一種小型化數(shù)字無(wú)線(xiàn)電信號(hào)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳曉博

[摘 要]本文提出了一種基于PC104的數(shù)字無(wú)線(xiàn)電信號(hào)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，并給出了具體實(shí)現(xiàn)方法。該系統(tǒng)采用高速A/D 轉(zhuǎn)換器采集數(shù)字無(wú)線(xiàn)電信號(hào)，利用FPGA 和blackfin處理器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分發(fā)，通過(guò)PC104 總線(xiàn)完成數(shù)據(jù)的傳輸，最后通過(guò)上位機(jī)上的應(yīng)用程序執(zhí)行對(duì)數(shù)字無(wú)線(xiàn)電信號(hào)的監(jiān)測(cè)。應(yīng)用結(jié)果表明，該系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單，具有較高的實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性，具有較好的推廣前景和經(jīng)濟(jì)效益。

[關(guān)鍵詞] 數(shù)字無(wú)線(xiàn)電； PC104； FPGA； 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

中圖分類(lèi)號(hào)：TN98 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-914X（2016）08-0279-01

1 無(wú)線(xiàn)電監(jiān)測(cè)技術(shù)

無(wú)線(xiàn)電監(jiān)測(cè)指的是無(wú)線(xiàn)電監(jiān)測(cè)部門(mén)使用先進(jìn)的技術(shù)手段以及設(shè)施，測(cè)量無(wú)線(xiàn)電發(fā)射的頻率、頻率誤差、發(fā)射帶寬以及射頻電臺(tái)等基本參數(shù)，監(jiān)聽(tīng)信號(hào)并識(shí)別確定發(fā)射標(biāo)識(shí)，統(tǒng)計(jì)頻段利用率以及頻道占用度，之后對(duì)信號(hào)的使用情況展開(kāi)分析。無(wú)線(xiàn)電管理工作是關(guān)乎到一個(gè)國(guó)家的安全穩(wěn)定、國(guó)防建設(shè)以及經(jīng)濟(jì)發(fā)展等關(guān)乎國(guó)計(jì)民生的重大事項(xiàng)，其中無(wú)線(xiàn)電監(jiān)測(cè)是其中的重要任務(wù)。本文提出了一種基于PC104的數(shù)字無(wú)線(xiàn)電信號(hào)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。

2 數(shù)字無(wú)線(xiàn)電信號(hào)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)的構(gòu)成

系統(tǒng)數(shù)據(jù)信號(hào)的傳遞關(guān)系構(gòu)圖如圖1所示，系統(tǒng)包括上位機(jī)監(jiān)測(cè)平臺(tái)、信號(hào)采集和解碼模塊以及PC104總線(xiàn)控制模塊。該系統(tǒng)采用74LVH162245進(jìn)行相應(yīng)的電平轉(zhuǎn)換，通過(guò)PC104總線(xiàn)完成監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的交互工作。

2.2 信號(hào)采集和解碼模塊

如圖2所示，數(shù)字無(wú)線(xiàn)電信號(hào)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的信號(hào)采集和編碼部分主要由Blackfin處理器、編解碼器和高速A/D 3三部分組成。ADSP-BF606 處理器屬于A(yíng)DI 公司的Blackfin系列產(chǎn)品，采用ADI 公司/Intel 微信號(hào)架構(gòu)。BF606 處理器的3 個(gè)同步串行端口（ SPORT） 可以方便地連接到音頻編碼器、ADC 和DAC。這些串行端口由2 條數(shù)據(jù)線(xiàn)、1 條時(shí)鐘線(xiàn)和1 條幀同步線(xiàn)組成。數(shù)據(jù)線(xiàn)可以編程為發(fā)送或接收數(shù)據(jù)，各數(shù)據(jù)線(xiàn)有一個(gè)專(zhuān)用DMA通道。串行端口數(shù)據(jù)可以通過(guò)專(zhuān)用DMA 通道自動(dòng)寫(xiě)入和讀取片內(nèi)存儲(chǔ)器/外部存儲(chǔ)器。每個(gè)串行端口都可以與另一個(gè)串行端口合作以提供時(shí)分復(fù)用（ TDM） 支持。一個(gè)SPORT 提供兩個(gè)發(fā)送信號(hào)，另一個(gè)SPORT 提供兩個(gè)接收信號(hào)。ADC 控制模塊（ ACM） 用于同步處理器與模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ ADC） 之間的控制。ACM 可以靈活安排采樣時(shí)刻，向ADC 提供精密采樣信號(hào)。首先數(shù)字無(wú)線(xiàn)電信號(hào)經(jīng)過(guò)下變頻至中頻后，通過(guò)AD9243 對(duì)模數(shù)進(jìn)行變換。BF606 處理器對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行數(shù)字下變頻后進(jìn)行相應(yīng)的解調(diào)，并通過(guò)HE-AAC 解碼器進(jìn)行解碼，完成數(shù)字無(wú)線(xiàn)電信號(hào)的采集和解碼處理任務(wù)。

2.3 PC104總線(xiàn)控制模塊

本文Altera 公司的cycloneIII系列FPGA 芯片EP3C25F256C7N，通過(guò)控制邏輯來(lái)按照PC104 總線(xiàn)的時(shí)序進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。該芯片具有200 Kbits 邏輯單元、8 Mbits嵌入式存儲(chǔ)器以及396 個(gè)嵌入式乘法器，能夠在控制其他芯片工作的同時(shí)，將采集的信號(hào)數(shù)據(jù)傳輸給上位機(jī)。FPGA 在一個(gè)總線(xiàn)操作周期內(nèi)的工作流程按如下順序進(jìn)行。

（1） FPGA 上電后，首先進(jìn)行全局復(fù)位，數(shù)據(jù)總線(xiàn)設(shè)置為三態(tài)，地址鎖存清零；（2） 等待BALE 信號(hào)進(jìn)入下降沿的有效狀態(tài)，對(duì)PC104 的地址總線(xiàn)進(jìn)行鎖存； （3） 等待IOR/IOW信號(hào)有效，對(duì)地址進(jìn)行解碼，將鎖存的地址信息譯碼；（4） 對(duì)地址進(jìn)行比對(duì)，若比對(duì)正確則準(zhǔn)備就緒，若比對(duì)不正確則將地址鎖存器清零，數(shù)據(jù)總線(xiàn)設(shè)置為三態(tài)；（5） 等待PC104 數(shù)據(jù)周期有效時(shí)，接收上位機(jī)控制板傳輸過(guò)來(lái)的動(dòng)作命令數(shù)據(jù)；（6） 以輸入輸出端口的OE信號(hào)為觸發(fā)脈沖，對(duì)所采集解碼的信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行鎖存控制；（7） 等待OE信號(hào)拉低，數(shù)據(jù)鎖存結(jié)束，將數(shù)據(jù)通過(guò)總線(xiàn)傳輸給上位機(jī)控制板；（8） 等待數(shù)據(jù)傳輸周期結(jié)束，將地址鎖存清零，數(shù)據(jù)總線(xiàn)設(shè)置為三態(tài)；（9） 等待下一個(gè)時(shí)鐘周期到來(lái)，再次重復(fù)進(jìn)行讀寫(xiě)操作。

2.4 上位機(jī)監(jiān)測(cè)模塊

本系統(tǒng)采用深圳盛博公司的PC104 模塊SCM9022 作為上位機(jī)監(jiān)測(cè)模塊硬件平臺(tái)，其處理器為英特爾凌動(dòng)N455 處理器，使用了1 GB 的DDR3 內(nèi)存，具有8 路GPIO 接口和6 個(gè)串口，支持18 bit 的LVDS 和VGA 顯示。SCM9022 的硬件資源可以滿(mǎn)足對(duì)所需要監(jiān)測(cè)信號(hào)的處理，用戶(hù)可以方便地使用其通用的外設(shè)接口完成必要的人機(jī)交互。

3 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件的程序?qū)嵤╇x不開(kāi)硬件的支持，數(shù)字無(wú)線(xiàn)電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟件部分主要運(yùn)行在上位機(jī)硬件平臺(tái)上。應(yīng)用程序能夠?qū)?shù)字無(wú)線(xiàn)電信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并把采集到的數(shù)字無(wú)線(xiàn)電信號(hào)在顯示器上實(shí)時(shí)更新。為了避免因意外斷電引起操作系統(tǒng)的崩潰，此方案選擇在上位機(jī)硬件平臺(tái)運(yùn)行Windows XP Embedded 操作系統(tǒng)。我們采用VC++對(duì)應(yīng)用程序進(jìn)行源代碼的編寫(xiě)和調(diào)試，應(yīng)用程序調(diào)試編譯成功后，生成.exe 可執(zhí)行程序，在操作系統(tǒng)上電后自動(dòng)按照默認(rèn)配置開(kāi)始運(yùn)行。

應(yīng)用程序啟動(dòng)后，首先通過(guò)PC104 總線(xiàn)將用戶(hù)對(duì)信號(hào)采集和解碼模塊的配置命令發(fā)給PC104 總線(xiàn)控制模塊，該模塊完成對(duì)總線(xiàn)的驅(qū)動(dòng)并與嵌入式處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，使得信號(hào)采集和解碼模塊開(kāi)始正常工作。上位機(jī)在接收到中斷信號(hào)后對(duì)緩存中的信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取和處理，進(jìn)而在應(yīng)用程序中對(duì)信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示，同時(shí)將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)進(jìn)行存儲(chǔ)，供事后做進(jìn)一步的分析和處理。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文采用上位機(jī)監(jiān)測(cè)平臺(tái)、PC104 總線(xiàn)控制模塊以及信號(hào)采集和解碼模塊相互協(xié)作的方式設(shè)計(jì)了一種小型化的數(shù)字無(wú)線(xiàn)電信號(hào)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有低功耗、性能穩(wěn)定、體積精簡(jiǎn)、抗震性強(qiáng)的性能，運(yùn)行可靠穩(wěn)定，可以給予大力推廣。

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