基于TMS320LC31和數(shù)字下變頻器實現(xiàn)多路中頻數(shù)字化直擴系統(tǒng)的的設(shè)計

作者：邢富領(lǐng)，劉輝，劉志盟，左繼章

擴頻通信具有抗干擾、抗多徑、低截獲概率等優(yōu)點。20世紀70年代以來，擴頻通信的理論和方法得到了很大發(fā)展。直接序列擴頻（直擴）作為擴頻通信的一種常用方式，已成功地應(yīng)用于軍事和民用通信中，并已成為第三代移動通信系統(tǒng)的核心技術(shù)之一，充分顯示了其顯著優(yōu)點和強大生命力。

擴頻通信是以增加信息傳輸?shù)膸挒榇鷥r的。而現(xiàn)有的頻帶資源非常有限，為了提高單位帶寬內(nèi)信息傳輸?shù)乃俾?，筆者提出采用直接序列擴頻CDMA思想。在發(fā)端，將一路串行的數(shù)據(jù)信息經(jīng)串/并轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換為N路并行的數(shù)據(jù)信息，然后分別用N個相互正交的PN碼對每路信息進行調(diào)制完成擴頻，形成N路擴頻的基帶信息，每路基帶信息再經(jīng)過基帶成形濾波，上變頻調(diào)制到同一中頻后再將N路信號合成送給射頻接口完成發(fā)送。在收端，用與發(fā)端相同的N個PN碼分別與接收信號進行互相關(guān)運算，然后與判決門限比較獲取同步信息，比較互相關(guān)值大小獲得用戶數(shù)據(jù)，將恢復(fù)的N路數(shù)據(jù)再進行并/串轉(zhuǎn)換即恢復(fù)出原始發(fā)送信息。這樣，整個系統(tǒng)所需的傳輸帶寬就降低為原來的1/N。

多路中頻數(shù)字化直擴系統(tǒng)的原理示意圖如圖 1所示。

圖1 多路直擴系統(tǒng)的原理示意圖

系統(tǒng)硬件電路設(shè)計框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計框圖

A/D轉(zhuǎn)換器采用AD公司的AD6644，它的最高采樣率可達65MSPS，分辨率為14位。在本系統(tǒng)中，由AD6644直接對6MHz中頻信號進行過采樣，實現(xiàn)系統(tǒng)的中頻數(shù)字化，采樣時鐘為19.6608MHz。

數(shù)字下變頻器選用AD公司的AD6620，它是美國AD公司推出的高性能數(shù)字信號處理芯片，可以完成高速數(shù)字信號的下變頻及抽取濾波工作，功能強大。內(nèi)部信號處理單元由四個部分組成：頻率變換器、二階固定系數(shù)梳狀抽取濾波器（CIC2）、五階固定系數(shù)梳狀抽取濾波器（CIC5）和一個系數(shù)可編程的抽取濾波器（RCF）。在本系統(tǒng)中，AD6620的初始化由DSP TMS320LC31完成，AD6620通過并口向DSP輸出處理后的基帶數(shù)據(jù)。

D/A轉(zhuǎn)換器采用AD公司的AD9772A，它的最高轉(zhuǎn)換速率為160MHz，轉(zhuǎn)換位數(shù)為14位。在本系統(tǒng)中，由AD9772A完成發(fā)射單元的多路合成數(shù)字中頻向模擬中頻的轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換時鐘頻率為19.6608MHz。

數(shù)字上變頻器采用AD公司的AD6623，其主要特征有以下幾點：高達104MHz的工作時鐘、單片集成四個獨立的數(shù)字發(fā)射通道、可編程插值濾波器和增益控制。AD6623內(nèi)部的信號處理包括以下四個部分：頻率變換器、二階重插值級聯(lián)積分梳狀濾波器（rCIC2）、五階插值級聯(lián)積分梳狀濾波器（CIC5）以及一個RAM系數(shù)濾波器（RCF）。在本系統(tǒng)中共采用四片AD6623組成16路直接序列擴頻發(fā)射單元，每一路分別從FPGA處取得擴頻基帶信息，進行基帶成形濾波、插值和上變頻調(diào)制到6MHz的中頻，最后將16路中頻調(diào)制信號合成為一路，再經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后送給射頻發(fā)射單元接口。

DSP采用TI公司的TMS320LC31。TMS320LC31采用改進的哈佛結(jié)構(gòu)，是一種能進行浮點運算的數(shù)字信號處理芯片，主頻可達60MHz。在本系統(tǒng)中，TMS320LC31主要完成的功能是：在發(fā)射過程中，由程序產(chǎn)生模擬的基帶信息，當DSP檢測到FPGA產(chǎn)生的申請數(shù)據(jù)的中斷信號時就將模擬基帶信息通過數(shù)據(jù)總線送給FPGA;在接收過程中，DSP通過FPGA產(chǎn)生的中斷信號分別對已完成解擴的各路數(shù)據(jù)進行接收，完成各路信息的解調(diào)，并將解調(diào)出的各路信息進行并串轉(zhuǎn)換還原為發(fā)射時的一路串行信息。此外，DSP在系統(tǒng)上電時負責完成AD6623和AD6620的初始化，在運行過程中，還要負責AD6620的載波恢復(fù)。

FPGA采用的是ALTERA公司的EP1S40B956C7，它內(nèi)部含有41250個邏輯單元，可用的I/O管腳為683個，速度為0.7ns，完全可以滿足系統(tǒng)的各項性能要求。在本系統(tǒng)的發(fā)射過程中，由FPGA向DSP發(fā)中斷申請，獲得待發(fā)送的基帶信息。在FPGA中，將一路串行的基帶信息轉(zhuǎn)換為16路并行的基帶信息，并分別與16個互相正交的PN碼相乘完成擴頻，然后分別送給四片AD6623的16個數(shù)據(jù)通道。在接收過程中，數(shù)字下變頻器AD6620將下變頻、濾波后的基帶數(shù)據(jù)送給FPGA，分別與16個本地正交PN進行匹配，完成16路PN碼的捕獲跟蹤，從而實現(xiàn)16路數(shù)據(jù)的解擴。最后FPGA向DSP發(fā)送中斷，由DSP完成16路數(shù)據(jù)的組裝還原。

AD6623內(nèi)集成了四個獨立的數(shù)字信號處理器（TSP），每個TSP由可編程內(nèi)插系數(shù)濾波器（RCF）、可編程功率控制單元、可編程五階級聯(lián)積分梳狀濾波器（CIC5）、二階重采樣級聯(lián)積分梳狀濾波器（RCIC2）和一個數(shù)控振蕩器（NCO）等五個級聯(lián)的信號處理單元組成。通過對這五個信號處理單元參數(shù)的不同設(shè)置，可以使系統(tǒng)以同一套硬件實現(xiàn)不同的功能。

AD6623的每一個通道都有一個獨立的調(diào)制器，它可以把從CIC濾波器中接收的數(shù)據(jù)上變頻成數(shù)字中頻，并送入多載波合并單元。該調(diào)制器由一個32比特的正交NCO和一個正交幅度混頻器（QAM）組成，該數(shù)字中頻的計算公式如下：

式中，NCO_ frequency是寫入寄存器Oxn02中的值;fIF是期望的中頻頻率; fNCO是NCO的頻率，在輸出是實數(shù)時是系統(tǒng)工作時鐘fCLK的一半，而在輸出是復(fù)數(shù)時是fCLK的四分之一。

在此系統(tǒng)中，輸出為實數(shù)模式，要求上變頻到fIF為6MHz的數(shù)字中頻，系統(tǒng)工作時鐘fCLK為19.6608MHz，帶入上式可求得NCO_ frequency的十六進制表示為4E200000。

在本系統(tǒng)中，AD6623的每個通道要將chip速率為614.4kHz的擴頻信息插值到等于系統(tǒng)的工作時鐘頻率19.6608MHz，這樣總的插值系數(shù)為32（19.66 08MHz/614.4kHz）。利用AD公司提供的FILTER DESIGN軟件可得到一組最佳的各級濾波器插值系數(shù)的分配方案：MCIC2=1，LCIC2=1，CIC5=4，MRCF=8。

FIR濾波器的設(shè)計目標是讓614.4kHz的低通目標信號盡可能地通過，并抑制帶外干擾。從濾波器幅頻特性曲線的角度來看，也就是要求通帶波動盡可能地小，通帶寬度盡可能地與信號帶寬相等，過渡帶盡可能地銳利，阻帶衰減盡可能地大。通常，F(xiàn)IR濾波器的階數(shù)越高，幅頻特性越好，AD6623提供的濾波器階數(shù)最高可達255階，具體選擇多少要根據(jù)實際情況而定。

在本系統(tǒng)中使用窗函數(shù)設(shè)計法（或稱傅立葉級數(shù)法）確定濾波器系數(shù)，即由理想的濾波器頻率響應(yīng)Hd（w）經(jīng)傅立葉反變換導(dǎo)出hd（n），然后用一個有限長窗函數(shù)序列w（n）截取。由于輸入給可編程系數(shù)濾波器的數(shù)據(jù)經(jīng)過了一次插值，且插值系數(shù)MRCF為8，因此此時輸入數(shù)據(jù)的采樣率fs為：

fs=614.4k×8＝4.9152MHz

因為截止頻率fc為614.4kHz，所以數(shù)字域截止頻率wc為：

取w（n）＝RN（n），按照線性相位濾波器的約束，h（n）必須為偶對稱，對稱中心長度應(yīng)為長度的一半（N-1）/2，且α=（N-1）/2，取N＝255，則α＝127。于是可得濾波器的系數(shù)為：

圖3 FIR濾波器的幅頻響應(yīng)曲線

AD6623的載波合并單元用來合并各信道的輸出以產(chǎn)生多載波信號，該結(jié)果與18比特寬帶輸入總線上的內(nèi)容相加后，將在高速時鐘的上升沿送至18比特寬帶輸出總線。

在基于圖2的硬件平臺下，DSP將模擬速率為307.2kbps的基帶信息序列送給FPGA作為發(fā)送信息序列，經(jīng)串/并轉(zhuǎn)換后每路信息速率降低為19.2kbps， PN碼長為32，所以擴頻后每路chip速率為614.4kbps。在發(fā)射端，發(fā)送信息序列經(jīng)FPGA擴頻調(diào)制后送給AD6623上變頻，然后送給AD9772A完成D/A變換;在接收端，中頻信號經(jīng)過AD6644采樣和AD6620下變頻后，再經(jīng)FPGA解擴和DSP檢測，解調(diào)出的信息經(jīng)計算機串口送給計算機顯示器顯示解調(diào)結(jié)果。經(jīng)實際電路驗證，DSP能正確解調(diào)出所發(fā)送的擴頻信號。證明利用AD6623等所設(shè)計的中頻數(shù)字化多路直接序列擴頻通信系統(tǒng)，具有硬件設(shè)計靈活、資源消耗少、調(diào)試修改方便等優(yōu)點，對軟件進行一定的修改，則可以作為一種通用的多路中頻數(shù)字化直擴通信系統(tǒng)處理平臺。

基于AD6623的多路中頻數(shù)字化直接序列擴頻通信系統(tǒng)，可以方便地改變系統(tǒng)的調(diào)制方式和調(diào)制頻率，而且還可以適應(yīng)不同信息速率和各種偽碼碼長的直接序列擴頻通信，關(guān)鍵一點在于它采用了碼分多址的思想，使得帶寬利用率大大提高。實驗測試表明：系統(tǒng)效果良好，控制靈活，適應(yīng)范圍廣，具有較好的應(yīng)用前景。

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