用于MF-TDMA衛(wèi)星通信系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集卡設(shè)計(jì)

1 引言

目前，MF-TDMA多址方式被廣泛地應(yīng)用于衛(wèi)星通信體制中，主要用來(lái)承載IP通信的業(yè)務(wù)。在MF-TDMA衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，下變頻后的中頻模擬信號(hào)的數(shù)字化采集是對(duì)其進(jìn)行后端數(shù)字信號(hào)處理的基礎(chǔ)。目前，大部分?jǐn)?shù)據(jù)采集傳輸多采取基于PCI總線協(xié)議的高速數(shù)據(jù)傳輸方式，而基于母板加背板的系統(tǒng)，其模塊化程度、靈活性更高。例如，采用一塊用作數(shù)據(jù)處理的母板加一塊數(shù)據(jù)采集的AD板和一塊DA變換的DA板，就可以構(gòu)成一套完整的TDMA衛(wèi)星信號(hào)還原系統(tǒng)。

PCI Mezzanine Card(PMC)標(biāo)準(zhǔn)基于PCI協(xié)議。PMC背板的物理接口由4個(gè)64管腳的接插件組成，分別是PN1，PN2，PN3和PN4。采用PMC背板，是獲得高速數(shù)據(jù)傳輸和擴(kuò)展母板系統(tǒng)功能的一種良好方案。筆者設(shè)計(jì)了一種PMC背板標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集卡，該采集卡增加了數(shù)字下變頻(DDC)模塊對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，擴(kuò)展了系統(tǒng)功能。

2 數(shù)據(jù)采集卡硬件結(jié)構(gòu)

該采集卡采用的母板基于ADSP-TS201DSP芯片，并行信號(hào)處理板上有4片TS201，有2個(gè)PMC背板接口，用來(lái)完成MF-TDMA中頻模擬信號(hào)的A／D變換、數(shù)字下變頻(DDC)和數(shù)據(jù)的高速采集工作。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

先對(duì)中頻模擬信號(hào)進(jìn)行A／D變換后，數(shù)字信號(hào)分兩路傳輸：一路經(jīng)專用的DDC芯片進(jìn)行數(shù)字下變頻處理，調(diào)整信號(hào)的頻率和速率；一路直接送入FPGA，利用FP-GA的IP核設(shè)計(jì)DDC模塊，對(duì)其進(jìn)行下變頻。這樣，可根據(jù)需要靈活選擇數(shù)字下變頻模塊。本系統(tǒng)使用專用的DDC芯片實(shí)現(xiàn)數(shù)字下變頻，得到的基帶信號(hào)送入FPGA中。這時(shí)，為數(shù)據(jù)輸出也設(shè)計(jì)了兩條通路。一條通路是將FPGA作為局部總線處理器與PCI-IO接口芯片進(jìn)行通信，控制接口芯片實(shí)現(xiàn)局部總線和PCI總線的協(xié)議轉(zhuǎn)換，由PMC背板上PN1～PN3口定義的PCI總線接口將數(shù)據(jù)傳輸至主機(jī)或數(shù)據(jù)處理母板。另一條通路是利用PMC的PN4口自定義一個(gè)高速接口，通過(guò)FPGA的控制，將數(shù)據(jù)送至數(shù)據(jù)處理母板。其中，F(xiàn)PGA和PCI-IO接口芯片是整個(gè)系統(tǒng)的核心，最重要的數(shù)據(jù)傳輸及控制都由其協(xié)同工作完成。主要芯片有：

1) A／D芯片選用AD公司的AD6645芯片，14 bit量化輸出，采樣率105 MS／s，SFDR 100 dB，采樣時(shí)鐘80 MHz。

2) DDC芯片選用TI公司的GC4016芯片，提供4個(gè)獨(dú)立的下變頻通道，每個(gè)通道有I和Q兩路輸出，可配置數(shù)字下變頻的各種參數(shù)，如載頻、相位、濾波器系數(shù)、重采樣濾波系數(shù)、抽取因子、輸出模式等。每個(gè)控制寄存器都有一個(gè)唯一的5 bit地址，寄存器位寬為8 bit。

3) FPGA芯片選用ALTERA公司的高性能芯片EP2S60F484C5。

4) PCI-IO接口芯片選用PLX公司的PCI9656芯片，可完成64 bit／66 MHz PCI總線和32 bit／66 MHz用戶局端總線的協(xié)議轉(zhuǎn)換，是比較先進(jìn)的PCI接口芯片。

3 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)的總體軟件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，由主機(jī)應(yīng)用程序發(fā)送消息給設(shè)備PCI驅(qū)動(dòng)程序，驅(qū)動(dòng)程序接收到消息后翻譯成PCI總線上的I／O操作信息，再經(jīng)過(guò)PCI9656的總線協(xié)議轉(zhuǎn)換，通過(guò)局部總線將此消息傳遞給FPGA，最終由接口控制邏輯進(jìn)行相應(yīng)的處理。

1) FPGA接口控制邏輯設(shè)計(jì)

FPGA的接口控制邏輯主要完成以下工作：對(duì)PCI總線上發(fā)送的控制命令進(jìn)行譯碼、采集并簡(jiǎn)單處理DDC輸出的基帶數(shù)據(jù)、緩存數(shù)據(jù)、通過(guò)PCI總線或用戶自定義接口傳輸基帶數(shù)據(jù)等。圖3是接口控制邏輯的原理框圖。

首先，基帶數(shù)據(jù)采集模塊按照基帶數(shù)據(jù)的輸出時(shí)序?qū)⒂行?shù)據(jù)采集下來(lái)，再將數(shù)據(jù)送人兩個(gè)通道進(jìn)行傳輸：用戶自定義接口和PCI接口。例如使用PCI接口傳輸數(shù)據(jù)，當(dāng)數(shù)據(jù)寫入PCI接口FIFO至半滿時(shí)，發(fā)起一次局部端中斷，并被映射為PCI端中斷，響應(yīng)中斷后在中斷服務(wù)程序中啟動(dòng)一次PCI9656的DMA讀操作，將FIFO中的數(shù)據(jù)讀出，傳至主機(jī)或數(shù)據(jù)處理母板。

局部總線接口模塊用于FPGA和PCI9656的局部總線時(shí)序連接，即實(shí)現(xiàn)從模式寫操作和DMA讀操作的局部總線時(shí)序，按照PCI9656局部總線處理流程設(shè)計(jì)即可。

控制命令譯碼模塊用于將局部總線Space0地址存放的控制命令進(jìn)行譯碼輸出，再存儲(chǔ)在控制命令寄存器中，以控制系統(tǒng)的運(yùn)作。控制命令包括：FIFO的控制信號(hào)、PCI中斷使能、數(shù)據(jù)通路選擇信號(hào)等；DDC控制寄存器的片選信號(hào)、寫使能、讀使能、地址和數(shù)據(jù)等。控制命令采用PCI9656的從模式單周期寫操作進(jìn)行傳輸。

2) 設(shè)備PCI驅(qū)動(dòng)程序

基本功能是對(duì)設(shè)備進(jìn)行識(shí)別和初始化、對(duì)內(nèi)存和I／O端口進(jìn)行操作、對(duì)中斷進(jìn)行設(shè)置、響應(yīng)和調(diào)用等，來(lái)控制PCI總線上的數(shù)據(jù)操作。在本系統(tǒng)中，驅(qū)動(dòng)程序由PLX公司提供的軟件開發(fā)包(SDK)產(chǎn)生，將該開發(fā)包安裝在操作系統(tǒng)中，驅(qū)動(dòng)程序就可以直接應(yīng)用。

3) 主機(jī)應(yīng)用程序的開發(fā)

主機(jī)應(yīng)用程序完成的工作有：DDC控制寄存器的配置、數(shù)據(jù)采集與預(yù)處理的控制、中斷的控制、數(shù)據(jù)的采集、存盤等。主機(jī)應(yīng)用程序是基于PLX SDK中提供的APIDLL，利用VC++6.0程序框架開發(fā)的，該DLL文件名為PlxApi.dll。數(shù)據(jù)的采集、存盤是在一個(gè)獨(dú)立線程中完成的，具體的應(yīng)用程序流程如圖4所示。

4 測(cè)試方案及結(jié)果

在采集卡中，大部分?jǐn)?shù)據(jù)都是通過(guò)PCI接口傳輸?shù)?，而FPGA和PCI9656是PCI接口的核心，因此須對(duì)PCI9656局部總線時(shí)序進(jìn)行測(cè)試，保證PCI接口正常工作。在此基礎(chǔ)上，再對(duì)一個(gè)實(shí)際的MF-TDMA衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行采集測(cè)試，檢測(cè)其總體性能。

1) FPGA邏輯控制時(shí)序的測(cè)試

應(yīng)用PCI接口時(shí)，主要通過(guò)FPGA對(duì)PCI9656的局部總線進(jìn)行邏輯控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)總線時(shí)序，以達(dá)到數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪康摹?/P>

由測(cè)試結(jié)果得知，在FPGA中正確地實(shí)現(xiàn)了PCI接口的局部總線時(shí)序，數(shù)據(jù)傳輸正常。

2) 信號(hào)采集實(shí)測(cè)

保證PCI接口正常工作之后，實(shí)際選取一個(gè)MF-TDMA中頻模擬信號(hào)進(jìn)行采集實(shí)測(cè)。該中頻信號(hào)中心頻率為70.3 MHz，帶寬為400 kHz?；緶y(cè)試參數(shù)如下：A／D采樣率為80 MS／s；DDC輸出時(shí)鐘頻率為80 MHz；DDC載波頻率：70 MHz；DDC輸出模式：?jiǎn)瓮ǖ?，通道A；DDC輸出基帶信號(hào)的符號(hào)速率為1.52 Mbaud。

測(cè)試時(shí)，將該中頻模擬信號(hào)送人數(shù)據(jù)采集卡，對(duì)DDC進(jìn)行如上的配置，然后開始采集。將采集到的數(shù)字化中頻信號(hào)和基帶信號(hào)保存在文件Samplel.dat和Sam-ple2.dat中，用CoolEdit Pro軟件進(jìn)行回放，分析數(shù)據(jù)的波形、頻譜，檢驗(yàn)采集結(jié)果。圖5是下變頻之后得到基帶信號(hào)頻譜，信噪比SNR=59 dB。由于噪聲的干擾，損失了3 dB的信噪比，信號(hào)能量集中在300 kHz的頻率上。測(cè)試結(jié)果證明，中心頻率為70.3 MHz的中頻信號(hào)經(jīng)過(guò)A／D變換、DDC，以及PCI接口的傳輸，準(zhǔn)確采集到中心頻率為300 kHz的基帶信號(hào)。改變測(cè)試條件時(shí)，可以得到類似的效果。

5 小結(jié)

本文介紹了一種應(yīng)用于MF-TDMA衛(wèi)星通信系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集卡，采用基于PCI總線協(xié)議的PMC背板標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建，模塊化程度高、靈活性好。筆者對(duì)系統(tǒng)硬件架構(gòu)、FPGA的控制邏輯、PCI接口的實(shí)現(xiàn)、系統(tǒng)的控制等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析和設(shè)計(jì)。在完成硬件和軟件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，用Agilent1682AD邏輯分析儀和實(shí)際的MF-TDMA衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證。結(jié)果表明，該系統(tǒng)可以穩(wěn)定的工作，能夠準(zhǔn)確地采集到MF-TDMA中頻信號(hào)。