摘  要：針對(duì)當(dāng)前通信設(shè)備兼容性差的情況，提出一種基于軟件無(wú)線電思想的中頻數(shù)字化方案，該方案采用TI公司TMS320vC5509芯片及Inters訂公司推出的HsP50415數(shù)字上變頻器構(gòu)成核心單元。實(shí)踐結(jié)果表明該方案可以方便地實(shí)現(xiàn)各種QAM和QPM調(diào)制，并可對(duì)中頻進(jìn)行精確設(shè)置，較模擬化中頻發(fā)射機(jī)有著通用性強(qiáng)、成本低廉、功耗低等優(yōu)點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：軟件無(wú)線電 中頻數(shù)字化 發(fā)信機(jī)TMs320Vc5509 HsP50415

    經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，無(wú)線通信取得了巨大的進(jìn)步，但通信設(shè)備的互通性差，一直制約著通信的進(jìn)一步發(fā)展。有鑒于此，自1992年Jeo Mitola首次明確提出軟件無(wú)線電(soft radio)的概念以來(lái)，軟件無(wú)線電作為未來(lái)通信發(fā)展的方向，引起全世界人們的極大關(guān)注，并取得了迅猛的發(fā)展。軟件無(wú)線電的中心思想是：構(gòu)造一個(gè)開(kāi)放的標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的通用硬件平臺(tái)，將各種功能由軟件來(lái)完成。這樣勢(shì)必要把數(shù)字化處理(A／D和D／A變換)盡量靠近天線，那么A／D轉(zhuǎn)換器就必須有足夠的工作帶寬、較高的采樣速率，但這將導(dǎo)致成本成倍增加，因此，研發(fā)中常常只對(duì)中頻進(jìn)行數(shù)字化。本設(shè)計(jì)所用的核心芯片TMS320VC5509以及HSP50415成本低廉，應(yīng)用廣泛，可實(shí)現(xiàn)各種正交AM、PM調(diào)制，且功耗低，是實(shí)現(xiàn)中頻發(fā)射機(jī)商業(yè)化的一個(gè)很好的途徑。

1  主要芯片介紹
1．1 TMS320VC5509
    本設(shè)計(jì)中的主要芯片為數(shù)字信號(hào)處理器DsP和數(shù)字上變頻器HSP50415。DSP采用的是TMS320VC5509(簡(jiǎn)稱：VC5509)，它是TI公司最新推出的高性能、低功耗定點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器，是目前功耗最低的新產(chǎn)品。在144MHz的時(shí)鐘速率下，VC5509處理能力可達(dá)到400～800MIPS，指令周期可達(dá)6．94 ns，其中雙乘累加器可以在l s內(nèi)做400百萬(wàn)次相乘累加運(yùn)算。

    VC5509芯片具有豐富的CPU內(nèi)部總線資源，有1條32位的程序數(shù)據(jù)總線(PB)，5條16位的數(shù)據(jù)總線(BB、CB、DB、EB和FB)和6條24位的程序及地址總線，分別與CPU相連。這種并行的多總線結(jié)構(gòu)，使其能在1個(gè)CPU周期內(nèi)完成1個(gè)32位程序代碼的讀、3個(gè)16位數(shù)據(jù)的讀和2個(gè)16位的寫，這就使得其處理能力大大增強(qiáng)。

    芯片中的核心單元由40位的移位器、40位的算術(shù)邏輯單元(ALU)、2個(gè)乘累加器(MAC)和若干寄存器構(gòu)成，支持32位或雙16位的并行計(jì)算。算術(shù)邏輯單元完成加、減、布爾邏輯操作等運(yùn)算，能對(duì)本單元寄存器的內(nèi)容進(jìn)行測(cè)試、修改和移動(dòng)，能在執(zhí)行雙16位時(shí)同時(shí)完成兩個(gè)算術(shù)操作。

    VC5509的地址總線是24位的，所以其尋址空問(wèn)為16 MB。其片內(nèi)存儲(chǔ)器包括64 KB的ROM、192 KB的單存儲(chǔ)RAM(SRAM)和64 KB的雙存取RAM(DRAM)，使得程序和數(shù)據(jù)能在片內(nèi)高速傳遞，適時(shí)完成各種任務(wù)。DsP的存儲(chǔ)空間分為兩個(gè)獨(dú)立的部分：統(tǒng)一的數(shù)據(jù)、程序空間(即在物理上相同)和I／O空間。只有在CPU讀取指令時(shí)，程序空間才被訪問(wèn)，VC5509采用字節(jié)尋址來(lái)讀取程序代碼，即地址是按字節(jié)進(jìn)行分配的，并且指令長(zhǎng)度是可變的。在數(shù)據(jù)空間中，vc5509使用字尋址方式來(lái)讀寫8、16和32位數(shù)據(jù)，即地址按字進(jìn)行分配。VC5509的I／O存儲(chǔ)空間與數(shù)據(jù)／程序空間是分開(kāi)的，它只用于對(duì)DSP片內(nèi)的外設(shè)寄存器進(jìn)行存取，采用的是16位尋址方式，其尋址范圍是64位，當(dāng)存取I／O空間時(shí)，要在16位地址前添加0以構(gòu)成24位地址。

    片內(nèi)集成了豐富的外設(shè)資源，包括1個(gè)時(shí)鐘發(fā)生器，2個(gè)可獨(dú)立編程的定時(shí)器，1個(gè)通用輸入輸出口(GPIO)，3個(gè)高速全雙工的多通道緩沖串口(McBSP)，1個(gè)增強(qiáng)型主機(jī)接口和DMA控制器，以及1個(gè)外部存儲(chǔ)器接口。VC5509的CPU除了有限的片內(nèi)存儲(chǔ)器外，其余存儲(chǔ)空間都需要通過(guò)外部存儲(chǔ)器接口(EMIF)進(jìn)行訪問(wèn)。VC5509將它的外部存儲(chǔ)空間分為4個(gè)較小空間，每個(gè)空間用1個(gè).選信號(hào)來(lái)指定(稱為片選空間)。

    為了實(shí)現(xiàn)低功耗，該芯片采用了兩種省電方法：一種是關(guān)閉時(shí)鐘方式；另一種是關(guān)閉電源方式。為了便于管理，VC5509還設(shè)有專門的省電寄存器。

    上述特性使VC5509非常適合在數(shù)據(jù)傳輸率高、運(yùn)算量大、又要求功耗低的應(yīng)用場(chǎng)合，如在第2．5代和第3代移動(dòng)通信中的應(yīng)用。

1．2 HSP50415
    HSFP50415是美國(guó)Intersil公司2000年推出的新一代數(shù)字上變頻器(DUC)，其功能是將數(shù)字基帶信號(hào)進(jìn)行調(diào)制變換成頻帶信號(hào)，同時(shí)完成上變頻。通過(guò)對(duì)HSP50415不同的初始化，可以實(shí)現(xiàn)各種正交AM或PM調(diào)制，并可得到14位數(shù)字信號(hào)及12位的模擬信號(hào)。

    圖1是HSP50415芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖。由圖1可知，HSP50415芯片是由微處理器接口、256深度的先進(jìn)先出數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(FIFO)、整形濾波器、內(nèi)插濾波器、乘法器(矢量調(diào)制器)、載波數(shù)控振蕩器、12位DAC等部分組成。

    HSP50415對(duì)輸入的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行采樣和內(nèi)插，降低了DSP的處理負(fù)擔(dān)，優(yōu)化了系統(tǒng)的性能。HSP50415的工作特點(diǎn)如下：

    ①最高輸出采樣率達(dá)100 MSPS，每路輸入數(shù)據(jù)速率可達(dá)25 MSPS，而此時(shí)HSP50415的無(wú)寄生動(dòng)態(tài)范圍(SFDR)>70 dB.
    ②支持矢量調(diào)制模式．
    ③32位的碼元速率和載波頻率控制字可以十分精確地設(shè)定碼元速率和載波頻率。當(dāng)}|SP50415的主頻輸入為100 MHz時(shí)，載波設(shè)定可精確到O．050 3 Hz。
    ④片內(nèi)提供有碼元速率同步和數(shù)據(jù)猝發(fā)兩種數(shù)據(jù)傳輸模式。
    ⑤HSP50415中有18個(gè)控制寄存器，可以靈活地配置載波頻率、碼元速率、FIFO的深度以及閾值、成形濾波器階數(shù)及系數(shù)、增益控制、輸出模式等參數(shù)，還可以靈活選擇是否旁路某些模塊(如整形濾波器或FIFO等)，這就為硬件調(diào)試提供了方便。
    ⑥I、Q兩路擁有高達(dá)256階的FIR整形濾波器，可根據(jù)Intersil公司提供的軟件自行設(shè)計(jì)濾波器。濾波器系數(shù)由微處理器接口寫入芯片內(nèi)部的4片64×72位RAM。
    ⑦內(nèi)插濾波器可以實(shí)現(xiàn)輸人到輸出非整數(shù)倍的采樣率轉(zhuǎn)換。
    ⑧芯片中集成了2片12位DAC，可以方便地得到模擬輸出。同時(shí)，HSP50415也提供了14位數(shù)字輸出方式。

    由此可見(jiàn)，HSP50415數(shù)字上變頻器是一個(gè)功能強(qiáng)、應(yīng)用方便的數(shù)字可編程器件。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案
    系統(tǒng)框圖如圖2所示。設(shè)計(jì)目標(biāo)是將終端發(fā)送的數(shù)據(jù)由VC5509進(jìn)行處理，加同步頭，幀頭等，而后送至HSP50415中，經(jīng)過(guò)插值、混頻至中頻，輸出12位模擬信號(hào)，最后由專門的發(fā)信機(jī)發(fā)出。圖2中VC5509芯片用于完成數(shù)字信號(hào)處理以及控制功能，HSP50415芯片用于完成信號(hào)的插值、調(diào)制功能。

3 系統(tǒng)工作原理
    本設(shè)計(jì)采用的是矢量調(diào)制方式(Vector Modulation)。數(shù)據(jù)由終端發(fā)出后，經(jīng)串口發(fā)至DSP接收，。DSP讀取后分I、Q兩路交替送人14SP50415。HSP50415將接收數(shù)據(jù)串并變換后分成I、Q兩路并行，其后經(jīng)過(guò)星座映射，整形濾波和內(nèi)插后，再將I、Q兩路的數(shù)字基帶信號(hào)搬移到中頻上，其數(shù)學(xué)公式為：Outptlt=Ik cos(ω0t)±Qksin(ω0t)根據(jù)調(diào)制理論[1,-2]可知，當(dāng)，k為基帶輸入信號(hào)，Ql為0時(shí)，即Output=S(t)cos(ω0t),Ik=S(t)這時(shí)，Output即為。DSP調(diào)制信號(hào)。當(dāng)Qk是Ik的希爾伯特變換時(shí)，Output則得到SSB調(diào)制信號(hào)，“+”，“-”分別對(duì)應(yīng)USB和LSB信號(hào)。之后，經(jīng)X／sin(X)補(bǔ)償濾波，12位的數(shù)模轉(zhuǎn)換后，送入發(fā)信機(jī)，最終輸出。

4 本設(shè)計(jì)方案的實(shí)現(xiàn)
4.1硬件電路圖
    上面已簡(jiǎn)述了發(fā)信機(jī)的設(shè)計(jì)方案及原理，下面重點(diǎn)說(shuō)明本設(shè)計(jì)的硬件電路及其軟件流程。

    DSP與HSP50415的接口電路如圖3所示，在此用了2個(gè)片選，分別用于對(duì)HSP50415初始化和向上變頻芯片發(fā)送數(shù)據(jù)。在初始化開(kāi)始時(shí)，選通CE2，通過(guò)微處理器接口對(duì)HSP50415進(jìn)行初始化。初始化完成后，選通CE0，DSP每收到一個(gè)中斷信號(hào)，就執(zhí)行中斷程序，CE0和AWE相“或”得出HSP50415的數(shù)據(jù)時(shí)鐘，上變頻芯片將在DATACLK的上升沿采樣數(shù)據(jù)，再由程序?qū)F引腳拉高或拉低來(lái)控制采樣的是I路還是Q路。中斷信號(hào)由2*SYMCLK引腳產(chǎn)生。

4．2軟件流程
    發(fā)送數(shù)據(jù)流程如圖4所示。

    在整個(gè)調(diào)試過(guò)程中，VC5509在軟件控制和信號(hào)處理上起著重要的作用。對(duì)VC5509初始化主要包括設(shè)置時(shí)鐘模式寄存器CLKMD，外部總線選擇寄存器EBSEL，外部存儲(chǔ)器接口EMIF等。中斷向量表應(yīng)建立一個(gè)子文件來(lái)存放。

    對(duì)HSP50415的初始化即為對(duì)片內(nèi)寄存器進(jìn)行賦值，片內(nèi)有18個(gè)控制寄存器可以根據(jù)需要寫入。值得注意的是，整形濾波器的系數(shù)預(yù)先由sire415．exe產(chǎn)生，I、Q兩路RAM為72位，而微處理器端口一次只接收8位數(shù)據(jù)，要根據(jù)資料要求進(jìn)行9次寫入。

5 結(jié)論
    根據(jù)以上方案，筆者設(shè)計(jì)出調(diào)制方式為2FSK時(shí)，數(shù)據(jù)傳輸率為0．8 Mbps，調(diào)制方式為QPSK時(shí)，數(shù)據(jù)傳輸率為1．5 Mbps的無(wú)線電發(fā)信機(jī)。由于該系統(tǒng)采用軟件化的設(shè)計(jì)方法，因此該軟件無(wú)線電發(fā)信機(jī)可以根據(jù)用戶的各種使用要求進(jìn)行配置，而無(wú)需更改硬件，這就為用戶降低了成本，并有利于對(duì)系統(tǒng)的升級(jí)換代。