产生的调制都能用正交解围法解调，一般调制都能用正交调制法进 行。也就是说，正交解调法从理论上说可以对儿乎所有的调制样式进行解调。 下面，首先对数字正交解调法作一个简单的介绍，然后对具体的调制样式的 数字正交解调进行分析。 调幅解调： 己调信号的数学表达式为： s ( n ) = a ( n ) c o s w c ”+ i p ( 月) 其中c 表示载波频率。 所以翌麓篡墨! 燃茹眦叭哪p 协洄 p ， 式中， j ，( h ) = ( ) c o s 【妒( h ) 】( 2 - 1 1 ) x 。伽) = 爿( h ) s i n 9 ( n ) ( 2 - 1 2 ) 这就是我们希望获得的同相和正交两个分量。 a ( n ) = 、f x j ( ”) 十j ( ”) ( 2 1 3 ) 其中一( n ) = a o + 脚( ) 。 减去直流分量爿。就得到调制信号( n ) 。 这种方法，具有较强的抗载频失调能力，即本地载波与信号载波之间允许一 定的频率偏差，此时的同相分量和正交分量表示为： z ，( h ) = 爿( 府) c o s ( ) 弗+ 妒( ) j( 2 1 4 ) x o ( 月) = a ( n ) s i n & w ( n ) n + 妒( n ) 】 ( 2 - 1 5 ) 所以有爿( m ) = a o + m ( n ) = ；( n ) + ；( n ) ( 2 - 1 6 ) a m 信号用正交解调算法时候，不要求载频严格的同步同相。通过以上分析， 9 第= 章理论基础 理论上失配可以任意大，但是失配严重时，信号可能会超出数字信道产生失真。 调相解调： 咖) c f g 芒黑】 ( 2 1 7 ) 以jl 仃， 调频解调： 设调频信号表达式为：s ( n ) = a oc o s c m + k z m ( n ) + 】 ( 2 - 1 8 ) 同相分量：x ，( ”) = a oc o s k x m ( n ) + 妒。】 ( 2 - 1 9 ) 正交分量：x d ( ”) = a os i n k z m ( n ) + q o 。 ( 2 - 2 0 ) 咖) ：r 州嘿 = k x m ( 卅甲。( 2 - 2 1 ) 然后，对相位差分，就可以求得调制信号： 妒( ”) 一e ( n 一1 ) = m ( n ) ( 2 - 2 2 ) f m 信号采用正交解调方法时候，也有较强的抗载频失调能力。 具体计算时候为了减少运算量采用如下方法： f ( n ) = 妒( ”) 一妒( h 一1 ) ( 2 2 3 ) = 嘴 器卜a r c t g 。丽x , 2 ( n 可- 1 ) j ( 2 2 4 ) 在利用相位差分计算瞬时频率时候，涉及到除法和反正切运算，这对于非专 用数字信号处理器来说比较复杂，在用软件实现时可以采用下面的方法来计算瞬 时频率f ( n ) f ( n 却伽) = 型瓮铲 ( 2 - 2 5 ) 对于调频信号，其振 嘲丘似恒定，不放设x ；+ x ：= 1 ，则有： f ( n ) = x j ( n o x d ( 月) 一z ，( n ) x o ( h 一1 ) ( 2 - 2 6 ) 软件无线电通用解调模型如图2 1 0 所示 - - l 里e o s c t , c l n ) - - l p f 解 调 算 法 r 竺逛卜一 l p f r 一二一 图2 一l o 数字正交解调通用模型 0 第= 章理论基础 2 5 数字下变频 2 5 1 概述 数字下变频( d i g i t a ld o w n c o n v e r t e r d d c ) 技术是软件无线电的核心技术 之一，数字下变频器的组成和模拟下变频器类似，包括数字混频器、数字控制振 荡器( n u m e r i c a l l y c o n t r 0 1 l e do s i l l a t o r _ - n c o ) 和低通滤波器( l p f ) 三部分组成， 如图2 - 1 1 所示： 删一旷叫三卜 l 回 图2 - 1 1 数字下变频器的组成 从工作原理讲，数字f 变频与模拟下变频是一样的，就是输入信号与一个本 地振荡信号的乘法运算。数字下变频的运算速度决定于其输入信号数据流可达到 的最高速率，相应地也限定了a d c 的最高采样速率；另外，数字下变频的数据 精度和运算精度也影响着接收机的件能。所以，数字下变频器必须进行优化设计。 在模拟下变频器中。混频器的非线性和模拟本地振荡器的频率稳定度、边带、 相位噪声、温度漂移、转换速率等都是人们最关心和服以彻底解决的问题。这些 问题在数字下变频器是不存在的，频率步进、频率间隔等也具有理想的性能，另 外，数字下变频器的控制和修改比较容易等特点也是模拟下变频器所无法比拟 的。影响数字下变频性能的主要因数有两个：一是表示数字本振、输入信号以及 混频乘法运算的样本数值的有限字长所引起的误差；二是数字本振相位的分辨率 不够而引起数字本振样本数值的近似取值。也就是说如果数字混频器和数字本振 的数据位数不够宽，就存在着尾数截断的情况：数字本振相位的样本值存在近似 的情况则根据截断和近似的程度，会或多或少地影响d d c 的性能。下面详细 讨论d d c 各部分组成、工作原理以及数据位数和相位样本值近似与d d c 性能 的关系。 数字控制振荡器是d d c 中相对来说比较复杂的，也是决d d c 性能的最主 要因素之一。n c o 的目标就是产生一个理想的正弦或者余弦波，更确切的说是 产生一个可变频率的正弦波样本，如式( 2 2 7 ) 所示： s ( ”) = c o s ( 2 ；1 h ) ( n = o ，1 ，2 ，) js ( 2 2 7 ) 式中，0 是本地振荡频率，兀是d d c 输入信号的采样频率a 正弦波样本可以采用实时计算的方法产生，但是在软件无线电超高速的信号 采样频率下，n c o 采用实时计算的方法是不可能实现的。此时产生正弦波样本最 有效、最简便的方法就是查表法。 数字控制本地振荡器和数字混频器的功能框图如图2 一1 2 所示： 第二章理论基础 本振 偏穆 颇牛 输入 数字本报频率输八 图2 1 2 数字本振和数字混频器功能框图 由图所知，数字本振由三部分组成：相位累加器、相位加法器和正弦表只读 存储器。相位累加器的作用是将数字本振频率和本振频率偏移之和转换成相位， 每来一个时钟脉冲，相位在原来的基础上增加一个相位增量，相位加法器的功能 就是设置一定的初试相位以满足某些应用的需要。相位的正弦值采用查表的方法 求得，也就是说，相位角度庐( 0 2 口) 与其正弦表值存在一一对应关系： 一t a b ) ，t a b ( c ) ) 是表示以为地址，该地址上的内容数据。 若f 一，则有卜一朔b ( ) 。 = 2 r e - 鲁m p z s ， ，：肇_ 锄 2 - 2 9 ) s 则有f 一删占) 。转换的原因是：由于实际的相位角度取值一般不是整数， 这样的相位角度直接用二进制表示并且作为查表的地址复杂而且不确切，而式 ( 2 - 2 9 ) 把相位放大了2 n 倍，使得相位分辨率和本振频率分辨率大大增加了。 2 第= 章理论基础 相位分辨率： d ：塾 1 h 频率分辨率： 蚬。2 鲁 f 2 - 3 0 ) ( 2 - 3 1 ) 下面讨论数字控制本振数据位数与d d c 性能之间的关系，n c o 数据位数包 括两个方面，一是相位数据的位数，二是相位的正弦值数据的位数。相位的正弦 值数据的位数取决于相位数据的位数，即前者必须能表示相位变化时，其相位正 弦值的变化的最小值。相位发生变化时候正弦值变化的最小值区间为： n 2 一声兀2 、了c 2 7 【2 十3 。瓤2 一声3 x 2 、3 = 2 3 2 + f 。 我们讨论相位在第一个区间的正弦值之差，即相位的正弦数据的位数至少能表示 该正弦值之差： s i n ( n 2 ) 一s i n ( z ，2 一咖) 2 ”“1 ( 2 3 2 ) 也就是： n m l 0 9 2 1 1 一e o s ( 2 口2 “) ( 2 - 3 3 ) 下面讨论相位发生最小变化值时，能表示其正弦值的最大变化值的正弦数据的位 数。这种情况发生在o 斟、玎一庐丌、丌+ 斗、z 兀一埘z 讯取值 点处。这是有： , m l 0 9 2 1 s i n ( 2 n 2 “) ( 2 - 3 4 ) 下面讨论n c o 数据位数与n c o 正交性的关系。相位正弦值的数据精度是 影响n c o 正交性的原因。正交误差产生的原因就是表示正弦值数据位数的有限 字长效应。根据 m ，= 2 0 1 9 c t g ( a b 2 ) 】 ( 2 - 3 5 ) 为了使虚假抑制达到6 0 d b ，则0 1 。根据( 2 - 3 0 ) 有m 1 2 根据( 2 - 3 3 ) 和( 2 3 4 ) 有h 。2 0 和- m 1 0 。 第三章系统硬件设计 3 1 概述 第三章系统硬件设计 该课题硬件部分的设计主要包括两个方面的内容，一是d s p 通用硬件平台 的设计，二是a d 采样和数字下变频模块的设计。系统硬件的总体框图如图3 1 所示： 3 2d s p 硬件平台设计 3 2 1 硬件平台结构框图 图3 1 系统硬件总体框图 该硬件平台的框图如图3 - 2 所示： 本硬件平台采用的d s p 芯片是t l 的t m s 3 2 0 c 6 0 0 0 系列中的c 6 2 0 1 c 6 7 0 1 。 两种芯片都为g j c - - 3 5 2 这种共同的封装形式，而且管脚一致，可以在相同电路 的e p 带 j 板上焊接c 6 2 0 1 ( 定点) 或者c 6 7 0 1 ( 浮点) ，使硬件的通用性更强，而 且其指令与c 6 0 0 0 的其它芯片都兼容，在上面验证过的算法均可以方便地移植 到其它地芯片上。 平台上配备有双口r a m 和h p i 以及m c b s p 扩展接口。如果单片d s p 的处理能力不够，可以通过双口r a m 实现两块c 6 0 0 0 e v m 板之间的数 据通信，使处理能力达到原来的两倍；h p i 接口可以与上位机通信，以 满足不同的应用需求：m c b s p 扩展接口可以实现串行通信。 采用3 2 位f l a s h 固化程序和实现自举。当然也可以通过h p i 接口在复 位后通过上位机对d s p 进行初始化。 采用s b s r a m 、s d r a m 实现采样数据、处理中间数据及程序代码的存 储。 应用c p l d 完成周边控制，便于系统的升级和二次开发。 由于该硬件方案具有定点浮点的通用性，而且可扩展性强。可广泛地适 用于通信( 测量) 、图像处理等领域。比如：可对数字调制信号的采样 值进行谱分析处理、解调、解码等运算。 4 第三章系统硬件设计 图32d s p 硬件平台结构框图 3 2 2t 赫s 3 2 0 c 6 2 0 1 6 7 0 1 芯片介绍 3 2 2 1 综述 t m s 3 2 0 c 6 2 叭6 7 0 1 分别是t m s 3 2 0 c 6 x 系列d s p 芯片中具有代表性的3 2 位定点浮点d s p 芯片。6 2 0 1 和6 7 0 1 管脚完全兼容，都是3 5 2 b o a 小型球栅阵 列封装。内核结构基本相同，片内资源也相同。所以设计的硬件平台可以运行这 两种d s p 。它们的主要性能特点概括如f ： 芯片内核1 8 v 供电，周边i o3 3 v 供电，降低了功耗。 芯片具有先进的v l l w 结构内核。8 个独立的功能单元，6 个a l u ( 3 2 4 0 b i t ) ，2 个乘法器( 1 6 1 6 ) ，6 7 0 1 支持i e e e 标准单精度和双精度浮点 运算；每个周期执行8 条3 2 b i t 指令；专用存取结构，3 2 6 4 个3 2 b i t 通 用寄存器：采用指令打包技术，减小了代码容量。 采用类似r i s c 指令系统，3 2 b i t 位寻址范围，支持字节寻址，支持4 0 b i t a l u 操作，1 0 0 条件指令。指令执行按照取指、译码、执行三级流水 线运行，极大的提高了芯片的性能。 片内有6 4 k 程序和数据存储器( 高速内部s r a m ) ，1 6 3 2 位高性能外部 存储器接口( e m i f ) 提供了与s d r a m 、s b s r a m 和s r a m 等同步 异步存储器的直接接口。片内还提供多种集成外设，包括d m a 、多通 道缓冲串口( m c b s p ) 、主机借口( h p i ) 、3 2 位通用计数器( t i m e r ) ， 支持多种复位加载模式( b o o t ) 提供三种节电模式选择( p o w e rd o w n ) ， 第三章系统硬件设计 内置灵活的p l l 锁相时钟电路。 此外芯片支持i e e e 1 3 9 4 1 ( j 1 a g ) 边界扫描接口，可以很方便的通过 j t a g 接口进行软件仿真调试。 t m s 3 2 0 c 6 2 0 1 6 7 0 1 的结构框图如图3 - 3 所示： 3 2 2 2 片内存储器 图3 - 3t m s 3 2 0 c 6 2 0 1 6 7 0 1 的结构框图 6 2 0 1 6 7 0 1 的片内存储器包括的片内程序存储器和片内数据存储器。其中程序存 储器6 4 k b ，可容纳1 6 k 条3 2 b i t 的指令或者2 k 个2 5 6 b i t 的取指包c p u 借助p m c 的控制通过2 5 6 b i t 的数据通道可以对片内程序r a m 进行单周期访问片内6 4 k b 的数据存储器分为2 块，每一个r a m 块成为一个b l o c k 组织为4 个1 6 b i t 宽 度，4 k 深度的存储体c o a n k ) 每一个存储体都有独立的数据总线和d m c 相连d m a 控制器与c p u ，或者是c p u 的a 侧与b 侧，可以对位于不同r a m 块，或是不同的 存储体中的数据进行同时存取，而不会发生冲突 3 2 2 3 外部存储器接口设计 d s p s 访问片外存储器时必须通过外部存储器接i ( e x t e m e lm e m o r yi n t e r f a c e ， 6 第三章系统硬件设计 e m i f ) 。c 6 0 0 0 系列d s p s 的e m i f 具有很强的接口能力，不仅具有很高的数据 吞吐率( 最高达1 2 0 0 m b s ) ，而且可以与目前几乎所有类型的存储器直接接口 图3 - 4 是c 6 2 0 1 6 7 0 1 的e m i f 信号接口示意罔： d m a c o n t r o l l e r d a t a c o n t r o l l e r p r o g r a m 丌1 e m o r v c o n t r o ie r c l k o u t 2 e d 3 1 ：0 】1 篙】 禳j 酲可j a r d y 、i 焉 s y n c h i ”。 雨匿j 丽1 里s s o e s b s r a m 冀羔j ”m 蚓 吾e 焉嚣 、l s d c a s l 研 s d r a m s d a l o i c 。m 川 s d c l k j 里里、e 吣洲 i n t e r n a ip e n p h e r a lb u s 图3 4t m s 3 2 0 c 6 2 0 1 6 7 0 1e m i f 接口信号 c 6 2 0 1 6 7 0 1 的e m i f 支持3 2 b i t 宽度的a s r a m ，s d r a m 和s b s r a m ，只有c e i 空间支持1 6 b i t 和8 b i t 的r o m 接u 3 2 2 4 直接存储器访问( d m ) 直接存储器访i 口 ( d i r e c tm e m o d a c c e s s ，d m a ) 是c 6 0 0 0 d s p s 中一种重要的数据 访问方式，她可以在没有c p u 参与的情况下，由d m a 控制器完成d s p 存储空间内 的数据搬移擞据搬移的源目的可以是片内存储器，片内外设或者是内部器件 c 6 0 0 0 的d m a 具有四个相互独立的传输通道，允许进行四个不同任务的d m a 传输 下面是d m a 控制器的主要特点： 后台操作：d m a 控制器可以独立于c p u 工作 高吞吐率：自已按照c p u 时钟的速度进行数据吞吐 1 7 第三章系统硬件设计 四个通道：d m a 控制器可以控制四个通道的数据传输 辅助通道：主机口用辅助通道来访问c p u 的内存空间，辅助通道与其他 通道间的优先级可以设置 单通道分裂操作：利于单通道可以与一个外设间进行双向的数据传输，就 像存在两个d m a 通道一样 多帧传输：传送的数据块可以分为多个数据帧 优先级可编程：每一个通道对于c p u 的优先级可以编程设置 地址产生方式可编程：每个通道的源地址寄存器和目的地址寄存器在每 次读写操作时都可以进行调整地址可以是固定值，递增，递减，或者是设定 地址的索引值 3 2 位地址范围：d m a 控制器可以对下列的任何一个地址映劓区域进行访 问包括片内数据存储器，片内程序存储器，片内的集成外设，通过e m i f 接 口的外部存储器，扩展总线上的扩展存储器 数据的字长町以编程：每个通道可以独立设置数据单元为字节、半字 ( 16 b i t ) 、字( 3 2 b i t ) 自动初始化：每传送完一批数据，d m a 通道可以自动配置下一数据块的 传输参数 事件同步：读操作、写操作以及一帧数据操作都可以由制定时间出发操 作 中断反馈：一帧或者一块数据传送完毕，或者是出现错误时候，每一个通 道都可以向c p u 触发中断 3 2 2 5 多通道缓冲串口( u c b s p ) c 6 0 0 0 的多通道缓冲串d ( m u l t i c h a n n e lb u f f e r e ds e r i a lp o r t ，m c b s p ) 是在标 准串口的基础上发展而来的，m c b s p 的基本功能包括： 全双工串行通信 双缓冲数据寄存器，允许连续的数据流 收发独立的帧同步和时钟信号 可以与工业标准的编，解码器、a i c s ( 模拟接口芯片) 以及其他串行a d 、 d a 接口 数据传输可以利用外部时钟或者片内的可编程时钟 当利用d m a 为m c l 3 s p 服务时，串口读写具有自动缓冲能力 图3 - 5 是m c b s p 结构框图： 3 2 2 6 主机口( h p i ) 主机口h p i 是一个并行端口主机掌管该接口的主控权，通过它可以自己访问 d s p 的存储空间 h p i 通过d m a 控制器实现对d s p 存储空间的访问主机和c p u 都可以访问 h p i 控制寄存器( h m c ) ，主机一方还可以访问h p i 地址寄存器( h p i a ) 以及h p i 数 据寄存器( h p i d ) 。 h p i 的接口控制信号如图3 - 6 所示： g 第三章系统硬件鼓计 o r c l k r 吨叵h 亘弘卜；r h 墨 _ - 卜 墨卜七竺竺母 一 is p c r i 卜 - 4 1 ir c rl 卜 - i c i o c ke