超短波跳频电台数字处理平台的设计

超短波跳频电台数字处理平台的设计 摘要:本文主要对超短波跳频电台数字处理平台的设计及其中用到的信号处理技术进行了研究。通过方案设计和论证,我们采用高速ADC和DAC来实现超短波中频数字化,用可编程的上下变频器实现信号的上下变频,并且完成了硬件电路的设计和调试。 关键词:跳频;中频数字化;超短波 随着软件无线电的兴起,目前根据硬件的发展水平,一般软件无线电中都采用中频数字化。对于较高的二次中频一般采用欠采样技术;在三中频到基带之间的部分直接进行奈奎斯特采样来实现数字化。本系统的硬件设计就是基于软件无线电的思想,中频数字化是在第三中频完成的。系统接收时的中频信号为455KHz,发送时的中频信号为11.9MHz。下面将主要来讨论超短波跳频电台的数字处理平台的设计与实现。 1 硬件电路设计 系统框图如图1.1所示。系统电路的设计与调试也是围绕着两个芯片而来的,下面我们将结合系统中的信号处理和系统框图来对电路的设计进行分析说明。 系统中用到了三个时钟源,其中60MHz的普通晶振用来为DSP提供工作时钟,该时钟不用作定时;18.432MHz的时钟是专为ST16C554D四异步串口提供的,用来产生各种常用的波特率,最高波特率可达1.152Mbaud/s;而96MHz的时钟是来自频合的高稳定度的温补晶振, 整个系统的定时以及其它芯片的工作时钟都由96MHz的时钟分频得到。正如图1.1中的时中产生电路所示。 电路中还用到了AD公司的AD73311, AD73311是数/模、模/数转换器,包括了16-bitA/DC和16-bit的D/AC,AD73311的采样率、增益控制都可以通过编程来实现,系统中它外接12MHz的时钟,完成模拟话音的直接采样,采样率为46.875Ksps,该通路也就是我们所说的模拟话;FX609是CML(Consumer Microcircuit Limited)公司的产品,它在系统中完成对模拟话音直接进行编码,编码采用连续可变斜率增量调制(CVSD-Continuously Variable Slope Delta Modulation Codec)话音编码方案,编码速率为可选择为16Kbps、32Kbps、64Kbps,在此我们选择了16Kbps,该路就是我们所说的数字话。连续可变斜率增量调制是一种自适应增量调制技术,能够获得高质量传输的音频编码,CVSD编码擅长处理丢失和被损坏的语音采样,即使比特错误率达到4%,CVSD编码的语音还是可听的。 FX609编码后的数字话可以直接进行串并变换(跳频明话),也可以经过加密模块然后再进行串并变换(跳频密话);此处串并变换由FPGA完成,串并变换后的并行数据经DSP总线读入DSP。话音通信有模拟话和数字话两种,两路话音的选择是通过模拟开关4066来控制完成的。在数据传输时,计算机将数据文件处理后送至DSP,计算机和DSP数字处理平台之间的连接是通过串口实现的,因为计算机串口是RS232电平(-12V-+12V),在此我们用MAX232对其进行电平转换,变成TTL电平和DSP板上的四异步串口相连。 发送时话音信号(包括模拟话和数字话)或者数据传输时的数据信号经过DSP处理后,送至HSP50215上变频器,HSP50215的时钟为48MHz,在HSP50215中进行调制和上变频至11.9MHz,采样率插值到48Msps,已调数字信号经过AD9764进行数模转换变为11.9MHz的中频模拟信号,然后被混频至发射频率发射出去;接收时,电台接收下来的射频信号经混频至455KHz的中频信号,然后经过AD9243采样数字化(采样频率为3Msps)后被送到HSP50214进行下变频至基带和解调,解调信号送至DSP由DSP进行处理。 系统中的ST16C554D四异步串口实现DSP板和外设之间的通信,四异步串口外接18.432MHz的时钟,通过DSP对各个串口的设置,和不同外设之间通信时选用不同的波特率。系统中主控单片机是电台内的核心控制单元,完成电台控制面板命令的接收和到DSP板的传送,用来控制电台实现各种不同的功能,DSP对主控单片机来的命令做出相应的应答,主控单片机和DSP板之间通过串口C相连,其速率为19.2Kbaud/s。在跳频通信时,DSP将跳频序列产生器产生的跳频序列经过异步串口B送至频率合成器,在定频通信时,DSP将电台设置的定频频率通过串口B送至频率合成器,其速率也为19.2Kbaud/s。DSP和密钥枪的接口是通过串口D实现的,密钥枪的电平为RS232电平,因此在DSP板上用MAX232进行电平转换,将TTL电平转换为RS232电平和密钥枪相连,其速率为9.6Kbaud/s。同样DSP板和计算机之间的连接是通过异步串口A实现的,串口A和计算机的串口之间也要通过电平转换。因为计算机串口速率可以设置的较高,所以在此我们将串口A 的速率设置为115.2Kbaud/s。 另外,因为收发信机中用到调谐放大器,所以在跳频情况下,在不同的频率段,调谐放大器的工作频率也要作相应的改变,调谐码字由DSP通过锁存器送给调谐放大电路。在通信时,DSP根据不同的跳变频率来给调谐放大器送相应的调谐码子。 系统框图中的28F020是Intel公司的EPROM作为程序存储器,它容量为256K 8,但是速度较慢,所以我们在系统电路的设计中,利用TMS320C31的自动装载功能(Bood Loader),当加电或复位后,DSP自动将存储在外部程序存储器中的程序装载到快速的RAM中运行,在此我们用到了Cyrix公司的Cy7c1009快速RAM作为运行程序和存放数据 存储器,其容量位128K 32。在此我们还用到了DALLAS SEMICONDUCTOR 公司的DS1643 , 它是非易失性时间保持存储器(Nonvolatile Timing Keeping RAM),其容量为8K 8,用于存放密钥枪传来的数据(频率集和密钥),并且提供系统的实时钟。时钟是由密钥枪提供的,内部集成有电源和晶体,以保证实时钟的正常工作,并可以在未加电的情况下保持信息十年内不被丢失。 2硬件电路调试 前面已经介绍过,DSP工作于自动装载模式,这可以通过设置DSP的四个外部中断来选择C31的自动装载模式,在此我们将外部中断一 接地,这样就决定了DSP的装载模式,在加电或复位后DSP将从0X400000地址装载程序,所以必须将Y4分配给外部程序存储器28F020。电路的调试主要是对HSP50214和HSP50215的参数设置。为了方便硬件电路的调试,我们在DSP电路板上附加了显示器和键盘辅助工具,在调试过程中,我们模拟TMS320C31的自动装载功能,将一个类似于自动装载功能的程序写到28F020中,加电后,该程序被装载到RAM中去,该程序的功能就是守候串口,将串口来的程序写到高速RAM中然后开始运行,我们可以将编写好的程序通过计算机串口和DSP板上的串口装载到RAM中去,我们还可以在程序中设置响应的断点或显示字符串信息,来监控程序的运行状况,通过显示器和键盘可以观测到所有寄存器和不同内存单元的内容,为我们顺利地进行硬件电路的调试工作以及后面的软件程序的调试都提供了极大的帮助。 2.1HSP50215的参数设置 HSP50215的功能是对数字基带信号数据进行调制或进行频率搬移,变成相应的数字样值信号。它可以产生任意正交振幅键控 (QASK) 数据调制信号,包括QPSK、BPSK和m-ary QAM。还可以产生整形的和未滤波的FM信号。 上变换器的参数设置是通过和DSP与HSP50215的微处理器接口的数据总线、地址总线、读写和片选控制信号线来完成的。配置的参数信息包括采样定时NCO中心频率、载波NCO的中心频率、调制方式、增益控制、FIFO控制、复位控制、同步控制,I和Q支路的基带256阶FIR滤波器的设置和系数的配置等。当上变频器被设置好后,微处理器接口就用来传输I和Q支路的信号。 地址0为正交调制的I路输入或FM调制的信号输入,地址1位正交调制的Q路信号输入,在此我们用的调制方式为FM调制,所以仅将信号写到地址0即可。调制过程的实现是先进行基带调制、然后再进行整形滤波和插值滤波。调制方式的选择是通过设置控制字16来实现的。上变换器的输入采样频率是通过设置重采样NCO来实现的, (2.1) 其中FRESAMP表示输入采样率,fCLK表示是REFCLK,而SR(29:0)表示30位的频率控制字。在进行数字话通信时FRESAMP=96Ksps,模拟话通信时FRESAMP=46.875Ksps,所以相应的频率控制字分别是8589935和4194304。 成型滤波器的参数,内插率IP的取值为4,8和16,在控制字19 中的1-0bit设置,跨度DS在5-2bit中设置。我们设IP和DS同为16。对于成型滤波器的系数,我们用Matlab设计计算出来后,再将它按FIR滤波器的多相形式写入相应的控制字。 内插滤波器是不可编程的,它将输入信号的抽样率内插到HSP50215的工作频率REFCLK,在这里是48MHz。内插滤波器可以完成非整数倍的内插。 调频信号的载波和载波频率控制字有如下关 系, (2.2) 上式中FRESAMP表示载波频率,fCLK为REFCLK,在此为48MHz,载波频率为11.9MHz,所以由(2.2)可以计算出载波频率控制字为959656755,通过设置控制字4和5来实现。 基带信号的256阶FIR滤波器的系数设置是通过设置控制字512-767(I路)和控制字768-1023(Q路)来完成的,在此滤波器的系数也是通过MATLAB预先计算好后来实现的。 2.2 HSP50214的参数设置 HSP50214是一个灵活的下变频器,满足许多通信中的工业标准。主要完成将中频数字信号变成基带数字信号然后进行抽取滤波和解调,其功能模块已在前面介绍过,在此不再赘述。HSP50214的工作时钟有两个,CLKIN和PROCCLK。CLKIN作用于前端,而从半带滤波器以后的部分的工作频率为PROCCLK,根据要求CLKIN取48MHz,PROCCLK取24MHz。 HSP50214的输入为455KHz中频信号,它的抽样率为3MHz。 以门控方式进入HSP50214插值到48Msps,然后进行混频、抽取滤波和解调。 在混频之前是HSP50214的输入单元,它主要控制的是输入数据格式和输入模式。其中输入格式要和ADC的输出格式相匹配,而AD9243的输出数据格式为偏移二进制数。输入模式采用的是门控模式,CIC的设置、增益控制、抽取率等这些都在控制字0的相应比特中设置。在HSP50214的混频单元中,455KHz的载波NCO频率将在控制字3中设置,载波频率和控制字的值有如下关系 (2.3) fS为输入信号的抽样率值为48Msps,fc为载波频率值为455KHz。由(5.2.3)可以计算出控制字的值为40712710。 在混频之后的信号处理工作是抽样率的抽取。HSP50214中抽样率的抽取是由多级抽取滤波器完成的,包括CIC滤波器、半带滤波器和FIR滤波器。这些滤波器的抽取能力各不相同。CIC的抽取因子的范围是4-32;如果使用全部五级半带滤波器,则最大抽取率为32,FIR滤波器的最大抽取为16。因为对数字话和模拟话的输出采样率不同,所以对不同的通信方式我们要进行不同的抽取,数字话输出采样率为96Ksps、模拟话输出采样率为46.875Ksps。对于FIR滤波器的系数我们也是通过用Matlab计算好后进行设置,该滤波器的系数设置是通过改变控制字128-255来完成的。另外需要注意的是,因为模拟话和数字话的信号带宽不同,所以在设置滤波器系数时两种通信方式下是不一样的。 笛卡尔坐标到极坐标转换器将接收到I路和Q路信号转变为幅度和相位信号,我们将相位信号送至鉴频滤波器,有关鉴频滤波器的参数设置是在控制字17中完成的,其中包括鉴频器的使能、抽取率、FIR滤波器的结构设置和FIR滤波器的抽头数设置。鉴频滤波器中FIR滤波器的系数设置是通过改写控制字64-95。 在电路的调试中,我们需要看不同阶段的信号,主要包括:I路信号、Q路信号、幅度信息、相位信息和鉴频后的频率信息等。在此下变换器和DSP之间的接口是并行接口,有A和B两路,其中A口主要输出I路、幅度和频率信息;B口主要输出Q路、相位和幅度信息。这些功能的实现都是通过设置控制字20完成的。电路调试完后,我们所需要的是从鉴频器输出的频率信息。 3结束语 本文结合国内外跳频电台发展的状况对超短波数字跳频电台的数字处理平台进行了研制。实现模拟话通信、数字话通信、数据传输、跳频控制等功能;另外,该数字处理平台的研制基于软件无线电思想,实现了中频数字化,所以电台除了具有跳频的优点外还具有软件无线电的许多优点,通过加载不同的软件来实现不同的数字调制解调制度,有着很大的灵活,能够适用于当前许多数字通信系统。 参考文献 [1]王承军.超短波跳频电台数字处理平台的研制[J].西安电子科技大学,2001-01-01.