基于CPCI總線的GMSK調制系統研究*

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)調制作為一種連續相位的恒包絡調制,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調制與跳頻通信相結合,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,可以實現軍事通信中的高速,安全數據傳輸。

GMSK調制原理圖如圖1所示。

圖1 GMSK調制原理圖

圖1中的預調制濾波器為高斯低通濾波器,其單位沖激響應為:

傳輸函數為:

式中:α是與高斯濾波器的3dB帶寬Bb有關的參數,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為輸入數據,T為碼元間隔。高斯預調制濾波器的輸出為:

式中:g(t)為高斯預調制濾波器的脈沖響應:

根據式GMSK信號的表達式可表示為:

2 系統原理

本調制系統是基于 CPCI總線開發的,CPCI(Compact PCI)總線規范是由PICMG(PCI總線工業計算機制造商聯盟)負責制定和支持的,它基于PICMG2.0規范,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合在一起,其性能特征是專門針對工業環境而量身定制的。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據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 系統的硬件原理圖

本調制系統采用了DSP+CPLD的方式,這種方式使整個系統具有高速實時、結構靈活、通用性強等特點,適合模塊化設計,從而能夠提高效率,同時其開發周期較短,系統容易維護和擴展。由于DSP與PC主機通信是通過CPCI總線實現的,這樣整個系統在高速實時方面也具有較大的優勢。

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。由于該芯片內核采用超長指令字(VLIW)體系結構,可以單周期執行多條指令,所以能夠實現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字正交上變頻器,它把一個高速直接數字合成器(DDS)、一個高性能高速14位數模轉化器(DAC)、時鐘倍頻電路、數字濾波器和其他數字信號處理(DSP)功能整合到了一塊芯片上,形成了一套完整的正交數字式上變頻裝置。AD9857有正交調制模式、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、濾波器參數、頻率字和幅度等參數的配置均可通過對串行控制接口向控制寄存器編程實現。

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間的數據通信。

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總線能夠實現DSP與PCI主機的互連,可以訪問DSP整個片內RAM、集成外設以及片外存儲器(通過EM IF)。本系統將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數據通信

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,控制單元根據各個寄存器的內容設置AD9857的工作模式。因此,要實現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通信系統中,對AD9857內部寄存器的參數配置是十分重要的。具體需要配置參數如下:工作模式、時鐘倍頻系數、插值濾波器系數、DDS頻率控制字和DA輸出增益控制等。這些配置參數由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,否則會造成數據丟失,兩者之間無法正確的通信。設計時在CPLD內通過邏輯將串口的發送數據的幀同步信號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

由上式可以構成一種波形存儲正交調制器,其原理圖如圖5所示。

圖5 波形存儲正交調制法原理框圖

結合上述原理框圖,可知本調制系統的具體實現方法為:DSP通過CPCI總線接收原始數據并對其進行預編碼,經 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基帶定長數據后,在并行輸入時鐘控制下,兩路數據交替被送入AD9857,經過一系列數字化處理(濾波、插值等)后,進入正交調制部分。AD9857內核為正交調制提供一個正交(sin或cos)片內振蕩信號,I、Q數據通過與各自載波相位相乘再求和,產生一個正交調制數據流,數據流經AD9857內部DAC轉換可直接生成通信所需GMSK信號。

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

圖6 軟件實現的主程序流程圖

5 結語

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

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