HSP50415在數(shù)字上變頻應(yīng)用研究 - 全文

介紹了Intersil公司推出的可編程數(shù)字上變頻器HSP50415的結(jié)構(gòu)、功能和特點(diǎn)，給出了HSP50415在數(shù)字上變頻應(yīng)用中與TMS320VC5509的接口電路。

　　1 引言

　　軟件無線電的基本思想是在一個(gè)通用的硬件平臺(tái)上，通過軟件加載的方式用軟件實(shí)現(xiàn)所有無線電臺(tái)的功能。軟件無線電的理想結(jié)構(gòu)是將A/D、D/A盡可能地靠近天線?？紤]到目前A/D、D/A的帶寬及DSP的處理能力，一般采用中頻采樣的軟件無線電結(jié)構(gòu)。

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　　2 HSP50415的功能和特點(diǎn)

　　2.1 HSP50415的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和功能

　　HSP50415由256深度的FIFO數(shù)據(jù)緩沖器、星座映射器、成形和內(nèi)插濾波器、復(fù)數(shù)乘法器、符號(hào)率NCO、載波NCO及雙路DAC組成。其內(nèi)部組成如圖1所示。各組成部分的功能如下：

　　前端數(shù)據(jù)輸入模塊：HSP50415的信號(hào)輸入管腳是DIN(0～15)、ISTRB、TXEN和DATACLK。數(shù)據(jù)輸入有兩種方式：一種是固定符號(hào)速率傳輸方式，一種是猝發(fā)傳輸方式。在固定符號(hào)速率傳輸方式下，數(shù)據(jù)將以2倍采樣率進(jìn)入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，緩沖區(qū)為256×32bit的FIFO。一旦一對(duì)I和Q數(shù)據(jù)進(jìn)入FIFO，數(shù)據(jù)會(huì)以采樣率讀出。因?yàn)镕IFO完成了一個(gè)串并變換，將一路信號(hào)變換成I和Q兩路信號(hào)，因此輸入端數(shù)據(jù)率是輸出端的2倍。在猝發(fā)方式下，當(dāng)數(shù)據(jù)滿或半滿時(shí)，F(xiàn)IFO的標(biāo)志位可觸發(fā)DSP的中斷，通知DSP停止發(fā)數(shù)據(jù)，這時(shí)可讀數(shù)據(jù)。I/O輸入時(shí)序如圖2所示。

　　星座映射圖：星座映射圖中有一個(gè)用戶可編程查找表(256×8bit RAM)，這個(gè)查找表僅支持I/Q最大位寬為4bit(256QAM)的數(shù)據(jù)，可完成各種正交的PM和AM基帶碼映射。I和Q數(shù)據(jù)合并成8bit的數(shù)據(jù)作為地址去查表，得到映射數(shù)據(jù)并以Iout<3:0>和Qout<3:0>的形式輸出，如圖3所示。

　　成形濾波器：成形濾波器的基本內(nèi)插率為×4、×8或×16。此外，還有一個(gè)可選的2bit模式以供用戶將抽樣率減少1/2。成形濾波器的運(yùn)算由移位累加來完成，其最大輸入采樣率為MIN((CLK×2×2^twoBitMode)/(#bit×interpolationRate)，CLK/4)。若使用2bit模式，則式中twoBitMode為1，否則為0，#bit為輸入數(shù)據(jù)的位數(shù)，interpolationRate為內(nèi)插率。

　　半帶濾波器：半帶濾波器的內(nèi)插率為2，由于其系數(shù)在偶數(shù)點(diǎn)上為零，因此可將計(jì)算量減少一倍。

　　內(nèi)插濾波器：內(nèi)插濾波器將半帶濾波器的輸出采樣率插值到最終的采樣率Fsout。

　　數(shù)控振蕩器(NCO)：為內(nèi)插濾波器提供時(shí)鐘，并允許輸入和輸出采樣率有非整數(shù)倍關(guān)系。

　　乘法器：把基帶信號(hào)調(diào)制到可編程中頻上。

　　輸出模塊：HSP50415內(nèi)部集成了雙路12位DAC，并由x/sinx濾波器提供滾降補(bǔ)償，可以實(shí)現(xiàn)模擬輸出。另外還提供了14位數(shù)字輸出。

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　　2.2 HSP50415的特點(diǎn)

　　HSP50415是一個(gè)功能強(qiáng)大的可編程調(diào)制器，編程十分靈活，信號(hào)的極性可以通過編程來改變，內(nèi)部集成了高速D/A轉(zhuǎn)換器，性價(jià)比較高。HSP50415具有功耗低、 精度高、可靠性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，其主要性能參數(shù)如下：

　　●最高輸出采樣率達(dá)100MHz?最高輸入數(shù)據(jù)率達(dá)25MHz。

　　●編程載波NCO和符號(hào)NCO均為32位，精度高。

　　●x/sinx滾降補(bǔ)償。

　　●每路有四片64×72位的FIR濾波器，其系數(shù)RAM可由Intersil公司提供的軟件來產(chǎn)生。

　　●成形濾波器的內(nèi)插率可編程設(shè)置，達(dá)24個(gè)符號(hào)間隔，半帶濾波器和內(nèi)插濾波器的系數(shù)是固定的。

　　●數(shù)字信號(hào)處理能力大于70dB(SFDR)。

　　●14位數(shù)字輸出或雙路12位D/A模擬輸出，D/A處理能力大于50dB。微處理器端口有18個(gè)控制寄存器，可方便地控制256×32位FIFO及其深度、成形濾波器的階數(shù)、增益調(diào)整、符號(hào)速率、載波頻率及是否旁路某些模塊等。

　　2.3 HSP50415的主要管腳功能：

　　CLK： 系統(tǒng)時(shí)鐘

　　SYSCLK/2： 系統(tǒng)內(nèi)部時(shí)鐘

　　DIN<15:0>： 數(shù)據(jù)總線

　　CDATA<7:0>： 微處理器數(shù)據(jù)總線

　　RD： 微處理器讀

　　WR： 微處理器寫

　　ADDR<2:0>： 微處理器地址總線

　　Iout<13:0>,Qout<13:0>： 數(shù)字輸出

　　IOUTA,IOUTB,QOUTA,QOUTB: 模擬輸出

　　2*SYMCLK： 采樣時(shí)鐘的2倍

　　REFCLK： 參考時(shí)鐘

　　DATACLK： 異步數(shù)據(jù)時(shí)鐘

　　TXEN： 猝發(fā)模式選通信號(hào)

　　ISTRB： 路數(shù)據(jù)選通信號(hào)

　　INTREQ： 中斷請(qǐng)求信號(hào)

　　FEMPT,FOVER,FFULL： FIFO電平監(jiān)控信號(hào)

　　LOCKDET： 數(shù)字鎖相環(huán)的狀態(tài)標(biāo)志

　　ICOMP,QCOMP： 為減小串音提供的補(bǔ)償信號(hào)

　　REFLO： 內(nèi)部參考選擇

　　REFIO： 外部參考電壓輸入

　　FSADJ： 滿量程電流調(diào)整

　　2.4 HSP50415的初始化及參數(shù)設(shè)置

　　HSP50415的初始化包括兩部分，一是對(duì)控制寄存器的初始化，二是對(duì)成形濾波器系數(shù)RAM及星座映射器RAM的初始化。HSP50415總共有18個(gè)寄存器，通過對(duì)這些控制寄存器的訪問，可以方便地控制256×32位FIFO及其深度、成形濾波器的階數(shù)、增益調(diào)整、符號(hào)速率、載波頻率以及是否旁路某些模塊等，從而便于進(jìn)行硬件調(diào)試。系數(shù)和控制字的值可以使用Intersil公司網(wǎng)站提供的可執(zhí)行文件sim415.exe和modulator.exe方便地產(chǎn)生。圖4表示將值為AABBCCDD的控制字送入地址為0C的控制寄存器的時(shí)序。

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　　HSP50415的參數(shù)可由下面的公式確定：

　　符號(hào)率NCO=(symbolrate/Fsout)×232

　　載波NCO=(carrierFrequency/Fsout)×232

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　　3 HSP50415的調(diào)制原理及實(shí)現(xiàn)

　　HSP50415的復(fù)數(shù)乘法器可完成如下運(yùn)算：

　　S(n)=I(n)cos(ω0ts)-Q(n) sin(ω0ts)?

　　其中，S(n)為輸出信號(hào)，ω0為載波頻率，ts為取樣間隔。根據(jù)I(n)和Q(n)編碼方式的不同，可以完成BPSK、QPSK、m-QAM等調(diào)制方式。如令Q(n)=0，則：

　　S(n)=I(n)cos(ω0ts)

　　此時(shí)即可得到DSB調(diào)制信號(hào)。

　　4 用HSP50415實(shí)現(xiàn)數(shù)字上變頻

　　HSP50415編程靈活，可應(yīng)用于無線電臺(tái)的發(fā)射系統(tǒng)中。圖5為HSP50415與TMS320VC5509的接口電路，可用來實(shí)現(xiàn)數(shù)字上變頻技術(shù)。

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　　圖中采用了兩個(gè)片選信號(hào)，用于區(qū)分微處理器端口和數(shù)據(jù)端口。初始化時(shí)CE2選通，DSP通過微處理器接口訪問HSP50415。初始化完成后CE0選通，DSP每收到一個(gè)中斷，便通過DATA/FIFO接口向HSP50415發(fā)一個(gè)數(shù)據(jù)。XF連接ISTRB以表明這個(gè)數(shù)據(jù)是I數(shù)據(jù)還是Q數(shù)據(jù)。CE0與AWE相或產(chǎn)生DATACLK信號(hào)。中斷信號(hào)由2*SYMCLK產(chǎn)生。

　　5 典型程序代碼

　　5.1 一個(gè)32位寄存器初始化代碼

　　amov #BUFF0,xar0 ;BUFF0定義為片選2空間的地址0x400000

　　mov #0xDD, *ar0

　　amov #BUFF1, xar0 ;BUFF1定義為片選2空間的地址0x400001

　　mov #0xCC, *ar0

　　amov #BUFF2, xar0 ;BUFF2定義為片選2空間的地址0x400002

　　mov #0xBB, *ar0

　　amov #BUFF3, xar0 ;BUFF3定義為片選2空間的地址0x400003

　　mov #0xAA, *ar0

　　amov #BUFF4,xar0 ;BUFF4定義為片選2空間的地址0x400004

　　mov #0x0C, *ar0

　　5.2 簡(jiǎn)單的發(fā)送程序(以正弦波為例)

　　mov #63， ac0 ;設(shè)發(fā)射通常為64,循環(huán)發(fā)送

　　amov real_data, xar1 ;xar1中存放實(shí)數(shù)

　　amov imag_data, xar2 ;xar2中存放虛數(shù)

　　send:

　　amov #FIFO, xar0 ;定義FIFO為片選0空間地址為0x02000

　　bset xf

　　mov *ar1+, *ar0

　　bclr xf

　　mov *ar2+, *ar0

　　sub #1, ac0

　　bcc qq, ac0==0

　　reti

　　qq: mov #63, ac0

　　amov real_data, xar1

　　amov imag_data, xar2

　　reti