一種基于DSP+FPGA的軟件無線電平臺的設(shè)計及應(yīng)用
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隨著無線通信的發(fā)展，出現(xiàn)了多種模式的通信體制，為了滿足互通性的問題，軟件無線電的思想被提出來。所謂軟件無線電，其中心思想是：構(gòu)造一個具有開放性、標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的通用硬件平臺，將通信的各種功能通過軟件來完成，并使寬帶A/D和D/A轉(zhuǎn)換器盡可能靠近天線，以研制出具有高度靈活性、開放性的新一代無線通信系統(tǒng)。由于軟件無線電可以通過增加軟件模塊來增加新的功能，而且硬件也可以隨著器件的發(fā)展而不斷地升級，所以這一概念一經(jīng)提出就受到了廣泛的關(guān)注。
OFDM（orthogonal frequency division multiplexing，正交頻分復(fù)用）是一種具有多種優(yōu)點的傳輸系統(tǒng)，目前已經(jīng)有很多應(yīng)用，而且隨著第四代（4G）無線通信系統(tǒng)的研究進(jìn)入實質(zhì)性階段，OFDM極有可能成為4G中的傳輸方案。本文在此背景下，設(shè)計了一種基于軟件無線電的平臺，并在此平臺上實現(xiàn)了OFDM傳輸系統(tǒng)，
系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計
目前受器件的限制，軟件無線電一般都采用中頻采樣的結(jié)構(gòu)，這樣做既兼顧了軟件無線電的思想，又能在目前的器件水平下搭建實際可應(yīng)用的系統(tǒng)。本文的軟件無線電平臺也采用了這一結(jié)構(gòu)。隨著無線通信系統(tǒng)的發(fā)展都在朝著高速率、可移動性方向發(fā)展，因此本平臺的設(shè)計也必然要適應(yīng)寬帶無線通信系統(tǒng)的要求。
平臺結(jié)構(gòu)
平臺主要針對系統(tǒng)物理層中的中頻和基帶處理單元而設(shè)計。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。平臺由一個DSP（TMS320C6414T）、兩片F(xiàn)PGA（Cyclone EP1C6Q240C8）、上變頻芯片DUC（AD9857）、下變頻芯片DDC（HSP50214B）等構(gòu)成。
圖1 平臺結(jié)構(gòu)圖
根據(jù)信號處理模塊和各芯片數(shù)據(jù)處理的特點，我們將各通信模塊分配到不同的器件中來完成。DSP的主頻很高，而且內(nèi)部資源豐富，支持高級語言的編程，適合于串行的算法，用來完成協(xié)議和基帶處理；FPGA配置靈活多變，雖然主頻不太高，但是鑒于其并行處理能力突出，用于完成時鐘分配、芯片設(shè)置、接口轉(zhuǎn)換等；AD9857和HSP50214B是用于上下變頻的ASIC，集成程度高，參數(shù)設(shè)置靈活，可以滿足多模式的數(shù)字上下變頻，數(shù)據(jù)速率變換和濾波。下面簡要介紹一下平臺上器件的性能。
器件介紹
● DSP
平臺選用的DSP芯片是TI公司的TMS320C6416T芯片。該處理器屬于32位定點處理器，主頻1GHz，內(nèi)部集成豐富的外設(shè)和接口。在指令結(jié)構(gòu)上，擴展了尋址指令、位域指令、打包解包、控制轉(zhuǎn)移等指令，增強了芯片的處理能力。在計算2048點的復(fù)數(shù)FFT運算時，可以在大約26 000個時鐘周期內(nèi)完成。
6416T主要包含的模塊有：1）兩個通用寄存器組，64個32位通用寄存器；2）8個功能單元，6個ALU（32/40b），兩個乘法器（16×16）；3）一共8.256Mb的兩級緩存內(nèi)部存儲；此外，還有圖1中沒有列出的Viterbi編解碼協(xié)處理器（VCP）和Turbo碼編解碼協(xié)處理器（TCP）。VCP支持500路7.95Kb/s AMR，TCP可以處理6路2Mb/s 3GPP。
接口方面包括：1）多通道EDMA控制器；2）多通道緩沖串口（MCBSP）；3）高性能外部存儲器接口（EMIF）；4）可訪問DSP的整個存儲空間的主機口（HPI）；這里不在一一列舉。
● 上變頻芯片AD9857
AD9857是一款高性能的數(shù)字上變頻器，最高時鐘為200MHz，根據(jù)外時鐘的范圍，可以選擇0～80MHz的任意中頻輸出；芯片還具有兩級內(nèi)插功能，可以實現(xiàn)4倍固定內(nèi)插和2～64倍可選內(nèi)插倍數(shù)，便于多數(shù)據(jù)速率變換；14b的DAC。
● A/D變換器AD9051
ADC選用ADI公司的AD9051，最高采樣速率達(dá)到60MSPS，10b輸出，對于中心頻率較低的中頻信號可以進(jìn)行直接采樣，中頻值較高的則運用帶通采樣方式。
●下變頻芯片HSP50214B
HSP50214B是專用數(shù)字下變頻芯片中綜合性能最好的，除數(shù)字下變頻外還具有最高255階可編程FIR濾波器，0～96dB動態(tài)范圍的 AGC自動增益控制，數(shù)據(jù)速率變換包括4～32倍CIC抽取和5級HB抽取，以及FIR1-16倍抽取，坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，鑒頻等功能，而且具有四種輸出形式，接口靈活。
● FPGA
由于平臺上的中頻處理由ASIC完成，所以FPGA選用了CycloneⅡ EP1C6Q240C8，這是一款低端的FPGA芯片，邏輯單元只有6000門，主要用來完成時鐘分配，接口轉(zhuǎn)換，ASIC控制字配置，以及作為DSP的協(xié)處理器的補充。
該平臺較好的整合了DSP、ASIC和FPGA，兼顧了系統(tǒng)的通用性和復(fù)雜度，ASIC的應(yīng)用減少了系統(tǒng)配制時的軟件設(shè)計復(fù)雜度。
OFDM收發(fā)信機的實現(xiàn)
OFDM技術(shù)是當(dāng)前的熱門技術(shù)之一，與傳統(tǒng)的傳輸技術(shù)相比，OFDM具有：1）降低了子載波的數(shù)據(jù)速率，減小了無線信道引起的ISI，有效的降低了多徑干擾；2）采用若干相互正交的子載波，頻譜有重疊，最大限度地提高頻譜效率；3）采用IFFT和FFT進(jìn)行調(diào)制和解調(diào)，硬件實現(xiàn)簡單；所以，盡管存在峰均比較高以及對頻偏敏感等問題，OFDM仍然不失為一種性能優(yōu)良的傳輸方式。目前采用了OFDM的標(biāo)準(zhǔn)主要有數(shù)字音頻廣播（DAB）、數(shù)字視頻廣播（DVB）、歐洲無線局域網(wǎng)Magic WAND、802.11、非對稱數(shù)字用戶線（ADSL）等。為此，我們在本平臺上實現(xiàn)了OFDM的收發(fā)信機。
本OFDM系統(tǒng)采用了如下的基帶和中頻結(jié)構(gòu)，如圖2所示。圖2中，音頻編碼采用了G.729標(biāo)準(zhǔn)，加擾采用了9位的反饋移位寄存器產(chǎn)生的偽隨機序列，壓擴部分為μ律壓擴變換，其中μ=3。另外，系統(tǒng)子載波個數(shù)為2048，載波間隔1kHz，中頻40.96MHz。圖中的結(jié)構(gòu)幾乎包括了所有 OFDM系統(tǒng)應(yīng)有的處理單元，具有一定的代表性，在此基礎(chǔ)上經(jīng)過必要的參數(shù)修改，可以演變出絕大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)。為了便于接收端的同步處理，在幀結(jié)構(gòu)上采用了類似DAB的結(jié)構(gòu)，每幀76個符號，其中第一個符號為空符號，第二個符號為固定的相位參考符號。
圖2 OFDM系統(tǒng)框圖
通過對各模塊功能的分析，并結(jié)合本平臺上各器件的特點，對各模塊的實現(xiàn)在平臺上進(jìn)行分配。圖3顯示了這種分配方式。
圖3 OFDM系統(tǒng)處理流程
數(shù)據(jù)接口方面，發(fā)射端DSP將經(jīng)過基帶處理以后成幀的信號通過EMIF接口發(fā)送到FPGA的FIFO中緩存，然后數(shù)據(jù)進(jìn)入數(shù)字上變頻器，進(jìn)行40.96MHz的上變頻，上變頻后的數(shù)據(jù)經(jīng)過4倍固定內(nèi)插和CIC的24倍內(nèi)插后經(jīng)過D/A輸出，形成OFDM中頻信號。如圖4所示。
圖4 OFDM中頻信號頻譜儀截圖
接收端對中頻信號以32.768MHz進(jìn)行帶通采樣，數(shù)字下變頻器對采樣后8.192MHz的鏡像頻率進(jìn)行數(shù)字下變頻，之后對信號進(jìn)行16 倍的抽取，使信號速率下降到2M，HSP50214采用并行直接輸出的模式，分兩路分別輸出16b的IQ兩路數(shù)據(jù)，F(xiàn)PGA通過并串轉(zhuǎn)換，將數(shù)據(jù)通過 MCBSP送入DSP進(jìn)行同步處理和基帶處理，得到原發(fā)送信息。
結(jié)論
本文提出了一種基于DSP、FPGA以及ASIC的軟件無線電平臺，并在該試驗平臺上完成了OFDM系統(tǒng)的基帶和中頻設(shè)計，并且經(jīng)過了實際的驗證，系統(tǒng)運行情況良好，有效地支持多種通信模式，是一種應(yīng)用廣泛的軟件無線電平臺。目前正在對功率放大器的基帶預(yù)失真技術(shù)進(jìn)行研究，以進(jìn)一步的改善系統(tǒng)性能。
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