基于DSP软件无线电数字调制解调技术的应用研究

摘要:该系统主要是研究基于软件无线电思想的调制解调技术。在以TI公司的TMS320C6711数字信号处理器(DSP)为核心的软件无线电平台上实现FSK,QPSK,QAM等多种制式的调制解调功能,通过对主机中虚拟平台的操作,实现对调制解调制式的实时选择和数据测量的实时显示,并以QPSK为例进行了观察和分析。

关键词:软件无线电;TMS320C6711;数字信号处理;调制解调

中图分类号:TP332文献标识码:A文章编号:1009-3044(2010)10-2510-03

The Application Research on DSP-based Software Radio's Digital Modem Technology

MAO Xiao-yan

(College of Communication and Electric Engineering, Hunan University of Arts and Science, Changde 415000, China)

Abstract: The system is mainly studying the technology of the modem based on the thought of software defined radio. We try to realize many kinds of functions of modulation and demodulation such as FSK,QPSK,QAM on the platform of software defined radio centring on the digital signal processor (DSP) of TMS320C6711 in the TI Company .By operating the suppositional platform in the host machine, we not only try to choose the proper the format of modulation and demodulation and measure the datum but also observe and analyse QPSK as an example.

Key words: software radio; TMS320C6711; DSP; modulation and demodulation

软件无线电就是以开放性、标准化、模块化的最简硬件为平台,通过加载各种应用软件实现一个具有高度灵活性、开放性的无线通信系统。数字信号处理是软件无线电硬件平台实现的关键技术,而DSP(数字信号处理)只能对数字信号进行处理,所以,调制解调技术也就成了软件无线电技术研究的核心内容,调制解调器的软件化是软件无线电实现开放性、通用性的关键环节。

1 系统结构

系统结构如图1所示。该系统是以TMS320C6117开发板为基础的硬件平台,开发板上自带有TMS320C6711芯片及基本的硬件,通过扩展数据收发装置及DSP硬件,可以实现外部信号的采集和输出,功放部分则放大有用信号。由于所用DSP为数字信号处理芯片,所以采集的模拟信号必须通过A/D电路转换成数字信号,并将处理后的数字信号通过D/A转换电路转换成模拟信号输出。DSP程序由系统的Flash存储器存储,由PCI总线在主机端进行动态加载,这样该系统就可以通过更改输人的数据进行相应处理,大大增加了系统使用的灵活性。而主机与硬件的实时通信通过DSP与HPI(主机接口)来实现。在PC机中用软件设计了虚拟仪器(VI)控制显示平台,实现对硬件处理的控制及显示。用户可以通过友好的图形界面输入数据选择不同的调制解调方式,并通过数据通信接口将数据注入PC机,在虚拟仪器平台中实现数据的分析处理、图形表达。

2 TMS320C6711简介

随着DSP技术的迅速发展,DSP芯片的速度、性价比不断提高,并被广泛应用于控制、通信、图像处理等各个领域。美国德州仪器(简称TI)公司的系列产品应用最为广泛,在本文中采用的就是TI公司浮点系列TMS320C6711,由于软件无线电是对整个工作频段(25MHz左右)进行数字化,中频和基带处理采用数字信号处理方式。所以,数字信号处理技术是软件无线电技术的工作重心。TMS320C6711是一种高性能的浮点处理器,它采用哈佛结构,程序总线与数据总线分开,取指令和执行指令可以并行运行。片内集成大容量SRAM存储器,提供多种集成外设及VLIW并行高效指令集。

由于TMS320C6711有着它不可比拟的优越特征,使得它能够实时的调整实现一些比较复杂的信号处理。符合软件无线电中对数字信号处理器要求高的特点,对于软件无线电的研究和软件智能化都起到很好的作用。

3 模块设计

3.1 数模转换(DA)模块的设计

数模转换(DA)模块的功能就是将数字信号模拟化,在进行数字调制过程中,通过D/A模块将DSP输出的已调数字信号转换为模拟信号,为解调部分提供已调的模拟信号。该模块选用了AD公司的芯片AD5320, 它利用一个3线串行接口,能与标准的DSP接口标准兼容。AD5320的基准来自电源输入端,因此提供了最宽的动态输出范围。该器件含有一个上电复位电路,保证D/A转换器的输出稳定在0V,直到接收到一个有效的写输入信号。它是单片12位电压输出D/A转换器,调制后的波形通过片内高精度输出放大器放大后输出。

3.2 模数转换(AD)模块的设计

本系统模数转换器选用了AD公司的AD7822芯片,AD7822是具有20个引脚,8位模数转换芯片,最大采样率为2MSPS。单极性输入,采样分辨率8BIT,并行输出;具有转换后自动Power-Down的模式,电流消耗可降低至5μA以下。转换时间最大为420ns, SNR可达48dB,INL及DNL都在±0.75 LSB以内。由于模拟信号不能直接送入DSP中,必须先由模数转换器(AD)转换为数字信号后,再送入DSP中进行处理。

AD7822以并行的方式和DSP相连,AD7822的8位并行输出端口DB0-DB7与DSP的低8位数据线D0-D7相连。模拟的已调信号首先送入模拟放大器LM1458进行两级放大,放大后的信号由输入引脚VIN进入AD7822进行模数转换,经过数字化后的信号并行送入DSP,在DSP中对数字化的已调信号进行解调和基带处理。

3.3 主机通信接口设计

主机接口HPI是TI公司的TMS320C6711DSP上配置的可以进行双向数据通信的片内外设。它是一个8位并行口,用来与主设备和主处理器进行通信,同时也可以作为通用的输入/输出口使用,通过对通用输入/输出控制寄存器(GPIOCR)和通用输入/输出状态寄存器(GPIOSR)的配置,把HPI的HD0和HD1设置为通用输入/输出端口的输出引脚,通过这两个输出测试端口可以观测到数字解调后的基带信号波形。

4 软件设计

软件无线电控制显示平台主要目的就是要实现软硬件连接后在仪器上形成一个完整的系统,该系统使用动态链接库文件实现与TMS320C6711DSP板子的HPI通信。根据设计的调制解调算法,基于6711DSK板的硬件平台,利用C语言编写相应的DSP程序,在6711DSK板上通过加载程序完成多种调制解调方式的设计。

4.1 DSP接口软件设计

系统要实现多制式的调制与解调,这部分功能要通过DSP软件实现, DSP选用了TI公司的TMS320C6711芯片。设计中DSP与电路的连接主要通过主机接口(HPI)、多通道缓冲串口(McBSP)和8位的并行数据总线。TMS320C6711中有两个McBSP,系统中用McBSP0与AD5320以SPI方式连接,由BDX0引脚把调制后的信号送入DA中进行数模转换。AD7822与DSP采用并行连接方式,AD7822送来的并行数据由8位的并行数据总线进入DSP,载波信号在DSP中通过编程实现,得到的某一频率的正弦波和余弦波由于不涉及信道编解码,因此,调制后的信号可直接在DSP内通过调用解调函数进行解调算法的实现。现以QPSK为例,其具体实现如下:

四相位QPSK是利用载波初相位在(0,2π)中以π/2等间隔取四种不同值来表征四进制码元的四种状态信息。QPSK的一般表达式是:

在式中,k是寄托信息的相位参数,共有4种相位取值,在任一码元持续时间2Ts内,随着输入数字序列的变化,φk将有四种不同的取值。π/2系列的0、π/2、π和3π/2或者π/4系列π/4、3π/4、5π/4、7π/4分别表示两比特数字信号00、01、11、10。

据上面的分析可以得到QPSK的软件调制方法。常用的方法有相位选择法和正交调制法两种。我们采用相位选择法来完成,其实现框图如图2所示。输入的二进制数字序列首先经过串并转换成为双极性NRZ码,如图3所示。将输出的双极性NRZ码分成I路和Q路分量,奇比特变为I路分量,偶比特变为Q路分量。 并将这两路信号的信息速率延拓为原来的二倍,即每个符号的持续时间内有2N个采样点,得到的信号脉宽与原来的双极性码有相同的脉宽。然后将I路与Q路信号分别与载波相乘,加到一起便得到QPSK信号,其信号波形如图4所示。

4.2 其他模块设计

本系统中所用到的时序和逻辑控制信号不是很复杂,DSP片内提供的多通道控制器主要完成系统的时序和逻辑控制、地址分配以及分频等功能。FLASH模块是作为系统的程序存储器的,通过调试的程序可以烧写进FLASH中,从而使模块在脱离系统的软件仿真环境情况下,上电复位后能自动加载存储在FLASH中的程序,增强了实验的灵活性。图5为QPSK软件设计流程图。

5 结束语

本系统是以高性能的DSP为核心搭建的软件无线电硬件平台,在与PC机相结合的基础上,通过对DSP软件部分的处理,可以完全实现FSK、QAM和QPSK等多种制式的调制解调功能,充分的体现了软件无线电灵活性强、开放性强和可升级性的设计思想。

参考文献:

[1] 张宏,王永德,何培宇.用DSP产生高频、高精度余弦波的一种快速方法[J].四川大学学报:自然科学版,2004,41(3):547.

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[3] 李方慧.TMS320C6000 系列DSPs 原理与应用[M].北京:北京航空航天大学出版社,2003.