一种基于软件无线电的通用调制器的设计和实现

1、一种基于软件无线电的通用调制器的设计和实现2008年10月2日 12:20电子技术应用作 者：单亚娴王华匡镜明 上世纪90年代发展起来的软件无线电SDR(SoftwareRadio/Software-DefinedRadio)的基本思想是:构造一个具有开放性、标准化、模块化的通用硬件平台,将各种功能用软件完成。这是一种全新的思想,它一经提出就受到了广泛的重视。但是,到目前为止,各国对软件无线电的研究还非常有限。由于软件无线电实现的前提是高度数字化,而现阶段的器件水平还不能达到要求,同时软件无线电的设计还缺乏统一标准,因而只能利用软件无线电的思想,根据系统要求,对其结构适当调整,进行系统设计。

2、本文采用可编程器件和专用器件相结合的设计方法和分层的设计思想,给出了一种基于软件无线电的通用调制器的设计和实现方法,并给出了系统的测试结果。 1总体设计方案 1.1总体方案框图 通用调制器总体方案框图如图1所示。 系统使用的主要器件有四个:通用DSP、可编程逻辑器件(FPGA)、可编程数字上变频器和D/A变换器。其中的两个主要芯片:通用DSP和FPGA均为通用可编程器件。这样,在系统设计时,存在着通用器件的功能定义问题。为了使系统的功能在器件之间进行合理的分配,充分、有效地利用芯片资源,并使系统设计简单、清晰,在软件无线电体系结构的基础上采用了分层的设计方法,将系统的结构分为三层:接口层、配置

3、层和处理层。 (1)接口层 接口层用来与外界通信,控制整个系统的工作模式。接口采用DSP的主机并口(HPI)。图1所示的外部控制器为PC机,即PC机的并口与DSP的HPI口相连并通信,将系统工作模式的控制参数传递给DSP。需要指出:任意带并口通信方式的器件或仪器均可代替PC机,控制系统的工作模式。 (2)配置层 配置层用来给处理层配置参数,由通用DSP完成。DSP根据其主机并口接收到的控制参数调用相应的程序,计算出配置层所需要的各个参数值,并产生相应的时序信号,将计算结果配置给可编程器件FPGA和数字上变频器。 (3)处理层 处理层由FPGA、数字上变频器和D/A转换器组成。当FPGA和数字上

4、变频器的参数配置完后,处理层脱离配置层单独工作。由FPGA产生对应特定比特流、特定调制方式的I、Q信号,并产生特定的时序信号将I、Q信号写入数字上变频器完成调制过程,再由D/A转换器将数字信号变为模拟已调信号输出。 1.2系统的工作过程 系统的工作过程和图2所示。 系统的初始状态是DSP等待主机接口(HPI)中断。当DSP接收到主机接口中断后,调用中断程序。这个中断程序将使DSP执行以下几步: (1)首先将DSP的XF脚置高,这个信号变低可以使处理层退出工作状态,进入参数配置状态,同时放弃总线,并使DSP获得总线控制权; (2)DSP从主机并口接收控制系统工作模式的有关参数; (3)DSP计算

5、处理层需要的各项参数; (4)DSP将参数写入处理层相应的地址; (5)DSP将XF脚置低,放弃总线控制权,并使处理层接管总线,进入工作状态。6)DSP重新进入等待主机接口中断状态。系统随时可以根据需要改变工作模式,重新配置参数。 2硬件实现 系统的硬件结构比较简单,与总体方案框图的结构基本相同。主要器件有:TI公司的DSP芯片TMS320VC5402、ALTERA公司的FPGA芯片EPF10K30RC240、HARRIS公司的数字上变频器HSP50215和D/A转换器HI5741。 2.1接口设计 本设计充分考虑了系统与外界接口的设计,使系统具有很好的开放性和灵活性。 TMS320VC540

6、2的8-bit并行主机接口包含了许多控制信号线,使得它可以通过两个触发器与25针的并口直接相连。外部的设备或器件可以通过这个并口方便地控制系统的工作模式和状态。 在EPF10K30的内部逻辑设计中,有一个随机比特流产生模块,在这个模块中也设计了比特流信号的输入接口,使系统既可以对自身产生的比特流进行调制,也可以对外部输入的比特流进行调制。 另外,在EPF10K30和HSP50215的参考时钟输入引脚也设计了外部接口,通过这些接口可以用外部时钟信号方便地控制系统工作的参考时钟,适应用户的需求。 2.2总线控制 总线控制包括两个方面:总线的电平转换和总线控制权交接。 由于HSP50215和EPF1

7、0K30均为+5VTTL器件,而TMS320VC5402的管脚为+3VTTL电平,因而需要进行电平转换。所使用的芯片为带三态输出的电平转换芯片SN74LS16244和SN74LS16245。前者为单向芯片,用于地址总线;后者为双向芯片,用于数据总线。 从图1可以看出,系统某些信号线存在着复用的问题。这些信号线包括:HSP50215的数据、地址总线和写控制信号线WR。它们同时与DSP和FPGA的相应信号线相连,因此必须要处理好总线冲突问题。图3为总线控制电路设计。 由图3可以看到,DSP的XF、HOLDA和HOLD信号作为握手信号与EPF10K30中的总线控制模块相连。其中XF是TMS320VC

8、5402的外部标志信号,可以用指令“SSBXXF”或“RSBXXF”将其置高或置低。当DSP放弃总线时,将XF置低,此时FPGA将HOLD置低,使DSP进入HOLD状态,当HOLDA也变低后,FPGA占用总线。当DSP要回总线时,将XF置高,此时FPGA立即放弃总线,同时将HOLD脚置高,使DSP退出HOLD状态。另外,DSP的HOLD信号的非信号与总线电平转换芯片的使能信号相连。这样可以保证不存在总线冲突问题。HSP50215的写控制信号WR也做类似的处理。 3软件设计 系统的软件设计包括两大部分:FPGA的内部逻辑和控制设计以及系统的参数计算和配置。FPGA的内部设计主要完成从基带比特流信

9、号产生一直到对应不同调制方式、不同信息比特、不同码速率的I、Q信号的产生,另外还包括总线控制逻辑和片选信号产生等。 系统的参数包括三个部分:传送到DSP的HPI口的系统工作模式控制参数、FPGA的内部参数、数字上变频器的参数。系统的参数结构可以用图4表示。 系统的工作模式控制参数主要有如下三个:调制方式、基带比特流速率和载波频率。这三个参数由外部控制器通过并口传递给DSP的HPI口。它们处在最顶层,是确定下层各个参数的基本依据。FPGA内部参数也有三个:基带比特流速率与FPGA参考时钟频率的比值、基带比特流串并转换的位数和IQ信号在查找表中的起始地址。这三个参数分别由基带比特流速率和调制方式决

10、定。 成形滤波器参数对于根升余弦或升余弦滤波器而言也有如下三个:滚将系数、内插倍数IP和跨越的码元周期数目DS。这三个参数是中间参数,它们并不会直接配置到数字上变频器中,而是计算成形滤波器系数的参数。根据系统的工作模式控制参数,可以确定最佳的成形滤波器参数。 数字上变频器参数,即HSP50215的内部参数,数目比较多,包括:重采样频率高、低位控制字;载波频率高、低位控制字;调制方式控制字;增益控制字;FIFO深度控制字;成形滤波多项式控制字(包括DS和IP);复位控制字;同步启动控制字以及I、Q两路各256个成形滤波器系数。总共需要配置的参数为522个。这些参数分别根据系统的工作模式参数和成形

11、滤波器参数确定。 正确计算出上述各个参数,并正确地配置到芯片EPF10K30和HSP50215内部,就可以得到正确的已调信号。 4测量结果 本次实验用实时频谱分析仪TEK3086对系统所产生的各种已调信号进行了观测,图5给出部分观测结果,包括BPSK、QPSK、8PSK和GMSK。 图5中各种已调信号的基带I、Q信号的符号速率均为5ksps,载波频率均为1MHz。每个图中又包含四个小图。左上角为中频信号的频谱图;右上角为星座图;左下角为I路信号的眼图;右下角为Q路信号的眼图。眼图的张开度以及星座图中各个矢量点的离散程度(矢量幅度误差的大小),表明了系统码间干扰和噪声的大小,也是衡量调制器性能的

12、两个重要参数。图5(a)、(b)、(c)采用根升余弦成形滤波器,内插倍数IP=16,跨越的码元周期数目DS=4,滚降系数分别为:0.5、0.7和0.7。图5(d)采用高斯成形滤波器,IP=16,DS=5,BT=0.3。比较这四个图可知:BPSK和GMSK已调信号的眼图张开度最大,矢量幅度误差最小,信号性能最好,QPSK信号次之,8PSK信号眼图张开度最小,矢量幅度误差最大,与理论分析一致。从测量的结果来看,系统具有较好的性能,有一定的实用价值。 实验证明这种基于软件无线电的多功能调制器的总体方案以及内部的软、硬件设计是正确和可行的,系统具有良好的开放性、通用性和可扩展性,得到的已调信号性能良好

13、。 根据系统的工作模式要求,计算出最优的处理层参数,就会得到性能最佳的已调信号。此外,如果在D/A后面再加一级放大电路,增大信号的发射功率,输出的已调信号会有更好的性能。 参考文献 1杨小牛,楼才义.软件无线电原理与应用.北京:电子工业出版社,2001 2曹志刚,钱亚生.现代通信原理.北京:清华大学出版社,1992 3宋万杰,罗丰,吴顺君.CPLD技术及其应用.西安:西安电子科技大学出版社,2000 4HSP50215DATASHEET.Harris Semiconductor. June,1997基于FPGA的软件无线电调制器设计与实现技术分类： 可编程器件 | 2010-10-11 现代电

14、子技术 谭祖印 黄尚荣 梁辉 李创辉0 引言软件无线电是在无线通信领域提出的一种新的通信系统体系结构，其核心思想是以开放性、标准化、模块化的硬件为通用平台，通过在平台加载不同软件来实现对工作频段、调制解调、信道多址方式等无线功能的灵活配置。而调制解调技术是软件无线电的主要组成部分。直接数字合成技术(DDS)具有较高的频率分辨率，可实现快速的频率切换，能够保持相位的连续性，很容易实现幅度、频率和相位的数控调制。目前，软件无线电调制技术多采用具有调制功能的专用芯片或可编程器件和专用芯片相结合的方法实现，灵活性并不是很强。基于此，本系统在分析数字调制技术和DDS原理的基础上，详述了一种基于FPGA的

15、DSP技术和DDS技术的适合于软件无线电使用的可控数字调制器的设计过程，并在系统中进行了功能验证。此调制器以FPGA硬件平台为核心，可实现ASK，FSK，PSK，QAM等调制方式，灵活性强。1 数字调制和DDS基本概述在数字通信系统中，为了使数字信号能在带限信道中传输，就必须将编码后的信号进行数字调制。在此，主要分析和实现二进制单极性不归零码的键控调制。常见的二进制调制方式有ASK，FSK，PSK，QAM等。直接数字合成(DDS)器具有数控频率合成的功能，它以数控振荡器的方式产生频率、相位和幅度可控的正弦波，电路主要由相位累加器、相位调制器、正弦ROM查找表、系统时钟、DA、LPF等组成。本文

16、中用DDS产生的正弦波作为载波，具有精确、灵活、便于集成等优点。DDS原理基本结构图如图1所示。使用DDS结构易实现频率调制、相位调制和幅度调制，以DDS作为载波信号发生部分，具有频率稳定度高，频率转换速度快，输出带宽宽，频率分辨率高等特点。2 基于FPGA的调制器的具体设计该设计借助Quartus72和MatlabDSP Builder 72开发环境，在FPGA硬件平台上实现，最大限度的实现了集成化。图2是该设计的FPGA系统原理框图，数字功能模块全部集成在一片FPGA上，实现了SoPC的设计思想。该设计由按键输入、二进制基带信号产生、数字调制和显示等模块组成，其功能是由按键输入设定值，同时

17、在LED上进行显示，并根据设定值对二进制基带信号进行相应的数字调制，产生调制信号输出。现将各模块的具体设计和功能描述如下：按键输入模块 输入采用按键和拨码开关实现，通过复用的方式用于选择调制方式，输入信号频率和幅度。在FPGA内部设计了一个按键接口模块，用于处理和存储输入的设定值，输出到LED显示，并输出相应的控制信号和调制模块所需的载波频率和幅度控制字等。二进制基带信号产生模块 该设计中的基带信号由一个基于DDS的矩形脉冲发生器和伪随机序列M序列发生器产生。码元速率可通过按键模块输入频率字到矩形脉冲发生器控制输出脉冲频率，从而控制M序列输出频率来实现。当然，作为调制器，二进制数字基带信号是由

18、外部输入的。本模块是为了验证系统功能和需要满足系统产生单纯的数字调制信号时而设计的，具体见系统原理图中juxing_signal和m_array_exa-mple模块。数字调制模块 数字调制模块是整个系统的核心部分，包括ASK，FSK，PSK和QAM等数字调制方式。本模块以DDS为核心模型，采用Quart-us72和MatlabDSP Builder72进行硬件的软件化设计，具体见系统原理图中tiaozhi_example，QAM_tiaozhi_example和BUSMAX模块。系统主要由时钟和复位输入端(CLOCK和SW0)、调制方式选择输入端(SW1，SW2和SW3)、基带信号输入端(j

19、idai_signal，jidai_sign-all，jidai_signal2)和频率幅度字输入端(freql31O，freq231O，freq4310和amp17O)组成。频率和幅度字由按键输入实际频率和幅度值经过按键接口模块处理后，转化为32位频率字和18位幅度字，从而控制模块产生所需频率和幅度的载波信号。基带信号输入端接收被调制信号，被调制信号根据所选择的调制方式在模块内部进行相应调制后输出到模块输出端。3 系统仿真和硬件实现与测试在进行系统各模块设计的时候，为了防止在设计最后集成系统的时候出现功能错误，难于排查和修改，在设计过程中对各模块的功能正确性都进行了软件仿真。系统中的ASK，

20、FSK，PSK和QAM波形仿真依次如图3和图4所示。基于软件无线电的多制式信号发生器设计与实现查看最近90天中添加的最新产品 最新电子元器件资料免费下载 派睿电子TI有奖问答 - 送3D汽车鼠标 IR推出采用焊前金属的汽车级绝缘栅双极晶体管 全球电子连接器生产商samtec 最新断路器保护套 软件无线电是一种无线电通信新的体系结构。在年月美国电信系统会议上，首次提出了软件无线电概念，之后迅速引起了人们的关注，并开始对它进行广泛而深入的研究。具体地说，软件无线电是以可编程的或为中心，将模块化、标准化的硬件单元以总线方式连接起来，构成通用的基本硬件平台，并通过软件加载来实现各种无线通信功能的开放式

21、的体系结构。它使得通信系统摆脱了面向用途的设计思想，被认为是无线通信从模拟到数字、从固定到移动之后的又一次突破。在软件无线电的研究过程中，调制解调技术是移动通信系统空中接口的重要组成部分。在不同的蜂窝半径和应用环境下，移动通信的信道呈现不同的衰落特性，根据移动信道的衰落情况，自动地改变调制方法，从而提高传输效率并保证传输性能。那么，一个通用的信号源是必不可少的。作者设计了一个基于结构的可编程调制器的硬件平台，并在此硬件平台上实现了各种模拟调制和数字调制的通用软件算法。当改变调制制式时，无需再次下载程序，而且调制制式、比特速率、输出中频均可调。 硬件结构 通常，信号源输出的波形多数是对周期的序列

22、进行调制，输出波形单一，只能作为解调输入信号的一种特例，缺少通用性。而许多专用芯片采用的调制方式也是有限的。用构成的通用多制式信号发生器不仅可以实现模拟调制，而且可以实现各种数字调制。利于基带信号的实时处理，可以实现高速调制，而具有频率分辨率高、频率变化速度快、相位连续、易于数字控制等特点。图给出多制式信号发生器硬件原理图。信号发生器主要由三部分构成：控制单元、数字信号处理器（）、正交数字上变频器（ ）。采用公司的TMS320VC5402 它独特的哈佛结构、硬件密集型方案和灵活的指令系统可以满足对信号的实时处理，它的高性能、低功耗及低价位使其得到广泛应用。正交数字上变频器采用公司的。最高工作频

23、率为输出中频频率范围为。AD9857内部集成半带滤波器、 滤波器、反滤波器、高速的位数模转换器 ，其核心是一个相位连续的直接数字频率合成器 。在该方案中，AD9857工作在正交调制模式。它的位频率控制字使输出频率的最高精确度为：(系统时钟)除以。控制单元决定采用哪一种调制制式、比特速率及输出中频频率。读入控制单元的数据，然后经过串口向AD9857发送控制字。原始信息数据（是由产生的伪随机序列）首先在中进行编码、调制等处理后得到基带信号。基带处理得到正交信号的分量交替进入，经过串并变换，转换成两路并行的数据，进行内插和上变频运算，然后通过变换直接输出模拟中频信号，从而将基带处理和中频调制合二为一。 AD9857对输入的数字信号进行采样和内插，降低了的处理负担，使整个系统的性能达到较好的程度。 软件算法软件无线电具有完全的可编程性。它采用数字信号处理技术，在可编程控制的通用硬件平台上，利用软件来定义实现无线电台的各部分功能包括对无线波段、信道调制、接入方式、数据速率的编程等。因此通过程序进行控制和操作是软件无线电最突出的特点之一。软