中频数字接收机中的NIOSⅡ设计与应用

1、中频数字接收机中的NIOS设计与应用摘要SP（可编程片上系统）技术是当前嵌入式系统开发的一个研究热点，基于SP技术的嵌入式处理器在通信领域也越来越多地被广泛应用。本文介绍一种基于嵌入式软核处理器NIS的中频数字接收机，分析了新一代NIS内核处理器的特点，并从硬件和软件两个方面来论述NIS系统设计的开发流程。同时论述了该系统在通信领域具有较好的应用价值。关键词SP；NIS；中频数字接收机；软件无线电；数字下变频1引言随着现场可编程逻辑阵列（FPGA）技术的日益成熟，基于片上可编程系统（SP）的嵌入式处理器越来越多地受到人们的关注，嵌入式系统已广泛应用到通信、家电和控制等众多领域。将Nis嵌入式处

2、理器软核应用到数字化接收机中，在FPGA中嵌入NIS软核处理器，大大增强了整个设计系统的灵活性和完整性。在中频数字接收机中，完成模拟中频信号预处理，数模变换，数字下变频等信号接收功能。通过软件编程的方法实现了嵌入式处理器在整个系统中的应用，使得硬件设计更加快速、灵活、完善，大大提高了整体系统的性能，并进一步降低研制成本。2NIS软核2004年6月30日，Altera公司发布了支持新款ylneFPGA系列的NIS嵌入式微处理器。在Altera公司提供的软件SP中加载NIS核和相应的外围接口以及与定义响应的自定义指令，然后对设计进行综合，下载到FGPGA中就可以设计一个具有特定功能的嵌入式处理器。

3、2.1NISII简介NIS系列嵌入式处理器是一款通用的RIS结构的PU,它定位于广泛的嵌入式应用。使用领先的设计软件Altera公司的Quartus软件以及SPBuilder工具,可以将NIS处理器嵌入到系统中。另外,NIS处理器具有完善的软件开发套件,包括编译器、集成开发环境(IDE)、JTAG调试器、实时操作系统(RTS)和TP/IP协议栈。图1显示了NIS处理器核的模块图。图1NIS处理器软核的模块图2.2NISII系列嵌入式处理器的特点（1)PU结构:32位RIS指令集(32位数据线宽度,32个通用寄存器,32个外部中断源,2GB寻址空间)。（2)片内调试:基于JTAG边界扫描测试的调

4、试逻辑,支持硬件断点,数据触发,以及片外和片内的调试跟踪。（3)定制指令:最多达256个用户定义的PU指令。（4)软件开发工具:NIS的IDE,基于GNU的编译器,硬件辅助的调试模块。（5)可配置外设:60多个外设,提供种类繁多的配置选择,包括USB、存储控制器等。（6)IP、TP/IP协议栈:提供了BerkeleysketAPI支持IP、IP、UDP和带拥塞控制的TP、RTT固件及快速恢复/快速重传。（7)RTS:ir/S2RTS,提供源码的操作系统,支持航空设备RTAD2178B标准的强制要求。3系统设计3.1系统结构1992年5月，ILTRE公司的Jeitla首次明确提出了软件无线电（S

5、R）的概念。软件无线电技术具有结构的开放性、软件的可编程性、硬件的可重构性以及功能和频段的多样性等特点，无论在军事还是在商用通信中都有着巨大的应用潜力，它可使通信系统具有良好的灵活性及可扩展性.为使软件无线电中实现数字中频滤波技术,其中数字下变频器是软件无线电数字中频滤波技术的关键部分。本文利用嵌入式处理器NIS对中频数字接收机中的数字下变频器进行配置和数据接收,提出一种软核与硬件逻辑相结合的中频数字接收机设计,可大大提高对信号处理，接收的灵活性和完整性。如图2所示。本系统首先对中频信号经过放大器，带通抗混叠滤波器，模拟AG等预处理过程，然后经过AD进行中频带通采样，进入数字部分实现数字下变频

6、、码速变换、信道化、时钟回复、解调、解扩等功能。图2系统总体框图在具体设计中FPGA芯片采用Altera公司的Stratix系列的EP1S10F芯片，片内结构是以32bitNIS处理器作为核心，本系统通过嵌入式处理器NIS来进行整个接收设备的控制，可以灵活地提供整个系统的可变时钟，各类控制信号以及专用芯片的寄存器配置。通过ByteBlaster下载电缆进行软件调试，处理完的数据通过FIF进入FPGA，做必要的处理后通过BN头输出数据，或者进行存盘进一步处理。3.2硬件设计硬件设计使用的是Altera公司的Quartus4.2软件，它提供了完整的多平台设计环境，能满足各种特定设计的需要，是单芯片

7、可编程系统设计的综合性环境和SP开发的基本设计工具。采用其中的SPBuilder可在图形化界面内定制一个从硬件到软件的完整系统，大大提高了设计效率。图3为NIS应用设计流程图。图3NIS应用设计流程图3.2.1主要模块功能介绍3.2.1.1信号采集信号采集电路主要由前端预处理和模数转换器(AD9245)组成。模数转换器采用的是ANALG公司的产品AD9245，其最高工作速率可达80Hz,输入范围1Vp-pt2Vp-p可选，采用3V供电时功耗只有366，各项指标均适合于本设计，具有较好的性价比。对于采样速率的确定问题,此处既可以使用过采样又可使用欠采样。过采样是指根据Nyquist采样定理进行采

8、样,它特别适合于基带信号的采样。当我们接收的信号中频载波频率较高而信号的带宽相对较窄时,若还使用过采样，则对采样速率要求较高,同时也给后续DSP器件的实时处理带来压力,在此情况下可以考虑采用带通采样技术。3.2.1.2数字下变频器数字下变频技术是软件无线电的关键技术之一,本设计中采用Harris公司的数字正交调谐器HSP50214B实现数字下变频。其前端处理速度高达65sps，后端处理速度最高达55sps。总的抽取因子范围：416384，输出采样速率可达12.94sps，输出低通带宽最宽为982kHz(IF带宽1.96Hz)。最高支持14bits字长的数据并行输入，输出形式灵活多样，既可并行输

9、出又可串行输出，既可选择直角坐标数据输出又能选择极坐标数据输出，可选择输出幅度、瞬时相位和频率等参数。另外，HSP50214B环内带电平检测器，可为IF自动增益控制提供支持。HSP50214B功能非常强大，使用相当灵活，可以解调A、F、FSK信号。与HSP50210一起使用，还可以解调SSB和PSK信号。3.2.1.3数字科斯塔斯环数字科斯塔斯环采用的是Harris公司的芯片HSP50210它的主要功能有:匹配滤波、直角坐标向极坐标转换、软判决限幅、AG微调、同步误差检测和系统工作状态检测，HSP50210是中频数字处理单元的关键部分,它的工作性能直接影响着整个系统的误码率,因此必须仔细考虑,

10、其中的难点是同步环路的配置。HSP50210是Harris公司生产的数字科斯塔司环专用电路，其功能也很强大。时钟处理速率高达52Hz，内部具有以下功能：(1)可选升余弦匹配滤波器/积分和去除滤波器(I/D滤波器)；(2)二阶载波和码元跟踪滤波器；(3)自动增益控制电路；(4)鉴频器；(5)锁定检测器；(6)数据质量和信号电平检测电路；(7)直角坐标向极坐标转化电路；(8)8-Bits微机控制接口。3.2.1.4控制电路在FPGA内部，加入一些控制模块，外设进行控制，如HSP50210的初始化模块和对HSP50214B的初始化程序，并且对器其配置，写控制字，完成正确读写功能。3.2.2设计步骤硬

11、件设计步骤如下：1)本设计中的PU软核，我们选择了NIS/f型，它占有了1800左右个逻辑单元，当SPBuilder软件产生一个处理器后，还需完成以下操作，配置PU硬件选项，增加外围设备，定义处理器启动地址，设置外围设备和设定装入指令存储器或数据存储器用于初始化片内R，RA的文件。2)在SPbuilder下添加对应接口模块，然后生成对应VHDL文件，根据定制的结果，自动生成针对特定硬件环境的语言和汇编语言的头文件和函数库。3)编写DD控制模块，完成H50214B的读写功能。4)在FGPA中完成正确的AD、锁存器，FIF的时钟信号，初始化HSP50210，并控制FIF的读写。5)使用Quartu

12、s4.2软件和ByteBlasterV下载电缆通过P机直接配置Altera器件。3.3软件设计软件设计步骤如下：1)采用NisIDE开发环境编写程序源代码/程序，编译源代码生成执行代码。2)应用代码调试完毕后，将.elf文件存储在片内存储器中，规定文件初始化R或RA，当NisPU复位后，自动执行应用程序。主程序的流程图如图4：图4主程序流程图整个系统FPGA设计，在使用Quartus编译后，整个系统的设计逻辑单元使用了4360个，占EP1S10F芯片内部资源的41，体现了系统设计的高效性。系统有以下几个特点：（1）由于采用Altera公司的NIS软核微处理器，嵌入了它的FPGA开发的产品具有高

13、度集成的特点，在一块Stratix芯片中我们不仅集成了一个PU，而且PU周边的硬件逻辑也一起集成进去，我们还可以在FPGA中加入解调算法和显示接口模块等。从而使该片内的外围接口尽量减少，达到高度集成的目的。（2）NIS嵌入式微处理器成本低，是相近的竞争产品的50，因此大大提高了整机的性价比。(3)采用的Altera公司的可编程逻辑器件本身就具有易于扩展和升级的固有特性，因此系统具有可升级和可扩展性，不仅可以对系统集成的软件进行更新升级，还可更改FPGA的内部设计，灵活的完成不同的需求。4结束语利用SP解决方案，可以很方便的生成基于NIS处理器的片上系统，可缩短系统开发时间和增加系统的灵活性，并

14、且减小了PB板的体积，其设计方式正在受到越来越多的开发设计者的重视。本文介绍的系统达到了预期的效果，完成基于NIS软核微处理器的应用设计，系统可对接收不同种类的中频信号，实现数字化中频接收机的基本功能，我们还可对其进一步优化和升级，使之推广应用。嵌入式随着新一代的Nis软核处理器的推出，它的性能将更加强大，基于Nis的开发将继续推进嵌入式系统在网络，通信及工业技术领域的应用和工业技术领域的创新。参考文献1Altera,rp.TheNisSftareDevelpersHandbkP/DK.altera.n.2Altera,rp.TheNisPressrRefereneHandbkP/DK.altera.n.3Altera,rp.Nis