基于CPCI總線的GMSK調(diào)制系統(tǒng)研究*

陳 霞 涂書(shū)敏 曾 云

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第722研究所 武漢 430079)

1 引言

GM SK(最小高斯頻移鍵控)調(diào)制作為一種連續(xù)相位的恒包絡(luò)調(diào)制,具有頻譜緊湊、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn),在通信中得到了廣泛的應(yīng)用。在軍事通信中,GM SK調(diào)制與跳頻通信相結(jié)合,利用GMSK的恒包絡(luò),頻譜利用率高的特性以及跳頻通信的抗干擾、抗截獲特性,可以實(shí)現(xiàn)軍事通信中的高速,安全數(shù)據(jù)傳輸。

GMSK調(diào)制原理圖如圖1所示。

圖1 GMSK調(diào)制原理圖

圖1中的預(yù)調(diào)制濾波器為高斯低通濾波器,其單位沖激響應(yīng)為:

傳輸函數(shù)為:

式中:α是與高斯濾波器的3dB帶寬Bb有關(guān)的參數(shù),它們之間的關(guān)系為

如果輸入為雙極性不歸零矩形脈沖序列S(t):

式中:an為輸入數(shù)據(jù),T為碼元間隔。高斯預(yù)調(diào)制濾波器的輸出為:

式中:g(t)為高斯預(yù)調(diào)制濾波器的脈沖響應(yīng):

根據(jù)式GMSK信號(hào)的表達(dá)式可表示為:

2 系統(tǒng)原理

本調(diào)制系統(tǒng)是基于 CPCI總線開(kāi)發(fā)的,CPCI(Compact PCI)總線規(guī)范是由PICMG(PCI總線工業(yè)計(jì)算機(jī)制造商聯(lián)盟)負(fù)責(zé)制定和支持的,它基于PICMG2.0規(guī)范,在電氣、邏輯和軟件方面與PCI標(biāo)準(zhǔn)完全相同,CPCI標(biāo)準(zhǔn)將PCI標(biāo)準(zhǔn)特性與支持嵌入式應(yīng)用的堅(jiān)固機(jī)械外形完美結(jié)合在一起,其性能特征是專門(mén)針對(duì)工業(yè)環(huán)境而量身定制的。CPCI總線在時(shí)鐘頻率66MHz,總線寬度64bits時(shí),傳輸速度可高達(dá)528MBps,它可以有效地解決數(shù)據(jù)的高速實(shí)時(shí)傳輸問(wèn)題。

2.1 設(shè)計(jì)方案

本文的方案如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)的硬件原理圖

本調(diào)制系統(tǒng)采用了DSP+CPLD的方式,這種方式使整個(gè)系統(tǒng)具有高速實(shí)時(shí)、結(jié)構(gòu)靈活、通用性強(qiáng)等特點(diǎn),適合模塊化設(shè)計(jì),從而能夠提高效率,同時(shí)其開(kāi)發(fā)周期較短,系統(tǒng)容易維護(hù)和擴(kuò)展。由于DSP與PC主機(jī)通信是通過(guò)CPCI總線實(shí)現(xiàn)的,這樣整個(gè)系統(tǒng)在高速實(shí)時(shí)方面也具有較大的優(yōu)勢(shì)。

2.2 主要芯片簡(jiǎn)介

DSP芯片選用TI公司的TMS32OC6416T,該芯片為32位高性能定點(diǎn) DSP其主頻范圍在400MH z至600MHz,運(yùn)算速度高達(dá)4800M IPS,片上RAM達(dá)到8.256M bit。由于該芯片內(nèi)核采用超長(zhǎng)指令字(VLIW)體系結(jié)構(gòu),可以單周期執(zhí)行多條指令,所以能夠?qū)崿F(xiàn)很高的指令級(jí)并行效率。

AD9857是 Analog Devices公司推出的一種高性能通用數(shù)字正交上變頻器,它把一個(gè)高速直接數(shù)字合成器(DDS)、一個(gè)高性能高速14位數(shù)模轉(zhuǎn)化器(DAC)、時(shí)鐘倍頻電路、數(shù)字濾波器和其他數(shù)字信號(hào)處理(DSP)功能整合到了一塊芯片上,形成了一套完整的正交數(shù)字式上變頻裝置。AD9857有正交調(diào)制模式、單頻輸出模式和插值DAC模式三種工作模式。模式選擇、時(shí)鐘倍頻參數(shù)、濾波器參數(shù)、頻率字和幅度等參數(shù)的配置均可通過(guò)對(duì)串行控制接口向控制寄存器編程實(shí)現(xiàn)。

3 硬件設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)主要包含如下:DSP與CPCI插槽間的連接信號(hào)線;DSP最小系統(tǒng)的設(shè)計(jì)(含電源、時(shí)鐘、存儲(chǔ)電路等);CPLD對(duì)各芯片間的連接邏輯與時(shí)序的控制;AD9857與DSP間的數(shù)據(jù)通信。

3.1 CPCI總線的DSP的接口設(shè)計(jì)

TMS32OC6416T和其他DSP要加橋接芯片才可與PCI總線互連不同,它片內(nèi)集成了一個(gè)主/從模式的PCI接口,完全兼容CPCI。通過(guò)CPCI總線能夠?qū)崿F(xiàn)DSP與PCI主機(jī)的互連,可以訪問(wèn)DSP整個(gè)片內(nèi)RAM、集成外設(shè)以及片外存儲(chǔ)器(通過(guò)EM IF)。本系統(tǒng)將DSP的PCI接口設(shè)置為從模式。主要連線如圖3所示。

圖3 CPCI總線與DSP主要連線示意

3.2 DSP與AD9857數(shù)據(jù)通信

AD9857串口是一種完全兼容SPI模式的串口,通過(guò)該接口可以讀寫(xiě)AD9857的所有寄存器,控制單元根據(jù)各個(gè)寄存器的內(nèi)容設(shè)置AD9857的工作模式。因此,要實(shí)現(xiàn)DSP與AD9857的通信,只需將DSP的McBSP設(shè)置成SPI工作模式。本設(shè)計(jì)將McBSP設(shè)為SPI通信主設(shè)備,AD9857為從設(shè)備。具體接法如圖4所示。

圖4 DSP與AD9857主要接線示意

在DSP與AD9857通信系統(tǒng)中,對(duì)AD9857內(nèi)部寄存器的參數(shù)配置是十分重要的。具體需要配置參數(shù)如下:工作模式、時(shí)鐘倍頻系數(shù)、插值濾波器系數(shù)、DDS頻率控制字和DA輸出增益控制等。這些配置參數(shù)由DSP通過(guò)McBSP串口進(jìn)行配置。

在硬件設(shè)計(jì)中需要注意的是一定要保證DSP與AD9857的同步,否則會(huì)造成數(shù)據(jù)丟失,兩者之間無(wú)法正確的通信。設(shè)計(jì)時(shí)在CPLD內(nèi)通過(guò)邏輯將串口的發(fā)送數(shù)據(jù)的幀同步信號(hào)FSX直接與AD9857的串口的幀同步信號(hào)SYNCI0相連,即可很好地解決兩者之間的同步問(wèn)題。

4 軟件設(shè)計(jì)

GMSK信號(hào)可以表示為正交形式,即

由上式可以構(gòu)成一種波形存儲(chǔ)正交調(diào)制器,其原理圖如圖5所示。

圖5 波形存儲(chǔ)正交調(diào)制法原理框圖

結(jié)合上述原理框圖,可知本調(diào)制系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)方法為:DSP通過(guò)CPCI總線接收原始數(shù)據(jù)并對(duì)其進(jìn)行預(yù)編碼,經(jīng) DSP查表(DSP預(yù)先生成的GMSK相位查找表)及相應(yīng)處理得到14位字長(zhǎng)(含符號(hào)位)的I、Q基帶定長(zhǎng)數(shù)據(jù)后,在并行輸入時(shí)鐘控制下,兩路數(shù)據(jù)交替被送入AD9857,經(jīng)過(guò)一系列數(shù)字化處理(濾波、插值等)后,進(jìn)入正交調(diào)制部分。AD9857內(nèi)核為正交調(diào)制提供一個(gè)正交(sin或cos)片內(nèi)振蕩信號(hào),I、Q數(shù)據(jù)通過(guò)與各自載波相位相乘再求和,產(chǎn)生一個(gè)正交調(diào)制數(shù)據(jù)流,數(shù)據(jù)流經(jīng)AD9857內(nèi)部DAC轉(zhuǎn)換可直接生成通信所需GMSK信號(hào)。

軟件實(shí)現(xiàn)的核心是對(duì)DSP進(jìn)行編程,主要包括與CPCI通信子程、數(shù)字基帶處程序(編碼、交織等)、與AD9857串口通信子程以及并口傳輸數(shù)據(jù)中斷程序等。軟件實(shí)現(xiàn)的主程序流程如圖6所示。

圖6 軟件實(shí)現(xiàn)的主程序流程圖

5 結(jié)語(yǔ)

基于CPCI總線,配以數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)大的DSP和邏輯處理能力高效的CPLD組成GM SK調(diào)制系統(tǒng),在高速性、實(shí)時(shí)性、通用性方面具有很大的優(yōu)勢(shì)。從理論上說(shuō),各種通信信號(hào)都可以用正交調(diào)制的方法加以實(shí)現(xiàn),因此,此調(diào)制平臺(tái)對(duì)多個(gè)頻段的MSK、MFSK、QPSK和QAM 調(diào)制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)具有很好的借鑒意義。

[1]Analog Devices.Inc.CMOS 200MSPS 14-Bit Quadrature Digital Upconverter AD9857 rev.C

[2]宋澤宇,涂書(shū)敏,呂雪峰.基于軟件無(wú)線電激勵(lì)技術(shù)研究[J].艦船電子工程,2006,26(4)

[3]王振偉.短波調(diào)頻GMSK傳輸?shù)年P(guān)鍵技術(shù)研究[D].長(zhǎng)沙:國(guó)防科技大學(xué)工學(xué)碩士論文,2006,11:12～22

[4]王士林,陸存樂(lè).現(xiàn)代數(shù)字調(diào)制技術(shù)[M].北京:人民郵電出版社,1987,8

[5]沈振元,等.通信系統(tǒng)原理[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,1999,4

[6][美]Texas Instruments Incorporated.TMS320C6000系列DSP編程工具與指南[M].田黎育,何佩琨,朱夢(mèng)宇,譯.北京:清華大學(xué)出版社,2006:235～429

[7]Tom Shan ley,Don Anderson.PCISystem A rchitecture[M].北京:電子工業(yè)出版社,2000