基于CPCI总线的GMSK调制系统研究*

陈 霞 涂书敏 曾 云

(中国船舶重工集团公司第722研究所 武汉 430079)

1 引言

GM SK(最小高斯频移键控)调制作为一种连续相位的恒包络调制,具有频谱紧凑、抗干扰能力强等特点,在通信中得到了广泛的应用。在军事通信中,GM SK调制与跳频通信相结合,利用GMSK的恒包络,频谱利用率高的特性以及跳频通信的抗干扰、抗截获特性,可以实现军事通信中的高速,安全数据传输。

GMSK调制原理图如图1所示。

图1 GMSK调制原理图

图1中的预调制滤波器为高斯低通滤波器,其单位冲激响应为:

传输函数为:

式中:α是与高斯滤波器的3dB带宽Bb有关的参数,它们之间的关系为

如果输入为双极性不归零矩形脉冲序列S(t):

式中:an为输入数据,T为码元间隔。高斯预调制滤波器的输出为:

式中:g(t)为高斯预调制滤波器的脉冲响应:

根据式GMSK信号的表达式可表示为:

2 系统原理

本调制系统是基于 CPCI总线开发的,CPCI(Compact PCI)总线规范是由PICMG(PCI总线工业计算机制造商联盟)负责制定和支持的,它基于PICMG2.0规范,在电气、逻辑和软件方面与PCI标准完全相同,CPCI标准将PCI标准特性与支持嵌入式应用的坚固机械外形完美结合在一起,其性能特征是专门针对工业环境而量身定制的。CPCI总线在时钟频率66MHz,总线宽度64bits时,传输速度可高达528MBps,它可以有效地解决数据的高速实时传输问题。

2.1 设计方案

本文的方案如图2所示。

图2 系统的硬件原理图

本调制系统采用了DSP+CPLD的方式,这种方式使整个系统具有高速实时、结构灵活、通用性强等特点,适合模块化设计,从而能够提高效率,同时其开发周期较短,系统容易维护和扩展。由于DSP与PC主机通信是通过CPCI总线实现的,这样整个系统在高速实时方面也具有较大的优势。

2.2 主要芯片简介

DSP芯片选用TI公司的TMS32OC6416T,该芯片为32位高性能定点 DSP其主频范围在400MH z至600MHz,运算速度高达4800M IPS,片上RAM达到8.256M bit。由于该芯片内核采用超长指令字(VLIW)体系结构,可以单周期执行多条指令,所以能够实现很高的指令级并行效率。

AD9857是 Analog Devices公司推出的一种高性能通用数字正交上变频器,它把一个高速直接数字合成器(DDS)、一个高性能高速14位数模转化器(DAC)、时钟倍频电路、数字滤波器和其他数字信号处理(DSP)功能整合到了一块芯片上,形成了一套完整的正交数字式上变频装置。AD9857有正交调制模式、单频输出模式和插值DAC模式三种工作模式。模式选择、时钟倍频参数、滤波器参数、频率字和幅度等参数的配置均可通过对串行控制接口向控制寄存器编程实现。

3 硬件设计

硬件设计主要包含如下:DSP与CPCI插槽间的连接信号线;DSP最小系统的设计(含电源、时钟、存储电路等);CPLD对各芯片间的连接逻辑与时序的控制;AD9857与DSP间的数据通信。

3.1 CPCI总线的DSP的接口设计

TMS32OC6416T和其他DSP要加桥接芯片才可与PCI总线互连不同,它片内集成了一个主/从模式的PCI接口,完全兼容CPCI。通过CPCI总线能够实现DSP与PCI主机的互连,可以访问DSP整个片内RAM、集成外设以及片外存储器(通过EM IF)。本系统将DSP的PCI接口设置为从模式。主要连线如图3所示。

图3 CPCI总线与DSP主要连线示意

3.2 DSP与AD9857数据通信

AD9857串口是一种完全兼容SPI模式的串口,通过该接口可以读写AD9857的所有寄存器,控制单元根据各个寄存器的内容设置AD9857的工作模式。因此,要实现DSP与AD9857的通信,只需将DSP的McBSP设置成SPI工作模式。本设计将McBSP设为SPI通信主设备,AD9857为从设备。具体接法如图4所示。

图4 DSP与AD9857主要接线示意

在DSP与AD9857通信系统中,对AD9857内部寄存器的参数配置是十分重要的。具体需要配置参数如下:工作模式、时钟倍频系数、插值滤波器系数、DDS频率控制字和DA输出增益控制等。这些配置参数由DSP通过McBSP串口进行配置。

在硬件设计中需要注意的是一定要保证DSP与AD9857的同步,否则会造成数据丢失,两者之间无法正确的通信。设计时在CPLD内通过逻辑将串口的发送数据的帧同步信号FSX直接与AD9857的串口的帧同步信号SYNCI0相连,即可很好地解决两者之间的同步问题。

4 软件设计

GMSK信号可以表示为正交形式,即

由上式可以构成一种波形存储正交调制器,其原理图如图5所示。

图5 波形存储正交调制法原理框图

结合上述原理框图,可知本调制系统的具体实现方法为:DSP通过CPCI总线接收原始数据并对其进行预编码,经 DSP查表(DSP预先生成的GMSK相位查找表)及相应处理得到14位字长(含符号位)的I、Q基带定长数据后,在并行输入时钟控制下,两路数据交替被送入AD9857,经过一系列数字化处理(滤波、插值等)后,进入正交调制部分。AD9857内核为正交调制提供一个正交(sin或cos)片内振荡信号,I、Q数据通过与各自载波相位相乘再求和,产生一个正交调制数据流,数据流经AD9857内部DAC转换可直接生成通信所需GMSK信号。

软件实现的核心是对DSP进行编程,主要包括与CPCI通信子程、数字基带处程序(编码、交织等)、与AD9857串口通信子程以及并口传输数据中断程序等。软件实现的主程序流程如图6所示。

图6 软件实现的主程序流程图

5 结语

基于CPCI总线,配以数据处理能力强大的DSP和逻辑处理能力高效的CPLD组成GM SK调制系统,在高速性、实时性、通用性方面具有很大的优势。从理论上说,各种通信信号都可以用正交调制的方法加以实现,因此,此调制平台对多个频段的MSK、MFSK、QPSK和QAM 调制系统的实现具有很好的借鉴意义。

[1]Analog Devices.Inc.CMOS 200MSPS 14-Bit Quadrature Digital Upconverter AD9857 rev.C

[2]宋泽宇,涂书敏,吕雪峰.基于软件无线电激励技术研究[J].舰船电子工程,2006,26(4)

[3]王振伟.短波调频GMSK传输的关键技术研究[D].长沙:国防科技大学工学硕士论文,2006,11:12～22

[4]王士林,陆存乐.现代数字调制技术[M].北京:人民邮电出版社,1987,8

[5]沈振元,等.通信系统原理[M].西安:西安电子科技大学出版社,1999,4

[6][美]Texas Instruments Incorporated.TMS320C6000系列DSP编程工具与指南[M].田黎育,何佩琨,朱梦宇,译.北京:清华大学出版社,2006:235～429

[7]Tom Shan ley,Don Anderson.PCISystem A rchitecture[M].北京:电子工业出版社,2000