陳 霞 涂書敏 曾 云

(中國船舶重工集團公司第722研究所 武漢 430079)

1 引言

GM SK(最小高斯頻移鍵控)調(diào)制作為一種連續(xù)相位的恒包絡調(diào)制,具有頻譜緊湊、抗干擾能力強等特點,在通信中得到了廣泛的應用。在軍事通信中,GM SK調(diào)制與跳頻通信相結(jié)合,利用GMSK的恒包絡,頻譜利用率高的特性以及跳頻通信的抗干擾、抗截獲特性,可以實現(xiàn)軍事通信中的高速,安全數(shù)據(jù)傳輸。

GMSK調(diào)制原理圖如圖1所示。

圖1 GMSK調(diào)制原理圖

圖1中的預調(diào)制濾波器為高斯低通濾波器,其單位沖激響應為:

傳輸函數(shù)為:

式中:α是與高斯濾波器的3dB帶寬Bb有關的參數(shù),它們之間的關系為

如果輸入為雙極性不歸零矩形脈沖序列S(t):

式中:an為輸入數(shù)據(jù),T為碼元間隔。高斯預調(diào)制濾波器的輸出為:

式中:g(t)為高斯預調(diào)制濾波器的脈沖響應:

根據(jù)式GMSK信號的表達式可表示為:

2 系統(tǒng)原理

本調(diào)制系統(tǒng)是基于 CPCI總線開發(fā)的,CPCI(Compact PCI)總線規(guī)范是由PICMG(PCI總線工業(yè)計算機制造商聯(lián)盟)負責制定和支持的,它基于PICMG2.0規(guī)范,在電氣、邏輯和軟件方面與PCI標準完全相同,CPCI標準將PCI標準特性與支持嵌入式應用的堅固機械外形完美結(jié)合在一起,其性能特征是專門針對工業(yè)環(huán)境而量身定制的。CPCI總線在時鐘頻率66MHz,總線寬度64bits時,傳輸速度可高達528MBps,它可以有效地解決數(shù)據(jù)的高速實時傳輸問題。

2.1 設計方案

本文的方案如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)的硬件原理圖

本調(diào)制系統(tǒng)采用了DSP+CPLD的方式,這種方式使整個系統(tǒng)具有高速實時、結(jié)構(gòu)靈活、通用性強等特點,適合模塊化設計,從而能夠提高效率,同時其開發(fā)周期較短,系統(tǒng)容易維護和擴展。由于DSP與PC主機通信是通過CPCI總線實現(xiàn)的,這樣整個系統(tǒng)在高速實時方面也具有較大的優(yōu)勢。

2.2 主要芯片簡介

DSP芯片選用TI公司的TMS32OC6416T,該芯片為32位高性能定點 DSP其主頻范圍在400MH z至600MHz,運算速度高達4800M IPS,片上RAM達到8.256M bit。由于該芯片內(nèi)核采用超長指令字(VLIW)體系結(jié)構(gòu),可以單周期執(zhí)行多條指令,所以能夠?qū)崿F(xiàn)很高的指令級并行效率。

AD9857是 Analog Devices公司推出的一種高性能通用數(shù)字正交上變頻器,它把一個高速直接數(shù)字合成器(DDS)、一個高性能高速14位數(shù)模轉(zhuǎn)化器(DAC)、時鐘倍頻電路、數(shù)字濾波器和其他數(shù)字信號處理(DSP)功能整合到了一塊芯片上,形成了一套完整的正交數(shù)字式上變頻裝置。AD9857有正交調(diào)制模式、單頻輸出模式和插值DAC模式三種工作模式。模式選擇、時鐘倍頻參數(shù)、濾波器參數(shù)、頻率字和幅度等參數(shù)的配置均可通過對串行控制接口向控制寄存器編程實現(xiàn)。

3 硬件設計

硬件設計主要包含如下:DSP與CPCI插槽間的連接信號線;DSP最小系統(tǒng)的設計(含電源、時鐘、存儲電路等);CPLD對各芯片間的連接邏輯與時序的控制;AD9857與DSP間的數(shù)據(jù)通信。

3.1 CPCI總線的DSP的接口設計

TMS32OC6416T和其他DSP要加橋接芯片才可與PCI總線互連不同,它片內(nèi)集成了一個主/從模式的PCI接口,完全兼容CPCI。通過CPCI總線能夠?qū)崿F(xiàn)DSP與PCI主機的互連,可以訪問DSP整個片內(nèi)RAM、集成外設以及片外存儲器(通過EM IF)。本系統(tǒng)將DSP的PCI接口設置為從模式。主要連線如圖3所示。

圖3 CPCI總線與DSP主要連線示意

3.2 DSP與AD9857數(shù)據(jù)通信

AD9857串口是一種完全兼容SPI模式的串口,通過該接口可以讀寫AD9857的所有寄存器,控制單元根據(jù)各個寄存器的內(nèi)容設置AD9857的工作模式。因此,要實現(xiàn)DSP與AD9857的通信,只需將DSP的McBSP設置成SPI工作模式。本設計將McBSP設為SPI通信主設備,AD9857為從設備。具體接法如圖4所示。

圖4 DSP與AD9857主要接線示意

在DSP與AD9857通信系統(tǒng)中,對AD9857內(nèi)部寄存器的參數(shù)配置是十分重要的。具體需要配置參數(shù)如下:工作模式、時鐘倍頻系數(shù)、插值濾波器系數(shù)、DDS頻率控制字和DA輸出增益控制等。這些配置參數(shù)由DSP通過McBSP串口進行配置。

在硬件設計中需要注意的是一定要保證DSP與AD9857的同步,否則會造成數(shù)據(jù)丟失,兩者之間無法正確的通信。設計時在CPLD內(nèi)通過邏輯將串口的發(fā)送數(shù)據(jù)的幀同步信號FSX直接與AD9857的串口的幀同步信號SYNCI0相連,即可很好地解決兩者之間的同步問題。

4 軟件設計

GMSK信號可以表示為正交形式,即

由上式可以構(gòu)成一種波形存儲正交調(diào)制器,其原理圖如圖5所示。

圖5 波形存儲正交調(diào)制法原理框圖

結(jié)合上述原理框圖,可知本調(diào)制系統(tǒng)的具體實現(xiàn)方法為:DSP通過CPCI總線接收原始數(shù)據(jù)并對其進行預編碼,經(jīng) DSP查表(DSP預先生成的GMSK相位查找表)及相應處理得到14位字長(含符號位)的I、Q基帶定長數(shù)據(jù)后,在并行輸入時鐘控制下,兩路數(shù)據(jù)交替被送入AD9857,經(jīng)過一系列數(shù)字化處理(濾波、插值等)后,進入正交調(diào)制部分。AD9857內(nèi)核為正交調(diào)制提供一個正交(sin或cos)片內(nèi)振蕩信號,I、Q數(shù)據(jù)通過與各自載波相位相乘再求和,產(chǎn)生一個正交調(diào)制數(shù)據(jù)流,數(shù)據(jù)流經(jīng)AD9857內(nèi)部DAC轉(zhuǎn)換可直接生成通信所需GMSK信號。

軟件實現(xiàn)的核心是對DSP進行編程,主要包括與CPCI通信子程、數(shù)字基帶處程序(編碼、交織等)、與AD9857串口通信子程以及并口傳輸數(shù)據(jù)中斷程序等。軟件實現(xiàn)的主程序流程如圖6所示。

圖6 軟件實現(xiàn)的主程序流程圖

5 結(jié)語

基于CPCI總線,配以數(shù)據(jù)處理能力強大的DSP和邏輯處理能力高效的CPLD組成GM SK調(diào)制系統(tǒng),在高速性、實時性、通用性方面具有很大的優(yōu)勢。從理論上說,各種通信信號都可以用正交調(diào)制的方法加以實現(xiàn),因此,此調(diào)制平臺對多個頻段的MSK、MFSK、QPSK和QAM 調(diào)制系統(tǒng)的實現(xiàn)具有很好的借鑒意義。

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