摘  要: 介紹了軟件無線電的思想和結(jié)構(gòu)，提出了一種實(shí)現(xiàn)軟件無線電試驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)方案，隨后對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行了分析。整個(gè)試驗(yàn)平臺(tái)可以根據(jù)用戶的需求產(chǎn)生各種調(diào)制制式的中頻信號(hào);也可以接收各種中頻信號(hào)，并下變頻成基帶信號(hào)。另外，它利用通用微機(jī)完成形式多樣的基帶信號(hào)處理，使得整個(gè)平臺(tái)結(jié)構(gòu)簡單，功能強(qiáng)大。

　　關(guān)鍵詞: 軟件無線電  數(shù)字上變頻  數(shù)字下變頻  PCI總線

　　軟件無線電技術(shù)是近幾年發(fā)展的新技術(shù)，是繼無線電通訊從模擬到數(shù)字，從固定到移動(dòng)的第三次革命。當(dāng)初，是由于解決軍事通訊中的不同體制、不同標(biāo)準(zhǔn)之間的兼容性而提出來的一種技術(shù)要求。但是，近幾年來，由于第三代移動(dòng)通訊標(biāo)準(zhǔn)UMTS (Universal Mobile Telecommunications Systems)的提出，它要求支持多媒體的信息傳輸，如語音、圖像、傳真、互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)。這就要求它支持寬帶的移動(dòng)多媒體服務(wù)，只有利用軟件無線電技術(shù)才能如此復(fù)雜地傳輸數(shù)據(jù)，這為軟件無線電提供了更為廣闊的應(yīng)用前景。軟件無線電的基本概念是利用通用的硬件作為無線通信的平臺(tái)，而把盡可能多的個(gè)人通信功能和服務(wù)采用軟件來實(shí)現(xiàn)。它的優(yōu)勢主要表現(xiàn)在以下四個(gè)方面:(1)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)通用，功能實(shí)現(xiàn)靈活;(2)系統(tǒng)的改進(jìn)和升級(jí)方便;(3)不同通信系統(tǒng)之間可以進(jìn)行通信;(4)具有良好的復(fù)用性。

　　軟件無線電的基本概念是把硬件作為無線電的基本平臺(tái)，而把盡可能多的無線電及個(gè)人通信功能用軟件實(shí)現(xiàn)。這樣，無線通信新系統(tǒng)，新產(chǎn)品的開發(fā)將逐步轉(zhuǎn)移到軟件上，軟件無線電的關(guān)鍵思想與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的區(qū)別在于:將AD和DA向RF端靠近，由基帶移到中頻，甚至到射頻，同時(shí)用高速的DSP/CPU代替?zhèn)鹘y(tǒng)的專用數(shù)字電路和低速DSP/CPU做A/D后的一系列處理。圖1給出了軟件無線電的理想結(jié)構(gòu)。但是由于現(xiàn)在DSP、ADC、DAC技術(shù)等還不能滿足這種理想結(jié)構(gòu)的要求，圖2給出了現(xiàn)在具備的條件能夠?qū)崿F(xiàn)的軟件無線電結(jié)構(gòu)，它將專用的可編程DUC，DDC代替了DSP的中頻信號(hào)處理功能。在本文中討論的軟件無線電試驗(yàn)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)是基于圖2所示的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)的，對(duì)此我們利用了可編程的上變頻和下變頻芯片代替數(shù)字處理器(DSP)，用以彌補(bǔ)目前DSP運(yùn)算速度不能滿足軟件無線電要求的缺陷。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　我們?cè)O(shè)計(jì)的軟件無線電試驗(yàn)平臺(tái)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示，它主要由發(fā)射模塊和接收模塊兩個(gè)主要部分組成。系統(tǒng)的發(fā)射模塊可以處理多種基帶信號(hào)，并可由用戶選擇調(diào)制方式、設(shè)置發(fā)送濾波器系數(shù)以及輸出頻率，并最終生成中頻為10～20MHz的多種調(diào)制信號(hào)(如AM、FM、MPSK、MFSK、QAM等)。系統(tǒng)的接收模塊能夠接收多種指示的中頻信號(hào)(如AM、FM、MPSK、MFSK、QAM等)，要求調(diào)制信號(hào)的載頻在20MHz以下，模擬調(diào)制信號(hào)的基帶帶寬不超過500kHz，數(shù)字調(diào)制信號(hào)的碼元速率不超過16kSPS。整個(gè)系統(tǒng)由一片CPLD芯片進(jìn)行控制，由此可以簡化電路，方便調(diào)試，提高系統(tǒng)工作的可靠性。

　　在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，我們并沒有采用傳統(tǒng)的方法利用DSP進(jìn)行基帶信號(hào)處理，而是利用通用微機(jī)對(duì)基帶信號(hào)進(jìn)行處理，并采用PCI總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，主要基于以下兩個(gè)原因:一則當(dāng)前通用計(jì)算機(jī)發(fā)展迅速，如基于奔騰III的通用計(jì)算機(jī)的綜合處理性能接近甚至超過第三代的DSP處理芯片(如TI公司的TMS320C50系列)，利用通用微機(jī)對(duì)基帶信號(hào)進(jìn)行處理比DSP更方便。二則PCI總線具有很高的傳輸速率(峰值速率可達(dá)132MB/s)，而我們?cè)O(shè)計(jì)的系統(tǒng)的基帶信號(hào)傳輸速率是在1000kSPS以下，所以利用PCI總線來傳輸數(shù)據(jù)完全可以滿足要求。

　　系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)主要包括總線控制器S5933、外部FIFO、全局控制器CPLD、數(shù)字上變頻器件HSP50215、數(shù)字下變頻器件HSP50214B、HSP50210、高速D/A器件AD9762等單元。如圖3所示，待發(fā)射的基帶信號(hào)由PCI總線輸入，經(jīng)FIFO緩存后送入數(shù)字上變頻器件HSP50215，高速D/A器件將HSP50215輸出的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)化為模擬中頻信號(hào);高速的A/D器件將中頻的調(diào)制信號(hào)數(shù)字化以后傳輸給HSP50214B，下變頻得到的基帶信號(hào)經(jīng)FIFO緩存，由S5933經(jīng)PCI總線傳給計(jì)算機(jī)處理。

2 各個(gè)功能模塊分析

2.1 總線控制器S5933

　　S5933是由AMCC公司生產(chǎn)的一種功能強(qiáng)、使用靈活的PCI總線控制器專用芯片，該芯片符合PCI局部總線規(guī)范2.1版。它提供了操作簡單而功能強(qiáng)大的開發(fā)接口:PCI接口與Addon接口，PCI接口與PCI總線相連，Addon接口與用戶的電路相連，用戶不用理會(huì)PCI總線的繁瑣規(guī)范，只需對(duì)Addon接口進(jìn)行PCI擴(kuò)展板的設(shè)計(jì)。S5933支持DMA傳輸，它的峰值傳送速率為132MB/s(32位PCI數(shù)據(jù)線)，完全可以滿足基帶信號(hào)的雙向傳輸。

　　S5933提供3種數(shù)據(jù)傳輸方式:信箱方式、PASSTHRU方式、FIFO方式。信箱方式用于PCI總線與Addon接口之間進(jìn)行簡單的數(shù)據(jù)傳輸。PASSTHUR方式使得主機(jī)以訪問內(nèi)存的方式訪問Addon接口的擴(kuò)展存儲(chǔ)空間。FIFO方式可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在PCI總線上進(jìn)行DMA傳輸。此我們利用PASSTHRU方式實(shí)現(xiàn)對(duì)擴(kuò)展板的可編程芯片的控制字和濾波器系數(shù)的訪問，使得此試驗(yàn)平臺(tái)可以工作在不同的方式中。利用FIFO方式實(shí)現(xiàn)基帶信號(hào)在PCI總線上的DMA傳輸。

2.2 可編程數(shù)字下變頻器HSP50214B與HSP50210

　　HSP50214B是由HARRIS公司生產(chǎn)的一種可編程數(shù)字下變頻芯片，它對(duì)數(shù)字化的中頻信號(hào)進(jìn)行下變頻、抽取濾波、窄帶低通濾波、增益控制、重采樣、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號(hào)處理，輸出的基帶信號(hào)可以由一般的DSP或通用微機(jī)處理。HSP50214B支持各種數(shù)字解調(diào)方式(如BPSK、BASK、MPSK、MSK、MQAMD等)和各種模擬解調(diào)方式(如AM、FM、VBS、SSB等)。輸入的數(shù)字化中頻信號(hào)的速率可達(dá)65MSPS，輸出的基帶信號(hào)的速率可達(dá)12.94MSPS，帶寬可達(dá)982kHz。它的一個(gè)重要特性是可以通過改變內(nèi)部寄存器的值從而改變整個(gè)芯片的工作方式和狀態(tài)，我們可以通過軟件改變解調(diào)的方式、中頻信號(hào)的輸入方式、載波的中心頻率與相移、數(shù)控振蕩器的頻率、增益控制的方式、輸入和輸出數(shù)據(jù)的格式等;另外，HSP50214B中有兩個(gè)(I、Q兩路通道)可編程的256階濾波器，它具有整形和抽取的功能。

　　HSP50210是由HARRIS公司生產(chǎn)的一種數(shù)字載波相位估計(jì)器件，它與HSP50215一起完成PSK信號(hào)的解調(diào)。

2.3 可編程數(shù)字上變頻器HSP50215

　　HSP50215是由HARRIS公司生產(chǎn)的一種可編程數(shù)字上變頻芯片，它支持各種數(shù)字調(diào)制方式(如BPSK、BASK、MPSK、MSK、MQAMD等)和各種模擬調(diào)制方式(如AM、FM、VBS、SSB等)。HSP50215的基帶數(shù)據(jù)的輸入速率可達(dá)3.23MSPS，而經(jīng)它上變頻調(diào)制的信號(hào)的輸出速率可達(dá)52MSPS，輸出的中頻載波頻率在10～20MHz之間。它的一個(gè)重要特性是可以通過改變內(nèi)部寄存器的值從而改變整個(gè)芯片的工作方式和狀態(tài)，我們可以通過軟件改變調(diào)制的方式、基帶信號(hào)的輸入速率、載波的中心頻率、輸入和輸出數(shù)據(jù)的格式、同步方式等;另外，HSP50215中有兩個(gè)(I、Q兩路通道)可編程的256階濾波器，它具有整形和插值的功能。

2.4 全局控制器CPLD

　　整個(gè)系統(tǒng)的所有控制邏輯由一片CPLD器件(Altera公司的EPM7192)承擔(dān)，其控制對(duì)象包括S5933的Add-on接口、外部FIFO、HSP50215的控制接口和HSP50214B的控制接口。全局控制器主要完成以下任務(wù):設(shè)置HSP50215內(nèi)部寄存器;實(shí)現(xiàn)基帶數(shù)據(jù)主機(jī)內(nèi)存與HSP50215輸入通道之間的傳輸以及實(shí)現(xiàn)基帶數(shù)據(jù)主機(jī)內(nèi)存與HSP50214B輸入通道之間的傳輸。對(duì)于下變頻模塊，由于解調(diào)的過程存在相位和載波同步的問題(由HSP50210完成)，所以在系統(tǒng)的工作過程中要在線改變HSP50214B內(nèi)部寄存器，設(shè)計(jì)控制邏輯中要著重考慮。對(duì)于下變頻模塊，由于調(diào)制過程不存在類似于鎖相環(huán)的反饋結(jié)構(gòu)，這意味著一旦啟動(dòng)基帶數(shù)據(jù)傳輸后不需要再更改HSP50215控制參數(shù)。因此寫HSP50215控制字與基帶數(shù)據(jù)傳輸是兩個(gè)相互獨(dú)立的控制邏輯，這使得設(shè)計(jì)過程比較清晰。

參考文獻(xiàn)

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2 Walter H.W. Software Radio Technology：A European  Perspective.IEEE Communication Magazine，F(xiàn)ebruary 1999：118～123. 

3 HSP50215 Digital Upconverter，See http：//www.intersil.com 

4 HSP50214 DigitalB Downconverter，See http：//www.intersil.com 

5 薛兆寶等.PCI總線.微計(jì)算機(jī)應(yīng)用，1997(5)：165～169