超短波跳頻電臺(tái)數(shù)字處理平臺(tái)的設(shè)計(jì)

1、.超短波跳頻電臺(tái)數(shù)字處理平臺(tái)的設(shè)計(jì) 摘要:本文主要對超短波跳頻電臺(tái)數(shù)字處理平臺(tái)的設(shè)計(jì)及其中用到的信號(hào)處理技術(shù)進(jìn)行了研究。通過方案設(shè)計(jì)和論證,我們采用高速ADC和DAC來實(shí)現(xiàn)超短波中頻數(shù)字化,用可編程的上下變頻器實(shí)現(xiàn)信號(hào)的上下變頻,并且完成了硬件電路的設(shè)計(jì)和調(diào)試。 關(guān)鍵詞:跳頻;中頻數(shù)字化;超短波 隨著軟件無線電的興起,目前根據(jù)硬件的發(fā)展水平,一般軟件無線電中都采用中頻數(shù)字化。對于較高的二次中頻一般采用欠采樣技術(shù);在三中頻到基帶之間的部分直接進(jìn)行奈奎斯特采樣來實(shí)現(xiàn)數(shù)字化。本系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)就是基于軟件無線電的思想,中頻數(shù)字化是在第三中頻完成的。系統(tǒng)接收時(shí)的中頻信號(hào)為455KHz,發(fā)送時(shí)的中頻信號(hào)為

2、11.9MHz。下面將主要來討論超短波跳頻電臺(tái)的數(shù)字處理平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。 1 硬件電路設(shè)計(jì) 系統(tǒng)框圖如圖1.1所示。系統(tǒng)電路的設(shè)計(jì)與調(diào)試也是圍繞著兩個(gè)芯片而來的,下面我們將結(jié)合系統(tǒng)中的信號(hào)處理和系統(tǒng)框圖來對電路的設(shè)計(jì)進(jìn)行分析說明。 系統(tǒng)中用到了三個(gè)時(shí)鐘源,其中60MHz的普通晶振用來為DSP提供工作時(shí)鐘,該時(shí)鐘不用作定時(shí);18.432MHz的時(shí)鐘是專為ST16C554D四異步串口提供的,用來產(chǎn)生各種常用的波特率,最高波特率可達(dá)1.152Mbaud/s;而96MHz的時(shí)鐘是來自頻合的高穩(wěn)定度的溫補(bǔ)晶振,整個(gè)系統(tǒng)的定時(shí)以及其它芯片的工作時(shí)鐘都由96MHz的時(shí)鐘分頻得到。正如圖1.1中的時(shí)中產(chǎn)生電

3、路所示。 電路中還用到了AD公司的AD73311, AD73311是數(shù)/模、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器,包括了16-bitA/DC和16-bit的D/AC,AD73311的采樣率、增益控制都可以通過編程來實(shí)現(xiàn),系統(tǒng)中它外接12MHz的時(shí)鐘,完成模擬話音的直接采樣,采樣率為46.875Ksps,該通路也就是我們所說的模擬話;FX609是CML(Consumer Microcircuit Limited)公司的產(chǎn)品,它在系統(tǒng)中完成對模擬話音直接進(jìn)行編碼,編碼采用連續(xù)可變斜率增量調(diào)制(CVSD-Continuously Variable Slope Delta Modulation Codec)話音編碼方案,編碼

4、速率為可選擇為16Kbps、32Kbps、64Kbps,在此我們選擇了16Kbps,該路就是我們所說的數(shù)字話。連續(xù)可變斜率增量調(diào)制是一種自適應(yīng)增量調(diào)制技術(shù),能夠獲得高質(zhì)量傳輸?shù)囊纛l編碼,CVSD編碼擅長處理丟失和被損壞的語音采樣,即使比特錯(cuò)誤率達(dá)到4%,CVSD編碼的語音還是可聽的。 FX609編碼后的數(shù)字話可以直接進(jìn)行串并變換(跳頻明話),也可以經(jīng)過加密模塊然后再進(jìn)行串并變換(跳頻密話);此處串并變換由FPGA完成,串并變換后的并行數(shù)據(jù)經(jīng)DSP總線讀入DSP。話音通信有模擬話和數(shù)字話兩種,兩路話音的選擇是通過模擬開關(guān)4066來控制完成的。在數(shù)據(jù)傳輸時(shí),計(jì)算機(jī)將數(shù)據(jù)文件處理后送至DSP,計(jì)算機(jī)

5、和DSP數(shù)字處理平臺(tái)之間的連接是通過串口實(shí)現(xiàn)的,因?yàn)橛?jì)算機(jī)串口是RS232電平(-12V-+12V),在此我們用MAX232對其進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換,變成TTL電平和DSP板上的四異步串口相連。 發(fā)送時(shí)話音信號(hào)(包括模擬話和數(shù)字話)或者數(shù)據(jù)傳輸時(shí)的數(shù)據(jù)信號(hào)經(jīng)過DSP處理后,送至HSP50215上變頻器,HSP50215的時(shí)鐘為48MHz,在HSP50215中進(jìn)行調(diào)制和上變頻至11.9MHz,采樣率插值到48Msps,已調(diào)數(shù)字信號(hào)經(jīng)過AD9764進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換變?yōu)?1.9MHz的中頻模擬信號(hào),然后被混頻至發(fā)射頻率發(fā)射出去;接收時(shí),電臺(tái)接收下來的射頻信號(hào)經(jīng)混頻至455KHz的中頻信號(hào),然后經(jīng)過AD9243采

6、樣數(shù)字化(采樣頻率為3Msps)后被送到HSP50214進(jìn)行下變頻至基帶和解調(diào),解調(diào)信號(hào)送至DSP由DSP進(jìn)行處理。 系統(tǒng)中的ST16C554D四異步串口實(shí)現(xiàn)DSP板和外設(shè)之間的通信,四異步串口外接18.432MHz的時(shí)鐘,通過DSP對各個(gè)串口的設(shè)置,和不同外設(shè)之間通信時(shí)選用不同的波特率。系統(tǒng)中主控單片機(jī)是電臺(tái)內(nèi)的核心控制單元,完成電臺(tái)控制面板命令的接收和到DSP板的傳送,用來控制電臺(tái)實(shí)現(xiàn)各種不同的功能,DSP對主控單片機(jī)來的命令做出相應(yīng)的應(yīng)答,主控單片機(jī)和DSP板之間通過串口C相連,其速率為19.2Kbaud/s。在跳頻通信時(shí),DSP將跳頻序列產(chǎn)生器產(chǎn)生的跳頻序列經(jīng)過異步串口B送至頻率合成器

7、,在定頻通信時(shí),DSP將電臺(tái)設(shè)置的定頻頻率通過串口B送至頻率合成器,其速率也為19.2Kbaud/s。DSP和密鑰槍的接口是通過串口D實(shí)現(xiàn)的,密鑰槍的電平為RS232電平,因此在DSP板上用MAX232進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換,將TTL電平轉(zhuǎn)換為RS232電平和密鑰槍相連,其速率為9.6Kbaud/s。同樣DSP板和計(jì)算機(jī)之間的連接是通過異步串口A實(shí)現(xiàn)的,串口A和計(jì)算機(jī)的串口之間也要通過電平轉(zhuǎn)換。因?yàn)橛?jì)算機(jī)串口速率可以設(shè)置的較高,所以在此我們將串口A的速率設(shè)置為115.2Kbaud/s。 另外,因?yàn)槭瞻l(fā)信機(jī)中用到調(diào)諧放大器,所以在跳頻情況下,在不同的頻率段,調(diào)諧放大器的工作頻率也要作相應(yīng)的改變,調(diào)諧碼字由

8、DSP通過鎖存器送給調(diào)諧放大電路。在通信時(shí),DSP根據(jù)不同的跳變頻率來給調(diào)諧放大器送相應(yīng)的調(diào)諧碼子。 系統(tǒng)框圖中的28F020是Intel公司的EPROM作為程序存儲(chǔ)器,它容量為256K 8,但是速度較慢,所以我們在系統(tǒng)電路的設(shè)計(jì)中,利用TMS320C31的自動(dòng)裝載功能(Bood Loader),當(dāng)加電或復(fù)位后,DSP自動(dòng)將存儲(chǔ)在外部程序存儲(chǔ)器中的程序裝載到快速的RAM中運(yùn)行,在此我們用到了Cyrix公司的Cy7c1009快速RAM作為運(yùn)行程序和存放數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器,其容量位128K 32。在此我們還用到了DALLAS SEMICONDUCTOR 公司的DS1643 , 它是非易失性時(shí)間保持存儲(chǔ)器(

9、Nonvolatile Timing Keeping RAM),其容量為8K 8,用于存放密鑰槍傳來的數(shù)據(jù)(頻率集和密鑰),并且提供系統(tǒng)的實(shí)時(shí)鐘。時(shí)鐘是由密鑰槍提供的,內(nèi)部集成有電源和晶體,以保證實(shí)時(shí)鐘的正常工作,并可以在未加電的情況下保持信息十年內(nèi)不被丟失。 2硬件電路調(diào)試 前面已經(jīng)介紹過,DSP工作于自動(dòng)裝載模式,這可以通過設(shè)置DSP的四個(gè)外部中斷來選擇C31的自動(dòng)裝載模式,在此我們將外部中斷一 接地,這樣就決定了DSP的裝載模式,在加電或復(fù)位后DSP將從0X400000地址裝載程序,所以必須將Y4分配給外部程序存儲(chǔ)器28F020。電路的調(diào)試主要是對HSP50214和HSP50215的參數(shù)

10、設(shè)置。為了方便硬件電路的調(diào)試,我們在DSP電路板上附加了顯示器和鍵盤輔助工具,在調(diào)試過程中,我們模擬TMS320C31的自動(dòng)裝載功能,將一個(gè)類似于自動(dòng)裝載功能的程序?qū)懙?8F020中,加電后,該程序被裝載到RAM中去,該程序的功能就是守候串口,將串口來的程序?qū)懙礁咚賀AM中然后開始運(yùn)行,我們可以將編寫好的程序通過計(jì)算機(jī)串口和DSP板上的串口裝載到RAM中去,我們還可以在程序中設(shè)置響應(yīng)的斷點(diǎn)或顯示字符串信息,來監(jiān)控程序的運(yùn)行狀況,通過顯示器和鍵盤可以觀測到所有寄存器和不同內(nèi)存單元的內(nèi)容,為我們順利地進(jìn)行硬件電路的調(diào)試工作以及后面的軟件程序的調(diào)試都提供了極大的幫助。 2.1HSP50215的參數(shù)設(shè)

11、置 HSP50215的功能是對數(shù)字基帶信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)制或進(jìn)行頻率搬移,變成相應(yīng)的數(shù)字樣值信號(hào)。它可以產(chǎn)生任意正交振幅鍵控 (QASK) 數(shù)據(jù)調(diào)制信號(hào),包括QPSK、BPSK和m-ary QAM。還可以產(chǎn)生整形的和未濾波的FM信號(hào)。 上變換器的參數(shù)設(shè)置是通過和DSP與HSP50215的微處理器接口的數(shù)據(jù)總線、地址總線、讀寫和片選控制信號(hào)線來完成的。配置的參數(shù)信息包括采樣定時(shí)NCO中心頻率、載波NCO的中心頻率、調(diào)制方式、增益控制、FIFO控制、復(fù)位控制、同步控制,I和Q支路的基帶256階FIR濾波器的設(shè)置和系數(shù)的配置等。當(dāng)上變頻器被設(shè)置好后,微處理器接口就用來傳輸I和Q支路的信號(hào)。 地址0為正交

12、調(diào)制的I路輸入或FM調(diào)制的信號(hào)輸入,地址1位正交調(diào)制的Q路信號(hào)輸入,在此我們用的調(diào)制方式為FM調(diào)制,所以僅將信號(hào)寫到地址0即可。調(diào)制過程的實(shí)現(xiàn)是先進(jìn)行基帶調(diào)制、然后再進(jìn)行整形濾波和插值濾波。調(diào)制方式的選擇是通過設(shè)置控制字16來實(shí)現(xiàn)的。上變換器的輸入采樣頻率是通過設(shè)置重采樣NCO來實(shí)現(xiàn)的,                           

13、;    (2.1) 其中FRESAMP表示輸入采樣率,fCLK表示是REFCLK,而SR(29:0)表示30位的頻率控制字。在進(jìn)行數(shù)字話通信時(shí)FRESAMP=96Ksps,模擬話通信時(shí)FRESAMP=46.875Ksps,所以相應(yīng)的頻率控制字分別是8589935和4194304。 成型濾波器的參數(shù),內(nèi)插率IP的取值為4,8和16,在控制字19中的1-0bit設(shè)置,跨度DS在5-2bit中設(shè)置。我們設(shè)IP和DS同為16。對于成型濾波器的系數(shù),我們用Matlab設(shè)計(jì)計(jì)算出來后,再將它按FIR濾波器的多相形式寫入相應(yīng)的控制字。 內(nèi)插濾波器是不可編程的,它將輸入信號(hào)的抽

14、樣率內(nèi)插到HSP50215的工作頻率REFCLK,在這里是48MHz。內(nèi)插濾波器可以完成非整數(shù)倍的內(nèi)插。 調(diào)頻信號(hào)的載波和載波頻率控制字有如下關(guān)系,           (2.2) 上式中FRESAMP表示載波頻率,fCLK為REFCLK,在此為48MHz,載波頻率為11.9MHz,所以由(2.2)可以計(jì)算出載波頻率控制字為959656755,通過設(shè)置控制字4和5來實(shí)現(xiàn)。 基帶信號(hào)的256階FIR濾波器的系數(shù)設(shè)置是通過設(shè)置控制字512-767(I路)和控制字768-1023(Q路)來完成的,在此

15、濾波器的系數(shù)也是通過MATLAB預(yù)先計(jì)算好后來實(shí)現(xiàn)的。 2.2 HSP50214的參數(shù)設(shè)置 HSP50214是一個(gè)靈活的下變頻器,滿足許多通信中的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。主要完成將中頻數(shù)字信號(hào)變成基帶數(shù)字信號(hào)然后進(jìn)行抽取濾波和解調(diào),其功能模塊已在前面介紹過,在此不再贅述。HSP50214的工作時(shí)鐘有兩個(gè),CLKIN和PROCCLK。CLKIN作用于前端,而從半帶濾波器以后的部分的工作頻率為PROCCLK,根據(jù)要求CLKIN取48MHz,PROCCLK取24MHz。 HSP50214的輸入為455KHz中頻信號(hào),它的抽樣率為3MHz。以門控方式進(jìn)入HSP50214插值到48Msps,然后進(jìn)行混頻、抽取濾波和解

16、調(diào)。 在混頻之前是HSP50214的輸入單元,它主要控制的是輸入數(shù)據(jù)格式和輸入模式。其中輸入格式要和ADC的輸出格式相匹配,而AD9243的輸出數(shù)據(jù)格式為偏移二進(jìn)制數(shù)。輸入模式采用的是門控模式,CIC的設(shè)置、增益控制、抽取率等這些都在控制字0的相應(yīng)比特中設(shè)置。在HSP50214的混頻單元中,455KHz的載波NCO頻率將在控制字3中設(shè)置,載波頻率和控制字的值有如下關(guān)系 (2.3) fS為輸入信號(hào)的抽樣率值為48Msps,fc為載波頻率值為455KHz。由(5.2.3)可以計(jì)算出控制字的值為40712710。 在混頻之后的信號(hào)處理工作是抽樣率的抽取。HSP50214中抽樣率的抽取是由多級(jí)抽取濾波

17、器完成的,包括CIC濾波器、半帶濾波器和FIR濾波器。這些濾波器的抽取能力各不相同。CIC的抽取因子的范圍是4-32;如果使用全部五級(jí)半帶濾波器,則最大抽取率為32,FIR濾波器的最大抽取為16。因?yàn)閷?shù)字話和模擬話的輸出采樣率不同,所以對不同的通信方式我們要進(jìn)行不同的抽取,數(shù)字話輸出采樣率為96Ksps、模擬話輸出采樣率為46.875Ksps。對于FIR濾波器的系數(shù)我們也是通過用Matlab計(jì)算好后進(jìn)行設(shè)置,該濾波器的系數(shù)設(shè)置是通過改變控制字128-255來完成的。另外需要注意的是,因?yàn)槟M話和數(shù)字話的信號(hào)帶寬不同,所以在設(shè)置濾波器系數(shù)時(shí)兩種通信方式下是不一樣的。 笛卡爾坐標(biāo)到極坐標(biāo)轉(zhuǎn)換器將接收到I路和Q路信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榉群拖辔恍盘?hào),我們將相位信號(hào)送至鑒頻濾波器,有關(guān)鑒頻濾波器的參數(shù)設(shè)置是在控制字17中完成的,其中包括鑒頻器的使能、抽取率、FIR濾波器的結(jié)構(gòu)設(shè)置和FIR濾波器的抽頭數(shù)設(shè)置。鑒頻濾波器中FIR濾波器的系數(shù)設(shè)置是通過改寫控制字64-95。 在電路的調(diào)試中,我們需要看不同階段的信號(hào),主要包括:I路信號(hào)、Q路信號(hào)、幅度信息、相位信息和鑒頻后的頻率信息等。在此下變換器和DSP之間的接口是并行接口,有A和B兩路,其中A口主要輸出I路、幅度和頻率信息;B口主要輸出Q路、相位和幅度信息