基于TMS320C6000系列DSP芯片實(shí)現(xiàn)高效信道化接收機(jī)的設(shè)計(jì)

作者：張文旭，司錫才，孫強(qiáng)毅

在電子信息領(lǐng)域中，對(duì)于接收機(jī)的要求是處理的頻帶盡可能寬、動(dòng)態(tài)范圍盡可能大，以便得到更寬的頻率搜索范圍，獲取更多的信息量，并且具有檢測同時(shí)到達(dá)信號(hào)的能力［1］。隨著電子元器件的不斷發(fā)展，ADC的采樣速率越來越高，這為接收機(jī)實(shí)現(xiàn)寬頻帶覆蓋提供了硬件支持，而軟件無線電中基于多相濾波結(jié)構(gòu)的信道化接收又為實(shí)現(xiàn)全概率接收提供了理論依據(jù)［2］。

本文介紹一種基于多相濾波結(jié)構(gòu)的高效信道化接收機(jī)，該接收機(jī)采用了美國國家半導(dǎo)體公司（National Semiconductor）的高速采樣器件ADC08D1000與ALTERA公司的StratixII系列FPGA，可實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)帶寬480MHz的雙通道信道化接收和瞬時(shí)帶寬為960MHz的單通道信道化接收。另外，考慮到該信道化接收后續(xù)信號(hào)處理問題，采用了TI公司的TMS320C6000系列 DSP芯片完成后續(xù)信號(hào)處理算法。

1 高效信道化接收機(jī)結(jié)構(gòu)模型

本文設(shè)計(jì)的信道化接收機(jī)結(jié)構(gòu)模型采用多相濾波結(jié)構(gòu)模型。假設(shè)輸入信號(hào)為s（n），采用低通濾波器沖激響應(yīng)為h（n），信道數(shù)為K，抽取比為D。采用臨界抽取條件，即K=D情況下，可以由低通結(jié)構(gòu)推導(dǎo)出多相濾波結(jié)構(gòu)，即第K路信道的輸出為［3］：

定義：信號(hào)D倍抽取后多相結(jié)構(gòu)表達(dá)式為sp（m）=s（mD-p），濾波器的多相分量表達(dá)式為hp（m）=h（mD+p），用i=iD+p帶入式（1）中，可得：

從上述推導(dǎo)和轉(zhuǎn)換過程即可得到基于多相濾波結(jié)構(gòu)的信道化接收模型，如圖1所示。

從低通濾波結(jié)構(gòu)到多相濾波結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換，可以看出該高效結(jié)構(gòu)中抽取置于混頻之前，可以將高速A/D 轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)首先進(jìn)行D倍抽取，然后再混頻、濾波，使得混頻器、濾波器工作速率降了D倍，且后續(xù)DFT處理可采用FFT實(shí)現(xiàn)，提高了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理速度，充分發(fā)揮了該結(jié)構(gòu)的高效性。

2 信道化接收機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的高效信道化接收機(jī)的硬件原理框圖如圖2所示。由于該設(shè)計(jì)采用的高速A/D（ADC08D1000）內(nèi)部集成了雙通道模數(shù)轉(zhuǎn)換功能，采樣速率為 1GHz，所以當(dāng)芯片工作于交叉采樣模式時(shí)，只需將信號(hào)接于信號(hào)輸入1端，信號(hào)輸入2端懸空，即可實(shí)現(xiàn)采樣速率為2GHz的采樣。因此該接收機(jī)可實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)帶寬為480MHz的雙通道數(shù)字信道化接收和瞬時(shí)帶寬為960MHz的單通道數(shù)字信道化接收。

由于本設(shè)計(jì)高速A/D輸出數(shù)據(jù)率在480MHz，因此高速A/D與FPGA接口采用差分信號(hào)走線，并且FPGA內(nèi)部對(duì)數(shù)據(jù)率采取降速處理以便后續(xù)處理，解決了高速采樣和后續(xù)信號(hào)處理之間的瓶頸問題。經(jīng)過FPGA內(nèi)部做信道化處理后的信號(hào)送入DSP中，可以實(shí)現(xiàn)后續(xù)相應(yīng)的信號(hào)處理算法。另外，可通過USB接口芯片將所需數(shù)據(jù)傳給PC機(jī)，完成數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、處理與顯示等。

2.2 均勻?yàn)V波器組劃分

基于多相濾波結(jié)構(gòu)的信道化接收機(jī)模型，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中對(duì)于？棕k的選擇按照其實(shí)信號(hào)多相結(jié)構(gòu)選取為系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的瞬時(shí)帶寬為480MHz和960MHz兩種，其各自的信道數(shù)目分別為K=8和K=6，各自均勻?yàn)V波器組劃分情況如圖3所示。圖3（a）為瞬時(shí)帶寬為480MHz，信道數(shù)目為K=8時(shí)的均勻?yàn)V波器組劃分；圖3（b）為瞬時(shí)帶寬為960MHz，信道數(shù)目為K=16時(shí)的均勻?yàn)V波器組劃分［5］。兩種情況下均勻?yàn)V波器組劃分均采用了子帶部分交疊的劃分形式，過渡帶為5MHz。

2.3 FPGA內(nèi)部功能實(shí)現(xiàn)

該信道化接收系統(tǒng)FPGA內(nèi)部功能主要包括系統(tǒng)全局時(shí)鐘模塊、PLL時(shí)鐘配置模塊、A/D采樣配置模塊、LVDS模塊、數(shù)據(jù)調(diào)整模塊以及FIFO模塊。高速A/D采樣得到的480MHz數(shù)據(jù)經(jīng)過FPGA內(nèi)部自帶的LVDS模塊，將2×16bit數(shù)據(jù)按照1：4分成2×64bit數(shù)據(jù)，相當(dāng)于抽取比D=8，即輸出數(shù)據(jù)率fout=fs/D=960MHz/8=120MHz，按照臨界抽取條件，信道數(shù)目K=D=8，瞬時(shí)帶寬為480MHz時(shí)，子帶寬度B0=60MHz。實(shí)現(xiàn)單通道瞬時(shí)帶寬960MHz的信道化結(jié)構(gòu)時(shí)，信道數(shù)目和抽取比為K=D=16，子帶寬度依然為B0=60MHz。經(jīng)過LVDS輸出的數(shù)據(jù)率為120MHz，送入數(shù)據(jù)調(diào)整模塊后進(jìn)行多相濾波結(jié)構(gòu)的信道化處理，其處理結(jié)果通過高速FIFO與DSP完成數(shù)據(jù)傳輸。具體FPGA內(nèi)部功能框圖如圖4所示。

3 實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果

在完成了基于多相濾波結(jié)構(gòu)的信道化接收機(jī)設(shè)計(jì)與調(diào)試的基礎(chǔ)上，對(duì)該接收系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)際測試。

3.1 對(duì)高速A/D數(shù)據(jù)采集的測試

輸入信號(hào)頻率為500MHz，信號(hào)形式分別為連續(xù)波和脈沖波，A/D采樣速率為2GHz，利用FPGA自帶的SignalTapⅡ嵌入式邏輯分析觀察LVDS模塊調(diào)整后的多路信號(hào)波形。測試結(jié)果如圖5所示。

3.2 多相結(jié)構(gòu)信道化測向情況測試

根據(jù)FPGA內(nèi)部多相濾波結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)，其后續(xù)采用了CORDIC算法來實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)幅度、瞬時(shí)相位的提取。實(shí)驗(yàn)中選擇輸入信號(hào)為100MHz的連續(xù)波信號(hào)，瞬時(shí)帶寬為480MHz，采樣速率為960MHz，利用DSP讀取高速FIFO中的數(shù)據(jù)，借助CCS開發(fā)環(huán)境，將得到的數(shù)據(jù)以波形顯示，如圖6所示。其中 dsp_reg2為3表示信道3截獲了信號(hào)，與圖3（a）信道劃分情況相符；而圖形顯示的是CORDIC算法輸出的瞬時(shí)相位曲線。

3.3 截獲信號(hào)頻率測試情況

輸入8個(gè)不同頻率的余弦信號(hào)，檢測系統(tǒng)截獲信號(hào)的信道編號(hào)是否正確以及記錄截獲信號(hào)的頻率。對(duì)照表1可知，系統(tǒng)輸出的信道編號(hào)是正確的。由于信道化系統(tǒng)的采樣時(shí)鐘可能存在偏差和抖動(dòng)，從而導(dǎo)致相位差測頻算法測頻出現(xiàn)偏差，即理論上各個(gè)信道中心頻率與實(shí)際有一定的偏差，故試驗(yàn)檢測頻率與測試信號(hào)頻率有一些偏差，但是已達(dá)性能指標(biāo)要求。

本文介紹了一種基于多相濾波結(jié)構(gòu)的高效信道化接收機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。借助采樣速率1GHz、集成雙通道的高速A/D，該信道化接收機(jī)可以實(shí)現(xiàn)雙通道瞬時(shí)帶寬 480MHz和單通道瞬時(shí)帶寬960MHz的寬頻帶覆蓋。利用LVDS模塊實(shí)現(xiàn)了高速數(shù)據(jù)的降速，并在FPGA內(nèi)部實(shí)現(xiàn)了多相濾波結(jié)構(gòu)的數(shù)字信道化接收，采用CORDIC算法實(shí)現(xiàn)了瞬時(shí)幅度和瞬時(shí)相位的提取，并通過實(shí)際測試驗(yàn)證了高速數(shù)據(jù)采集、均勻信道化接收和瞬時(shí)相位提取的正確性。該高效結(jié)構(gòu)的信道化接收在FPGA內(nèi)部實(shí)現(xiàn)，具有結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)靈活、方便的特點(diǎn)，且利用DSP可以實(shí)現(xiàn)后續(xù)的相關(guān)信號(hào)處理算法，適合工程應(yīng)用。

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