HSP50214BPDC及其在軟件無線電中的應(yīng)用

軟件無線電[１][２]代表著包括無線通信在內(nèi)的幾乎所有的無線電電子信息系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，其核心思想就是將模數(shù)／數(shù)模變換器盡量靠近天線，在對信號充分?jǐn)?shù)字化的基礎(chǔ)上依靠軟件來定義無線電的各項(xiàng)功能。在現(xiàn)階段�熡捎诟鞣N關(guān)鍵器件，特別是受ＡＤＣ（模數(shù)變換器）和ＤＳＰ（數(shù)字信號處理器）發(fā)展水平的限制，數(shù)字中頻軟件無線電[３]正成為理想軟件無線電的一種經(jīng)濟(jì)、適用的折中選擇。在數(shù)字中頻軟件無線電接收機(jī)中，ＡＤＣ直接采樣的是模擬中頻信號，輸出的高速數(shù)字信號經(jīng)由數(shù)字下變頻器（ＤＤＣ）的變頻、抽取（Ｄｅｃｉｍａｔｉｏｎ）和低通濾波處理之后成為低速的基帶信號，供后續(xù)的ＤＳＰ作進(jìn)一步的處理。

１ 結(jié)構(gòu)組成與工作機(jī)理

ＨＳＰ５０２１４Ｂ可大體分為１３個功能模塊：同步電路、輸入模塊、輸入電平檢測、變頻模塊（正交混頻器與數(shù)控振蕩器）、ＣＩＣ（Ｃａｓｃａｄｅｄ Ｉｎｔｅｇｒａｔｏｒ－Ｃｏｍｂ）抽取濾波器、ＨＢ（Ｈａｌｆ－ｂａｎｄ）抽取濾波器、２５５階可編程ＦＩＲ濾波器、自動增益控制器（ＡＧＣ）、重采樣與ＨＢ內(nèi)插濾波器、定時數(shù)控振蕩器、坐標(biāo)變換器、鑒頻（幅）模塊和輸出模塊。圖１為ＨＳＰ５０２１４Ｂ的功能組成框圖。

從其結(jié)構(gòu)組成可見，ＨＳＰ５０２１４Ｂ可以完成通常ＤＤＣ所應(yīng)具有的三大功能：一是頻率變換；二是采樣率壓縮（抽取）；三是濾波整形。其中的變頻功能由圖１中所示的正交混頻器完成，抽取和濾波功能則由圖１中所示的ＣＩＣ抽取濾波器、ＨＢ抽取濾波器、２５５階ＦＩＲ抽取濾波器、重采樣和ＨＢ內(nèi)插（Ｉｎｔｅｒｐｏｌａｔｉｏｎ）濾波器級聯(lián)完成。事實(shí)上，這里的變頻和低通濾波合在一起就是帶通信號的正交調(diào)制過程[５]。而其中的抽取功能實(shí)際上是通過采樣率變換的多級級聯(lián)實(shí)現(xiàn)的。就系統(tǒng)所需的運(yùn)算量和存儲量來說，采樣率變換的多級實(shí)現(xiàn)通常要比單級實(shí)現(xiàn)更有效[５]。因此，ＨＳＰ５０２１４Ｂ工作機(jī)理的理論淵源就是帶通信號的正交調(diào)制理論和采樣率變換的多級實(shí)現(xiàn)理論。除了上述的三大功能以外，ＨＳＰ５０２１４Ｂ還可以完成諸如自動增益控制、片內(nèi)和片間的同步控制、載波和碼元跟蹤以及對部分常規(guī)通信信號的解調(diào)等功能。

２ 引腳描述與技術(shù)特性

ＨＳＰ５０２１４Ｂ是一個超大規(guī)模集成芯片，共有１２０個引腳，各引腳的說明如表１所示。

表1 HSP50214B 可編程下變頻器的引腳說明

引腳 說明 引腳 說明
　　Vcc 電源輸入正電壓 OEAH AOUT總線高字節(jié)位輸出使能
　　GND 接地 OEAL AOUT總線低字節(jié)位輸出使能
　　CLKIN 輸入時鐘 OEBL BOUT總線高字節(jié)位輸出使能
　　IN(13:0) 輸入數(shù)據(jù) OEBH BOUT總線低字節(jié)位輸出使能
　　ENI 輸入使能 COF 載頻補(bǔ)償輸入
　　GAINADJ(2:0) 增益調(diào)整輸入 COFSYNC 載頻補(bǔ)償同步輸入
　　PROCCLK 芯片后端處理時鐘 SOF 重采樣補(bǔ)償頻率輸入
　　AGCGNSEL AGC增益選擇 SOFSYNC 重采樣補(bǔ)償頻率同步輸入
　　SEROUTA 串行輸出總線A SEL 輸出數(shù)據(jù)地址選擇線
　　SEROUTB 串行輸出總線B C(7:0) 與微處理器接口的數(shù)據(jù)總線
　　SERCLK 串行數(shù)據(jù)輸出時鐘 A(2:0) 與微處理器接口的地址總線
　　SERSYN 串行輸出同步信號 WR 與微處理器接口的寫脈沖
　　AOUT(15:0) 并行輸出總線A RD 與微處理器接口的讀脈沖
　　BOUT(15:0) 并行輸出總線B MSYNCO 多芯片應(yīng)用時的同步輸出信號
　　DATARDY 輸出使能信號 MSYNCI 多芯片應(yīng)用時的同步輸入信號
　　SEROE 串行輸出使能信號 SYNCIN1 前端刷新同步輸入信號
　　INTERRP 中斷輸出 SYNCIN2 后端刷新同步輸入信號
　　REFCLK 參考時鐘 SYNCOUT 同步脈中輸出

概括地說，ＨＳＰ５０２１４Ｂ具有的技術(shù)特性如下：

· 前端處理速度ＣＬＫＩＮ達(dá)到６５ＭＳＰＳ，后端處理速度ＰＲＯＣＬＫ達(dá)５５ＭＳＰＳ。

· 全部處理過程的無虛假信號動態(tài)范圍（ＳＦＤＲ）大于１００ｄＢ。

· 在低通輸出帶寬為９８２ｋＨｚ的時候輸出速率可達(dá)１２．９４ＭＳＰＳ。

· 總抽取因子范圍為４～１６３８４，由于有了重采樣級，抽取因子可以是非整數(shù)。

· ３２－ｂｉｔ的可編程載頻數(shù)控振蕩器（ＮＣＯ）可用于信道分選和載波跟蹤，頻率分辨率可達(dá)０．０１５Ｈｚ（ＣＬＫＩＮ＝６５ＭＳＰＳ時）。

· ３２－ｂｉｔ的重采樣ＮＣＯ可用于碼元跟蹤。

· 數(shù)字ＡＧＣ可用于進(jìn)一步擴(kuò)大信號的位分辨率，增益容限可在０～９６．３３２ｄＢ、增益調(diào)整速率可在０．０００１０６～３．２７５ｄＢ／ＰＳ之內(nèi)可編程，增益調(diào)整有固定和自動兩種選擇。另外還有輸入電平檢測器用來構(gòu)成外部模擬增益控制環(huán)路。

· 輸入分辨率為１４－ｂｉｔ，輸出分辨率為１６－ｂｉｔ，支持直接串行、直接并行、ＦＩＦＯ式緩存和快照式緩存輸出。

· 笛卡兒坐標(biāo)到極坐標(biāo)轉(zhuǎn)換器和鑒頻（幅）器可用于ＡＭ、ＳＳＢ、ＦＭ、ＰＭ、ＡＳＫ、ＦＳＫ、ＰＳＫ、ＱＰＳＫ和Ｍ進(jìn)制ＱＡＭ等信號的解調(diào)。

３ 應(yīng)用體會

ＨＳＰ５０２１４Ｂ的最大特點(diǎn)是通過其靈活的可編程性可獲得功能的多樣性。它可以與ＨＳＰ５０２１０數(shù)字科斯塔斯環(huán)（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｃｏｓｔａｓ Ｌｏｏｐ）一起用于ＰＳＫ信號的接收。當(dāng)用于單信道軟件無線電時，它可同時支持寬帶和窄帶處理。當(dāng)應(yīng)用于基站接收時，若通過適當(dāng)?shù)木幊蹋�ＨＳＰ５０２１４Ｂ可以滿足各種各樣的通信標(biāo)準(zhǔn)，如ＦＤＭＡ中的ＡＭＰＳ（ＩＳ－９１）；ＴＤＭＡ中的ＩＳ－５４、ＧＳＭ、ＰＣＮ和北美ＴＤＭＡ ＩＳ－１３６；ＣＤＭＡ中的ＩＳ－９５等等。它還可很好地用于第三代移動通信的各種應(yīng)用研究中。

為了最優(yōu)地配置ＨＳＰ５０２１４Ｂ，必須對該ＰＤＣ芯片進(jìn)行仔細(xì)地研究，既要了解整個ＰＤＣ芯片的結(jié)構(gòu)功能，又要明確芯片中各個模塊在ＰＤＣ中的地位、功能和特性。這是因?yàn)樵谛酒�設(shè)計(jì)時，其中的每個模塊都被賦予了特殊的作用。ＨＳＰ５０２１４Ｂ的核心是完成三大功能的兩大模塊：變頻模塊和采樣率變換模塊（兼有濾波整形功能）；前者的配置相對簡單一些，比較復(fù)雜的是后者。在采樣率變換模塊中，ＣＩＣ抽取濾波器用來完成主要的抽取任務(wù)；５個ＨＢ抽取濾波器用來完成抽取因子為２的冪次的采樣率壓縮任務(wù)；２５５階ＦＩＲ抽取濾波器其實(shí)是指該ＦＩＲ濾波器的最大可用階數(shù)為２５５，整個采樣率變換模塊的濾波整形功能主要由它來承擔(dān)，它還可用來補(bǔ)償其前面的濾波器如ＣＩＣ濾波器在通帶內(nèi)的衰減等；重采樣級用來實(shí)現(xiàn)采樣率的非整數(shù)倍變換；２級ＨＢ內(nèi)插濾波器可以恢復(fù)由于前面對信號進(jìn)行抽取而損失的時間分辨率，并且還可以讓前面的２５５階ＦＩＲ濾波器工作在盡量接近Ｎｙｑｕｉｓｔ采樣率的低采樣率下，以使２５５階ＦＩＲ濾波器的可用濾波器階數(shù)增大，從而更好地完成對信號的濾波整形處理[６]。在采樣率變換模塊的配置中需要特別考慮的還有ＰＤＣ芯片的硬件制約因素，如各級間的接口速率是否匹配以及各級濾波器在進(jìn)行濾波整形處理時能夠正常工作的濾波器指標(biāo)范圍等。

此外，在ＰＤＣ的配置中還必須考慮以下模塊：使整個ＰＤＣ芯片正常工作的ＡＧＣ模塊；解調(diào)各種常規(guī)通信信號的鑒頻（幅）模塊；使單片ＰＤＣ內(nèi)的各個模塊以及在多片ＰＤＣ聯(lián)合使用時各ＰＤＣ間都能協(xié)調(diào)工作的同步控制功能模塊等。

４ 一個實(shí)用的數(shù)字中頻軟件無線電實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

在此給出一個實(shí)用的數(shù)字中頻軟件無線電實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，如圖２所示。其中用于中頻采樣的ＡＤＣ為Ａｎａｌｏｇ Ｄｅｖｉｃｅ公司的ＡＤ６６４４，接收機(jī)中頻為１０．７ＭＨｚ。數(shù)字信號源是為了進(jìn)行各種軟件無線電的相關(guān)研究而設(shè)置的。ＰＤＣ后的基帶處理器既可以是通用ＤＳＰ，也可以是高檔ＰＣ機(jī)。前面的模擬接收機(jī)根據(jù)實(shí)際需要既可以掛接寬帶接收機(jī)，也可以掛接窄帶接收機(jī)。全部系統(tǒng)都是通過ＰＣ機(jī)控制運(yùn)行的。通過實(shí)驗(yàn)，ＨＳＰ５０２１４Ｂ可以很好地完成變頻、采樣率壓縮、濾波整形以及對幾種常規(guī)通信信號如ＡＭ、ＦＭ、ＦＳＫ和ＰＳＫ等的解調(diào)。

事實(shí)上，不止是在通信領(lǐng)域，對于各種用途的無線電電子信息接收系統(tǒng)，都可以考慮應(yīng)用象ＨＳＰ５０２１４Ｂ這樣高性能的ＰＤＣ芯片來開發(fā)具有軟件無線電意義上的新一代產(chǎn)品。為了構(gòu)建一個多通道系統(tǒng)，還可以在一個系統(tǒng)中應(yīng)用多片ＨＳＰ５０２１４Ｂ。另外，Ｉｎｔｅｒｓｉｌ于２０００年最新推出了該公司的首片多通道ＰＤＣ——ＨＳＰ５０２１６ＱＰＤＣ（Ｑｕａｄ ＰＤＣ），該ＰＤＣ共有４個通道，每個通道的結(jié)構(gòu)與單片ＨＳＰ５０２１４Ｂ基本相同，但在性能上有所提高，而且可以進(jìn)行獨(dú)立的配置。