基于軟件無線電的發(fā)信機原理及實現(xiàn)

摘  要：針對當前通信設備兼容性差的情況，提出一種基于軟件無線電思想的中頻數(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)字上變頻器構成核心單元。實踐結果表明該方案可以方便地實現(xiàn)各種QAM和QPM調制，并可對中頻進行精確設置，較模擬化中頻發(fā)射機有著通用性強、成本低廉、功耗低等優(yōu)點。

關鍵詞：軟件無線電 中頻數(shù)字化 發(fā)信機TMs320Vc5509 HsP50415

經(jīng)過幾十年的發(fā)展，無線通信取得了巨大的進步，但通信設備的互通性差，一直制約著通信的進一步發(fā)展。有鑒于此，自1992年Jeo Mitola首次明確提出軟件無線電(soft radio)的概念以來，軟件無線電作為未來通信發(fā)展的方向，引起全世界人們的極大關注，并取得了迅猛的發(fā)展。軟件無線電的中心思想是：構造一個開放的標準化、模塊化的通用硬件平臺，將各種功能由軟件來完成。這樣勢必要把數(shù)字化處理(A／D和D／A變換)盡量靠近天線，那么A／D轉換器就必須有足夠的工作帶寬、較高的采樣速率，但這將導致成本成倍增加，因此，研發(fā)中常常只對中頻進行數(shù)字化。本設計所用的核心芯片TMS320VC5509以及HSP50415成本低廉，應用廣泛，可實現(xiàn)各種正交AM、PM調制，且功耗低，是實現(xiàn)中頻發(fā)射機商業(yè)化的一個很好的途徑。

1  主要芯片介紹

1．1 TMS320VC5509

本設計中的主要芯片為數(shù)字信號處理器DsP和數(shù)字上變頻器HSP50415。DSP采用的是TMS320VC5509(簡稱：VC5509)，它是TI公司最新推出的高性能、低功耗定點數(shù)字信號處理器，是目前功耗最低的新產(chǎn)品。在144MHz的時鐘速率下，VC5509處理能力可達到400～800MIPS，指令周期可達6．94 ns，其中雙乘累加器可以在l s內(nèi)做400百萬次相乘累加運算。

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構，使其能在1個CPU周期內(nèi)完成1個32位程序代碼的讀、3個16位數(shù)據(jù)的讀和2個16位的寫，這就使得其處理能力大大增強。

芯片中的核心單元由40位的移位器、40位的算術邏輯單元(ALU)、2個乘累加器(MAC)和若干寄存器構成，支持32位或雙16位的并行計算。算術邏輯單元完成加、減、布爾邏輯操作等運算，能對本單元寄存器的內(nèi)容進行測試、修改和移動，能在執(zhí)行雙16位時同時完成兩個算術操作。

VC5509的地址總線是24位的，所以其尋址空問為16 MB。其片內(nèi)存儲器包括64 KB的ROM、192 KB的單存儲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，適時完成各種任務。DsP的存儲空間分為兩個獨立的部分：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，程序空間才被訪問，VC5509采用字節(jié)尋址來讀取程序代碼，即地址是按字節(jié)進行分配的，并且指令長度是可變的。在數(shù)據(jù)空間中，vc5509使用字尋址方式來讀寫8、16和32位數(shù)據(jù)，即地址按字進行分配。VC5509的I／O存儲空間與數(shù)據(jù)／程序空間是分開的，它只用于對DSP片內(nèi)的外設寄存器進行存取，采用的是16位尋址方式，其尋址范圍是64位，當存取I／O空間時，要在16位地址前添加0以構成24位地址。

片內(nèi)集成了豐富的外設資源，包括1個時鐘發(fā)生器，2個可獨立編程的定時器，1個通用輸入輸出口(GPIO)，3個高速全雙工的多通道緩沖串口(McBSP)，1個增強型主機接口和DMA控制器，以及1個外部存儲器接口。VC5509的CPU除了有限的片內(nèi)存儲器外，其余存儲空間都需要通過外部存儲器接口(EMIF)進行訪問。VC5509將它的外部存儲空間分為4個較小空間，每個空間用1個.選信號來指定(稱為片選空間)。

為了實現(xiàn)低功耗，該芯片采用了兩種省電方法：一種是關閉時鐘方式；另一種是關閉電源方式。為了便于管理，VC5509還設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、運算量大、又要求功耗低的應用場合，如在第2．5代和第3代移動通信中的應用。

1．2 HSP50415

HSFP50415是美國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)字基帶信號進行調制變換成頻帶信號，同時完成上變頻。通過對HSP50415不同的初始化，可以實現(xiàn)各種正交AM或PM調制，并可得到14位數(shù)字信號及12位的模擬信號。

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

HSP50415對輸入的數(shù)字信號進行采樣和內(nèi)插，降低了DSP的處理負擔，優(yōu)化了系統(tǒng)的性能。HSP50415的工作特點如下：

①最高輸出采樣率達100 MSPS，每路輸入數(shù)據(jù)速率可達25 MSPS，而此時HSP50415的無寄生動態(tài)范圍(SFDR)>70 dB.
②支持矢量調制模式．
③32位的碼元速率和載波頻率控制字可以十分精確地設定碼元速率和載波頻率。當}|SP50415的主頻輸入為100 MHz時，載波設定可精確到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)，這就為硬件調試提供了方便。
⑥I、Q兩路擁有高達256階的FIR整形濾波器，可根據(jù)Intersil公司提供的軟件自行設計濾波器。濾波器系數(shù)由微處理器接口寫入芯片內(nèi)部的4片64