基于FPGA和DSP的擴(kuò)頻信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王 杰， 康 瀟

（民航河南空管分局, 河南 鄭州 451162）

0 引言

數(shù)字多波束天線擴(kuò)頻通信系統(tǒng)作為一種具有較強(qiáng)的抗干擾能力和低信噪比門限的相關(guān)接收特性的通信體系，是現(xiàn)代通信領(lǐng)域的一個(gè)重要發(fā)展方向。我們?cè)谡{(diào)試數(shù)字多波束天線擴(kuò)頻通信系統(tǒng)時(shí)必要要用到專門設(shè)計(jì)的擴(kuò)頻信號(hào)發(fā)生器，因此提出一種擴(kuò)頻信號(hào)發(fā)生器實(shí)現(xiàn)方案。

1 擴(kuò)頻信號(hào)產(chǎn)生原理及系統(tǒng)方案

擴(kuò)頻通信可以顯著提高通信系統(tǒng)抗干擾的能力，特別是頻率選擇性衰落和多徑干擾。為此在發(fā)端輸入的信息先經(jīng)信息調(diào)制形成數(shù)字信號(hào)，然后由擴(kuò)頻碼發(fā)生器產(chǎn)生的擴(kuò)頻碼序列去調(diào)制數(shù)字信號(hào)以展寬信號(hào)的頻譜。展寬后的信號(hào)再調(diào)制到射頻發(fā)送出去[1]。一般的擴(kuò)頻通信系統(tǒng)都要進(jìn)行三次調(diào)制，一次調(diào)制為信息調(diào)制，二次調(diào)制為擴(kuò)頻調(diào)制，三次調(diào)制為射頻調(diào)制。在擴(kuò)頻通信中需要用高碼率的窄脈沖序列，即偽隨機(jī)碼或簡(jiǎn)稱 PN碼。這類碼序列最重要的特點(diǎn)是近似噪聲的特性。但是真正的隨機(jī)序列是不可能重復(fù)和產(chǎn)生的，因此我們只能產(chǎn)生一種類

周期性的脈沖信號(hào)來(lái)近似噪聲的特性，二元M序列是一種最常見的偽隨機(jī)序列我們采用它作為我們的擴(kuò)頻序列[3]。

在硬件平臺(tái)上，本系統(tǒng)(見圖1)采用TI公司的TMS320C 6416T，它的主頻最高可達(dá) 600 MHz,可以滿足高性能數(shù)字信號(hào)處理的要求，故我們采用它作為主處理器來(lái)實(shí)現(xiàn)用戶數(shù)據(jù)擴(kuò)頻和D/A控制字的設(shè)置[2]。

圖1 系統(tǒng)方案框

擴(kuò)頻中使用128位大M序列，擴(kuò)頻碼數(shù)據(jù)速率6.4 Mc/s。為了便于之后對(duì)中頻載波進(jìn)行調(diào)制，我們把碼速率插值到70M樣本/秒，之后經(jīng)過(guò)余弦滾降濾波器濾波后使用BPSK調(diào)制方式調(diào)制到中頻70 MHz[2]。數(shù)據(jù)流程見圖2。

圖2 數(shù)據(jù)流

2 硬件接口設(shè)計(jì)

DSP訪問(wèn)片外存儲(chǔ)器必須通過(guò)外部存儲(chǔ)器接口（External Memory Interface，EMIF）。C6416的 EMIF具有很強(qiáng)的接口能力。C64xx提供 2個(gè)獨(dú)立的 EMIF：EMIFA和EMIFB。EMIFA提供64bit寬度的外總線數(shù)據(jù)接口，EMIFB提供16bit寬度的外總線數(shù)據(jù)接口。EMIF的時(shí)鐘ECLKOUTn是基于EMIF輸入時(shí)鐘在內(nèi)部產(chǎn)生的。

為了保證DSP與FPGA的數(shù)據(jù)傳輸能夠穩(wěn)定進(jìn)行，它們之間的連接通過(guò)EMIFA實(shí)現(xiàn)。EMIF接口設(shè)計(jì)的一個(gè)重要問(wèn)題就是根據(jù)PCB板的布線情況來(lái)調(diào)整一些重要的延時(shí)，具體控制寄存器設(shè)置如下：

接口設(shè)計(jì)中的 FPGA端要根據(jù) EMIFA的時(shí)序圖來(lái)編寫FPGA的接口模塊。圖3為C6416與Vetrix2接口的寫時(shí)序圖，根據(jù)這個(gè)時(shí)序圖可以編寫FPGA中接口的時(shí)序：

圖3 C6416與Vetrix2接口的寫時(shí)序

AD9777與FPGA通信使用SPI接口。它可以支持四根信號(hào)線：時(shí)鐘信號(hào)線SCLK, 使能信號(hào)CS,串行數(shù)據(jù)輸入輸出端口 SDIO,串行數(shù)據(jù)輸出端口 SDO。其中可以只選用前三根信號(hào)線而不選用第四根SDO信號(hào)線。AD9777在SPI的通信協(xié)議的內(nèi)容包括：

①SDIO的數(shù)據(jù)在SCLK的上升沿被采樣；

②SDIO的數(shù)據(jù)在SCLK的下降沿被改變；

③SCLK在空閑狀態(tài)下，可以為高電平也可以為低電平；

④串行傳輸過(guò)程中，MSB模式的時(shí)序。

根據(jù)AD9777的串口時(shí)序圖和DSP的EMIFA的端口時(shí)序設(shè)計(jì)這個(gè)模塊，實(shí)現(xiàn)了DSP對(duì)AD9777控制參數(shù)的設(shè)置。使用EMIFA的輸出時(shí)鐘aeaclkout1分頻產(chǎn)生SPI端口（見圖4）使用的spiclk用于控制移存器把從DSP收到的16位寬的數(shù)據(jù)aed轉(zhuǎn)換為1位寬的串行數(shù)據(jù)spi_sdio。使用EMIFA的地址輸出aea控制SPI端口使能spicsb,spicsb為低電平時(shí)輸出串行數(shù)據(jù)spicsb。

圖4 SPI模塊結(jié)構(gòu)

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 DSP控制和數(shù)據(jù)生成

DSP部分的主要功能是對(duì)用戶數(shù)據(jù)擴(kuò)頻，控制AD9777的工作方式，其結(jié)構(gòu)如圖5。

圖5 DSP部分功能示意

DSP部分程序有main.c，signal_gen.c。main.c的功能是產(chǎn)生擴(kuò)頻序列，同時(shí)控制AD9777調(diào)制生成BPSK信號(hào)，流程如下頁(yè)圖6。

signal_gen.c的主要函數(shù)是GenDat()，功能是實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶數(shù)據(jù)的訓(xùn)練序列插入并擴(kuò)頻處理，程序流程如下頁(yè)圖7。其中函數(shù) void generate_BaseData_Byte(unsigned char Dat , char* dp)實(shí)現(xiàn)把char類型的并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為bit流形式的串行數(shù)據(jù)。并且為了便于實(shí)現(xiàn)BPSK調(diào)制，我們使用了雙相不歸零碼，這樣與載波相乘即可完成 BPSK調(diào)制。

圖6 main.c軟件流程設(shè)計(jì)

圖7 GenDat()內(nèi)部流程

擴(kuò)頻時(shí)，把采用的128位M序列存貯于數(shù)組中，利用查表進(jìn)行相乘直接實(shí)現(xiàn)擴(kuò)頻，擴(kuò)頻序列可調(diào)，性能穩(wěn)定可靠。

在本系統(tǒng)的應(yīng)用中，AD9777的輸入時(shí)鐘70M，數(shù)據(jù)速率70 MHz，載頻70 MHz，根據(jù)芯片資料提供的最佳參數(shù)設(shè)置，我們?cè)O(shè)置PLL2倍頻，進(jìn)行2倍插值，fs/2調(diào)制，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，這樣的參數(shù)設(shè)置可以提供最優(yōu)的信號(hào)輸出。

3.2 ．FPGA處理部分

本系統(tǒng)采用Verilog硬件描述語(yǔ)言，RTL級(jí)描述了系統(tǒng)功能。FPGA中模塊的劃分如圖8所示。

4 設(shè)計(jì)的調(diào)試結(jié)果

圖9為在Chicoscope中觀測(cè)到的進(jìn)入升余弦滾降濾波器之前的碼型和經(jīng)過(guò)升余弦滾降濾波器之后送往 AD9777的碼型。經(jīng)過(guò)系統(tǒng)的調(diào)試和使用證明這是一種成功的擴(kuò)頻信號(hào)發(fā)生器。

圖8 FPGA內(nèi)部模塊

圖9 Chicoscope中觀測(cè)到的信號(hào)碼型

5 結(jié)語(yǔ)

為了驗(yàn)證此系統(tǒng)的正確性與實(shí)用性，我們進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)。我們首先在Xlinx自帶調(diào)試軟件Chicoscope中觀測(cè)到的進(jìn)入升余弦滾降濾波器之前的碼型和經(jīng)過(guò)升余弦滾降濾波器之后送往 AD9777的碼型，其后又在在頻譜儀上觀測(cè)的70MHz 上經(jīng)過(guò)BPSK調(diào)制的中頻信號(hào)的頻譜。比對(duì)觀察發(fā)現(xiàn)信號(hào)升余弦濾波前后的碼型正確，產(chǎn)生的中頻鐘型波形狀標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)過(guò)在數(shù)字多波束天線系統(tǒng)的接收機(jī)調(diào)試過(guò)程中的使用，證明了這是一種使用方便和發(fā)射信號(hào)靈活的試驗(yàn)用擴(kuò)頻信號(hào)發(fā)生器

[1] 王濤,彭茜,李威.基于中低速率短波擴(kuò)頻通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].通信技術(shù),2009,42(08):39-41.

[2] 楊小牛,樓才義,徐建良.軟件無(wú)線電原理與應(yīng)用[M].北京:電子工業(yè)出版社,2001:208-209.

[3] Pickholtz R L,Schilling D L,Milstein L B.Theory of Spread Spectrum Communications[J].A Tutorial Special Issue of IEEE Trans.comm.,1982,30(05):45-46.