一种基于DSP+FPGA的软件无线电平台的设计及应用

　　引言
   　　随着无线通信的发展，出现了多种模式的通信体制，为了满足互通性的问题，软件无线电的思想被提出来。所谓软件无线电，其中心思想是：构造一个具有开放性、标准化、模块化的通用硬件平台，将通信的各种功能通过软件来完成，并使宽带A/D和D/A转换器尽可能靠近天线，以研制出具有高度灵活性、开放性的新一代无线通信系统。由于软件无线电可以通过增加软件模块来增加新的功能，而且硬件也可以随着器件的发展而不断地升级，所以这一概念一经提出就受到了广泛的关注。
   　　OFDM（orthogonal frequency division multiplexing，正交频分复用）是一种具有多种优点的传输系统，目前已经有很多应用，而且随着第四代（4G）无线通信系统的研究进入实质性阶段，OFDM极有可能成为4G中的传输方案。本文在此背景下，设计了一种基于软件无线电的平台，并在此平台上实现了OFDM传输系统，
   　　系统结构设计
   　　目前受器件的限制，软件无线电一般都采用中频采样的结构，这样做既兼顾了软件无线电的思想，又能在目前的器件水平下搭建实际可应用的系统。本文的软件无线电平台也采用了这一结构。随着无线通信系统的发展都在朝着高速率、可移动性方向发展，因此本平台的设计也必然要适应宽带无线通信系统的要求。
   　　平台结构
   　　平台主要针对系统物理层中的中频和基带处理单元而设计。系统的结构如图1所示。平台由一个DSP（TMS320C6414T）、两片FPGA（Cyclone EP1C6Q240C8）、上变频芯片DUC（AD9857）、下变频芯片DDC（HSP50214B）等构成。
   
   图1  平台结构图
   　　根据信号处理模块和各芯片数据处理的特点，我们将各通信模块分配到不同的器件中来完成。DSP的主频很高，而且内部资源丰富，支持高级语言的编程，适合于串行的算法，用来完成协议和基带处理；FPGA配置灵活多变，虽然主频不太高，但是鉴于其并行处理能力突出，用于完成时钟分配、芯片设置、接口转换等；AD9857和HSP50214B是用于上下变频的ASIC，集成程度高，参数设置灵活，可以满足多模式的数字上下变频，数据速率变换和滤波。下面简要介绍一下平台上器件的性能。
   　　器件介绍
   　　● DSP
   　　平台选用的DSP芯片是TI公司的TMS320C6416T芯片。该处理器属于32位定点处理器，主频1GHz，内部集成丰富的外设和接口。在指令结构上，扩展了寻址指令、位域指令、打包解包、控制转移等指令，增强了芯片的处理能力。在计算2048点的复数FFT运算时，可以在大约26 000个时钟周期内完成。
   　　6416T主要包含的模块有：1）两个通用寄存器组，64个32位通用寄存器；2）8个功能单元，6个ALU（32/40b），两个乘法器（16×16）；3）一共8.256Mb的两级缓存内部存储；此外，还有图1中没有列出的Viterbi编解码协处理器（VCP）和Turbo码编解码协处理器（TCP）。VCP支持500路7.95Kb/s AMR，TCP可以处理6路2Mb/s 3GPP。
   　　接口方面包括：1）多通道EDMA控制器；2）多通道缓冲串口（MCBSP）；3）高性能外部存储器接口（EMIF）；4）可访问DSP的整个存储空间的主机口（HPI）；这里不在一一列举。
   　　● 上变频芯片AD9857
   　　AD9857是一款高性能的数字上变频器，最高时钟为200MHz，根据外时钟的范围，可以选择0～80MHz的任意中频输出；芯片还具有两级内插功能，可以实现4倍固定内插和2～64倍可选内插倍数，便于多数据速率变换；14b的DAC。
   　　● A/D变换器AD9051
   　　ADC选用ADI公司的AD9051，最高采样速率达到60MSPS，10b输出，对于中心频率较低的中频信号可以进行直接采样，中频值较高的则运用带通采样方式。
   　　●下变频芯片HSP50214B
   　　HSP50214B是专用数字下变频芯片中综合性能最好的，除数字下变频外还具有最高255阶可编程FIR滤波器，0～96dB动态范围的 AGC自动增益控制，数据速率变换包括4～32倍CIC抽取和5级HB抽取，以及FIR1-16倍抽取，坐标转换，鉴频等功能，而且具有四种输出形式，接口灵活。
   　　● FPGA
   　　由于平台上的中频处理由ASIC完成，所以FPGA选用了CycloneⅡ EP1C6Q240C8，这是一款低端的FPGA芯片，逻辑单元只有6000门，主要用来完成时钟分配，接口转换，ASIC控制字配置，以及作为DSP的协处理器的补充。
   　　该平台较好的整合了DSP、ASIC和FPGA，兼顾了系统的通用性和复杂度，ASIC的应用减少了系统配制时的软件设计复杂度。
   　　OFDM收发信机的实现
   
   　　OFDM技术是当前的热门技术之一，与传统的传输技术相比，OFDM具有：1）降低了子载波的数据速率，减小了无线信道引起的ISI，有效的降低了多径干扰；2）采用若干相互正交的子载波，频谱有重叠，最大限度地提高频谱效率；3）采用IFFT和FFT进行调制和解调，硬件实现简单；所以，尽管存在峰均比较高以及对频偏敏感等问题，OFDM仍然不失为一种性能优良的传输方式。目前采用了OFDM的标准主要有数字音频广播（DAB）、数字视频广播（DVB）、欧洲无线局域网Magic WAND、802.11、非对称数字用户线（ADSL）等。为此，我们在本平台上实现了OFDM的收发信机。
   　　本OFDM系统采用了如下的基带和中频结构，如图2所示。图2中，音频编码采用了G.729标准，加扰采用了9位的反馈移位寄存器产生的伪随机序列，压扩部分为μ律压扩变换，其中μ=3。另外，系统子载波个数为2048，载波间隔1kHz，中频40.96MHz。图中的结构几乎包括了所有 OFDM系统应有的处理单元，具有一定的代表性，在此基础上经过必要的参数修改，可以演变出绝大多数标准的系统。为了便于接收端的同步处理，在帧结构上采用了类似DAB的结构，每帧76个符号，其中第一个符号为空符号，第二个符号为固定的相位参考符号。
   
   图2  OFDM系统框图
   　　通过对各模块功能的分析，并结合本平台上各器件的特点，对各模块的实现在平台上进行分配。图3显示了这种分配方式。
   
   图3  OFDM系统处理流程
   　　数据接口方面，发射端DSP将经过基带处理以后成帧的信号通过EMIF接口发送到FPGA的FIFO中缓存，然后数据进入数字上变频器，进行40.96MHz的上变频，上变频后的数据经过4倍固定内插和CIC的24倍内插后经过D/A输出，形成OFDM中频信号。如图4所示。
   
   图4  OFDM中频信号频谱仪截图
   　　接收端对中频信号以32.768MHz进行带通采样，数字下变频器对采样后8.192MHz的镜像频率进行数字下变频，之后对信号进行16 倍的抽取，使信号速率下降到2M，HSP50214采用并行直接输出的模式，分两路分别输出16b的IQ两路数据，FPGA通过并串转换，将数据通过 MCBSP送入DSP进行同步处理和基带处理，得到原发送信息。
   　　结论
   　　本文提出了一种基于DSP、FPGA以及ASIC的软件无线电平台，并在该试验平台上完成了OFDM系统的基带和中频设计，并且经过了实际的验证，系统运行情况良好，有效地支持多种通信模式，是一种应用广泛的软件无线电平台。目前正在对功率放大器的基带预失真技术进行研究，以进一步的改善系统性能。