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一種基于軟件無線電的通用調制器的設計和實現(xiàn)
摘要：介紹一種基于軟件無線電的通用調制器的設計方法，給出了總體設計方案，說明了系統(tǒng)功能在DSP與FPGA之間的劃分及系統(tǒng)的工作流程，關鍵部分的硬件實現(xiàn)方法和軟件設計，給出了測量結果。上世紀９０年代發(fā)展起來的軟件無線電ＳＤＲ（Ｓｏｆｔｗａｒｅ Ｒａｄｉｏ／Ｓｏｆｔｗａｒｅ－Ｄｅｆｉｎｅｄ Ｒａｄｉｏ）的基本思想是：構造一個具有開放性、標準化、模塊化的通用硬件平臺，將各種功能用軟件完成。這是一種全新的思想，它一經(jīng)提出就受到了廣泛的重視。但是，到目前為止，各國對軟件無線電的研究還非常有限。由于軟件無線電實現(xiàn)的前提是高度數(shù)字化，而現(xiàn)階段的器件水平還不能達到要求，同時軟件無線電的設計還缺乏統(tǒng)一標準，因而只能利用軟件無線電的思想，根據(jù)系統(tǒng)要求，對其結構適當調整，進行系統(tǒng)設計。
本文采用可編程器件和專用器件相結合的設計方法和分層的設計思想，給出了一種基于軟件無線電的通用調制器的設計和實現(xiàn)方法，并給出了系統(tǒng)的測試結果。
１ 總體設計方案
１．１ 總體方案框圖
通用調制器總體方案框圖如圖１所示。
系統(tǒng)使用的主要器件有四個：通用ＤＳＰ、可編程邏輯器件（ＦＰＧＡ）、可編程數(shù)字上變頻器和Ｄ／Ａ變換器。其中的兩個主要芯片：通用ＤＳＰ和ＦＰＧＡ均為通用可編程器件。這樣，在系統(tǒng)設計時，存在著通用器件的功能定義問題。為了使系統(tǒng)的功能在器件之間進行合理的分配，充分、有效地利用芯片資源，并使系統(tǒng)設計簡單、清晰，在軟件無線電體系結構的基礎上采用了分層的設計方法，將系統(tǒng)的結構分為三層：接口層、配置層和處理層。
（１）接口層
接口層用來與外界通信，控制整個系統(tǒng)的工作模式。接口采用ＤＳＰ的主機并口（ＨＰＩ）。圖１所示的外部控制器為ＰＣ機，即ＰＣ機的并口與ＤＳＰ的ＨＰＩ口相連并通信，將系統(tǒng)工作模式的控制參數(shù)傳遞給ＤＳＰ。需要指出：任意帶并口通信方式的器件或儀器均可代替ＰＣ機，控制系統(tǒng)的工作模式。
（２）配置層
配置層用來給處理層配置參數(shù)，由通用ＤＳＰ完成。ＤＳＰ根據(jù)其主機并口接收到的控制參數(shù)調用相應的程序，計算出配置層所需要的各個參數(shù)值，并產(chǎn)生相應的時序信號，將計算結果配置給可編程器件ＦＰＧＡ和 數(shù)字上變頻器。
（３）處理層
處理層由ＦＰＧＡ、數(shù)字上變頻器和Ｄ／Ａ轉換器組成。當ＦＰＧＡ和數(shù)字上變頻器的參數(shù)配置完后，處理層脫離配置層單獨工作。由ＦＰＧＡ產(chǎn)生對應特定比特流、特定調制方式的Ｉ、Ｑ信號，并產(chǎn)生特定的時序信號將Ｉ、Ｑ信號寫入數(shù)字上變頻器完成調制過程，再由Ｄ／Ａ轉換器將數(shù)字信號變?yōu)槟M已調信號輸出。
１．２ 系統(tǒng)的工作過程
系統(tǒng)的工作過程和圖２所示。
系統(tǒng)的初始狀態(tài)是ＤＳＰ等待主機接口（ＨＰＩ）中斷。當ＤＳＰ接收到主機接口中斷后，調用中斷程序。這個中斷程序將使ＤＳＰ執(zhí)行以下幾步：
（１）首先將ＤＳＰ的ＸＦ腳置高，這個信號變低可以使處理層退出工作狀態(tài)，進入?yún)?shù)配置狀態(tài)，同時放棄總線，并使ＤＳＰ獲得總線控制權；
（２）ＤＳＰ從主機并口接收控制系統(tǒng)工作模式的有關參數(shù)；
（３）ＤＳＰ計算處理層需要的各項參數(shù)；
（４）ＤＳＰ將參數(shù)寫入處理層相應的地址；
（５）ＤＳＰ將ＸＦ腳置低，放棄總線控制權，并使處理層接管總線，進入工作狀態(tài)。
（６）ＤＳＰ重新進入等待主機接口中斷狀態(tài)。系統(tǒng)隨時可以根據(jù)需要改變工作模式，重新配置參數(shù)。
２ 硬件實現(xiàn)
系統(tǒng)的硬件結構比較簡單，與總體方案框圖的結構基本相同。主要器件有：ＴＩ公司的ＤＳＰ芯片ＴＭＳ３２０ＶＣ５４０２、ＡＬＴＥＲＡ公司的ＦＰＧＡ芯片ＥＰＦ１０Ｋ３０ＲＣ２４０、ＨＡＲＲＩＳ公司的數(shù)字上變頻器ＨＳＰ５０２１５和Ｄ／Ａ轉換器ＨＩ５７４１。
２．１ 接口設計
本設計充分考慮了系統(tǒng)與外界接口的設計?熏使系統(tǒng)具有很好的開放性和靈活性。
ＴＭＳ３２０ＶＣ５４０２的８－ｂｉｔ并行主機接口包含了許多控制信號線，使得它可以通過兩個觸發(fā)器與２５針的并口直接相連。外部的設備或器件可以通過這個并口方便地控制系統(tǒng)的工作模式和狀態(tài)。
在ＥＰＦ１０Ｋ３０的內部邏輯設計中，有一個隨機比特流產(chǎn)生模塊，在這個模塊中也設計了比特流信號的輸入接口，使系統(tǒng)既可以對自身產(chǎn)生的比特流進行調制，也可以對外部輸入的比特流進行調制。
另外，在ＥＰＦ１０Ｋ３０和ＨＳＰ５０２１５的參考時鐘輸入引腳也設計了外部接口，通過這些接口可以用外部時鐘信號方便地控制系統(tǒng)工作的參考時鐘，適應用戶的需求。
２．２ 總線控制
總線控制包括兩個方面：總線的電平轉換和總線控制權交接。
由于ＨＳＰ５０２１５和ＥＰＦ１０Ｋ３０均為＋５Ｖ ＴＴＬ器件，而ＴＭＳ３２０ＶＣ５４０２的管腳為＋３Ｖ ＴＴＬ電平，因而需要進行電平轉換。所使用的芯片為帶三態(tài)輸出的電平轉換芯片ＳＮ７４ＬＳ１６２４４和ＳＮ７４ＬＳ１６２４５。前者為單向芯片，用于地址總線；后者為雙向芯片，用于數(shù)據(jù)總線。
從圖１可以看出，系統(tǒng)某些信號線存在著復用的問題。這些信號線包括：ＨＳＰ５０２１５的數(shù)據(jù)、地址總線和寫控制信號線ＷＲ。它們同時與Ｄ
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