基于DSP和FPGA的软件无线电平台研究

基于 DSP 和 FPGA 的软件无线电平台研究

廖长清等

2004 年 3 月第 35 卷第 1 期 (总第 114 期)

基于 DSP 和 FPGA 的软件无线电平台研究
廖长清 1,李丽娟 2
(1. 中国航空无线电电子研究所,上海 200233;2. 神达集团上海环达计算机科技研发中心,上海 200040)

[摘 要] 从硬件和软件两方面建立了基于 DSP 和 FPGA 的软件无线电平台。重点研究了该实验平台多模式 数字调制解调的硬件实现结构、软件实现结构和不同模式之间的切换等,充分体现了软件无线电系统的灵活性、 开放性和兼容性等特点。 [关键词] 软件无线电;数字信号处理;现场可编程门阵列;调制 [中图分类号] TN92 [文献标识码] A [文章编号] 1006-141X(2004)01-0023-05

Research of Software Radio Platform Based on DSP&FPGA
LIAO Chang-qing, LI Li-juan
(1. Chinese Aeronautical Radio Electronics Research Institute, Shanghai 200233, China; 2. MITAC Research (Shanghai) LTD, Shanghai 200040, China)

Abstract: A software radio experimental platform including hardware and software based on DSP&FPGA is set up in this paper,which is focused on the implemental structure of hardware and software and switch in multimode digital modulation schemes. This system fully shows the flexibility, openness and compatibility of Software Radio. Key words: software radio; DSP; FPGA; modulation

1

引言
软件无线电(SR)是一种无线通信体系结构,

软件定义的无线电体系结构(SDR) 。该结构主要 由天线、射频前端、模拟中频、宽带 AD/DA 转换 器、通用和专用数字信号处理器以及各种软件组 成。其中,数字信号处理部分是软件无线电方案的 灵魂和核心所在。软件无线电系统的灵活性、开放 性和兼容性等特点主要是通过以信号处理器为中心 的通用硬件平台及软件来实现的。 软件的实现方式一般可划分为两类:一是采 用 可 编 程 的 DSP 器 件 来 实 现 , 如 美 国 军 方 的 Speakeasy(易通话)军用电台系统;二是采用现场可 编程门阵列(FPGA)来实现数字信号处理。在本 文中我们采用 DSP 和 FPGA 结合来作为软件无线 电信号处理实验平台。如图 1 所示。
? 23 ?

其基本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,将各种功能,如工作频段、调制 解调类型、数据格式、加密模式、通信协议等用软 件完成,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,从面向基于硬件、面向用途的通信系 统设计方法中解放出来。但随着无线通信频段的升 高,由于受硬件器件的制约,实现理想的软件无线 电会很困难,因而在实际中一般演进为中频数字化 软件无线电结构和基带数字化软件无线电结构,即

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基带( 中频) 信号

航 空 电 子 技 术

AVIONICS TECHNOLOGY

连接。FPGA 的外围电路主要用于配置的 PROM、 FLASH ROM、模数转换和先进先出(FIFO)器 件等。同时,DSP 和 FPGA 之间的连接关系包括
信 源

宽带多 频 段 天 线

RF 部 分 变 频 宽 AD/ 带 DA

数 调 字 制 调 解

基 码 带 流 理 处

( 1 ) 数 据 线 DSPD0~DSPD15 ; (2) 地 址 线 : DSPA0~DSPA15;(3)控制线:BIO、HCS、DSPPS、 DSPIS、DSPMSTRB、DSPREADY、DSPRW;(4)

DSP+FPGA实现部分

中断线: DSPINT0、 DSPINT1、 DSPINT2、 DSPINT3; (5)串口线:BFSX0、BDX0、BCLKX0、BFSR0、 BDR0 、 BCLKR0 、 BFSX1 、 BDX1 、 BCLKX1 、 BFSR1、BDR1、BCLKR1。图 2 为 DSP 的主要外 围接口关系。FPGA 芯片由二个主要的可配置元件 组成:可配置逻辑模块(CLBs)和输入/输出模块 (IOBs) 。CLBs 提供构造逻辑功能;IOBs 提供可 配置的逻辑模块于包装引脚之间的接口;CLBs 之 间的相互连接通过一个通用的路由矩阵(general routing matrix-GRM) 。GRM 由位于水平方向和垂 直方向路由通道交叉路口的路由开关阵列构成。构 成一个通用模块的每一 CLB 也提供本地的路由资 源把 CLB 连接到 GRM。

图1

DSP 和 FPGA 在软件无线电系统中的位置

2

DSP 和 FPGA 实验平台的特点
随着技术的变化和应用的扩展,在软件无线

电系统中采用 DSP 和 FPGA 的数字信号处理系统 显示出其优越性,正愈来愈受到人们的重视。目前 通用的 DSP 已能满足算法控制结构复杂、运算速 度高、寻址方式灵活和通信性能强大等需求,但是 对于运算结构相对比较简单的底层信号处理算法则 显示不出其优点,适合采用 FPGA 硬件来实现。 因此,采用 DSP 和 FPGA 的数字信号处理系统可 以把两者的优点结合在一起,兼顾速度和灵活性, 既能满足底层信号处理需求,又能满足高层信号处 理需求。 DSP 和 FPGA 系统最大的优点是结构灵活, 有很强的通用性,适合于模块化标准化设计,从而 能够提高算法效率;同时其开发周期较短,系统容 易维护和扩展,适合实时信号处理。

3

DSP 和 FPGA 实验平台的设计
基于 DSP 和 FPGA 的软件无线电实验平台是

由可编程器件 DSP 和可重构逻辑器件 FPGA 搭建 而成的,故它提供了一个良好的数字无线通信环 境:可以将多种调制解调算法在实验平台上实现, 并能实现多种模式之间的切换,即通信模式之间的 可重构操作。 3.1 3.1.1 DSP 和 FPGA 实验平台硬件部分 DSP 和 FPGA 硬件系统的组成及连接关系 DSP 和 FPGA 系统的核心是由 DSP 芯片和可 重构器件 FPGA 组成,另外还包括一些外围辅助 电路等。DSP 的外围电路主要有 FLASH、ROM 和 RAM 等,需要进行地址线、数据线和控制线的
? 24 ? 图2 DSP 的主要外围接口

3.1.2

DSP 和 FPGA 硬件系统在软件无线电中的 设计 DSP 和 FPGA 硬件系统在软件无线电中的应

用,按功能划分,其硬件组成如图 3 所示,各功能 单元的主要功能如下。 (1)配置数据及程序数据存储单元(SRAM、 EPROM)

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存储硬件的初始化数据(包括 FPGA 配置数 据、DSP 程序数据),保证硬件平台在加电后可以 提供用户要求的功能。
DSP程 及 FPGA配置数据存储器 序 (SRAM 、EPROM 、ROM 等 )

模式来讨论是如何在 DSP 和 FPGA 实验平台上实 现的。 3.2.1 调制解调实现原理 QPSK 和 MSK 分别在 DSP 和 FPGA 实验平台 上实现的框图如图 4 和如图 5 所示。
成形滤波 I(t)

数 信 字 息 数 接 字 口 DSP FPGA 数 接 据 口 控 接 制 口 数 信 据 息 控 信 制 息

Osc. a(t) S/P
900 s(t)

图3

DSP 和 FPGA 硬件系统框图

成形滤波

Q(t)

(2)数字信号处理单元(DSP) 提供高速的 DSP 运算能力,以支持软件实现 的数字信号处理算法。 (3)配置硬件单元(FPGA) 提供足够的可配置逻辑资源及其它 RAM 资 源,以支持硬件方式实现的数字信号处理算法。 (4)数据接口单元(高速 AD、DA、滤波器) 实现信号处理过程中的中频信号的数模、模 数转换和带外杂散信号的抑制。 (5)数字接口单元 实现信号处理模块与信源(CMU 等)之间的信 息交互,底层硬件设计在 FPGA 上实现,软件接 口在 DSP 中实现,DSP 和 FPGA 之间采用中断方 式完成数据交换。 (6)控制接口单元 实现各种通信模式之间的切换等。 3.2 DSP 和 FPGA 实验平台软件部分 实验平台中信号处理模块的算法是根据具体 的调制解调方式来确定的,由于该系统采用通用的 可编程硬件平台实现,要增加新的信号处理方式而 无须改变系统的硬件结构,只要将软件算法重新下 载到硬件系统中即可;同时控制逻辑也可以通过编 写软件的方式来实现,使系统的控制变得十分自 由。这些都充分体现了软件无线电系统特有的灵活 性。 QPSK 和 MSK 是目前应用非常广泛、具有典 型代表性的两种调制解调方式,现我们就以这两种
? 25 ? 图4
r(t) O sc.

(a)QPSK 调制
LP F 1 0 0 解调输出 P /S

LP F

1 0 0

(b)QPSK 解调 QPSK 调制解调实现原理框图

其中,QPSK 主要工作过程如下:在发送端, 二进制信息流首先进行串并转换,分成 I、Q 两路, 完成信息编码和相位映射,将信息映射到 QPSK 相应的信号星座点上去,然后 I(t)和 Q(t)分别进入 乘法器,与载波发生器输出的相互正交两路载波相 乘,完成两个支路的 BPSK 调制,再将这两支路送 入加法器相加,完成 QPSK 调制过程;在接收端, 已调的 QPSK 信号经过 A/D 采样后,送入乘法器 进行相干解调,而后将信号送入两个低通滤波器, 滤掉高频分量,滤出所需要的基带信号,接着对基 带信号进行采样判决和并串转换,最后得到解调后 恢复的信息码流。MSK 的工作过程如图 5 所示。 在发送端,串并转换后的二路并行双极性不归零 码,相互间错开一个码元宽度 T,然后分别与周期 为 4T 的正弦波和余弦波相乘进行脉冲整形,最后 和 QPSK 一样调制输出,这样就保证了 MSK 信号 是包络恒定、相位连续和调制指数(0.5)最小的 正交信号;在接收端,MSK 信号采用相干解调方

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式,这时可将 MSK 信号看成是采用正弦脉冲加权 的 OQPSK 信号,同样分成两路来恢复信息,如图 5(b)所示。 3.2.2 不同工作模式的软件实现结构 如上所述,硬件方面,软件无线电系统中的 各种信号处理算法是基于 DSP 和 FPGA 的通用硬 件平台来实现的,而在软件方面,为了以尽可能少 的资源实现各种算法,我们将各种工作模式采用统 一的实现结构,其实现流程如图 6 和图 7 所示。首 先信息数据接口进入 DSP 进行信源预处理,包括 所需的各种编码、 交织和扰码等; 然后信息送 FPGA 完成相位调制和 DDS 以获得所需的调制输出,接 收端经宽带 A/D 采样后的数据送 FPGA 完成数字 下变频,然后数据送 DSP 完成基带码流的处理, 包括同步提取、基带解调和译码、去交织、解扰等, 同 时 DSP 还 将 相 位 误 差 信 号 送 FPGA 以 控 制 DDC。因此,不同的工作模式对应的只是软件算

法的不同。

cosπ / 2T
输入 差分编码 串并转换

cos2πf ct
s(t)

sinπ / 2T
T

sin2πfct

(a)MSK 调制
( 2 k +1)T

( 2 k ?1) T



抽样判决

cos
s(t)

πt cos 2πf ct 2T πt sin 2πf ct 2T
( 2 k + 2 )T

a(t) P/S 差分解码

sin

2 kT



抽样判决

(b)MSK 解调 图5 MSK 调制解调原理框图

DDS 来自数据 接口的数 字信息 信源预处 理(包括 各种编码 、交织和 扰码等) 相位调 制器 相位累 加器 正(余) 中频输出 弦表

D SP 实现

FP G A 实 现

图6

不同模式信号发送处理软件统一实现流程
滤波、抽取和 数据格式转换 等

采样数据

NCO

QPSK/MS K模式位同 步 取 提

QPSK/MSK 基带解调、 相位误差计 算 等

信息译码、 解扰和去交 织 等

信 息

滤波、抽取和 数据格式转换 等

FPGA实 现

DSP实 现

图7

不同模式信号接收处理软件统一实现流程

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3.2.3

不同工作模式之间的切换 由于我们采用统一的硬件平台,软件方面采

加载相应工作模式的配置数据,实现功能切换。

用相同的实现流程,因此,模块功能的切换仅对应 于 DSP 中相关算法软件的切换,这使模块的功能 多样化成为可能。该模块在多模式下工作时的工作 过程如下所述。 加电启动时硬件初始化电路首先把系统资源 管理程序调入 DSP 内存并运行;然后,资源管理 程序把默认的通信模式(如 QPSK 模式)的 DSP 软 件以及 FPGA 配置加载到 DSP 以及 FPGA 上完成 默认功能的加载。当收到功能切换指令时,系统资 源控制程序释放当前工作模式所占用的资源,然后

4

结论
软件无线电系统是以最简的数字化硬件平台

为基础,以软件可编程、可重复使用为核心,以实 现多模式、多体制通用式接收为目的。本文从硬件 和软件两方面建立了完整的基于 DSP 和 FPGA 的 软件无线电平台,重点研究了多模式数字调制解调 的硬件实现结构、软件实现结构和不同模式之间的 切换等,体现了软件无线电系统的灵活性、开放性 和兼容性等特点。

参 考 文 献

[1] [2] [3] [4] [5] [6] [7]

Joe Mitola. The software radio achitecture[J].IEEE Communications Magazine,May 1995,33(5):26-38. Fuqin Xiong. Digital Modulation Techniques[M]. Artech House, 1999. 徐志军, 徐光辉. CPLD/FPGA 的开发与应用[M]. 北京: 电子工业出版社, 2002. 朱铭锆, 等. DSP 应用系统设计[M]. 北京: 电子工业出版社, 2002.10. 杨小牛等.软件无线电原理与应用[M]. 北京: 电子工业出版社, 2001. 吴伟陵. 移动通信中的关键技术[M]. 北京: 北京邮电大学出版社, 2001.8. 王金龙, 沈良, 等. 无线通信系统的 DSP 实现[M]. 北京: 人民邮电出版社, 2002.4.

[收稿日期] 2003-07-30 [作者简介] 廖长清(1973-),男,硕士,工程师。主要从事于软件无线电和通信信号处理方面的研究。
李丽娟,女,PM,主要从事 IT 项目管理。

(上接第 22 页)
[5] ISO/IEC. Information Technology -Protocol for Providing the Connectionless-Mode Network Service[S]. ISO/IEC 8473- 1, Second Edition, 1994.

[收稿日期] 2003-12-02 [作者简介] 王记丰(1978—),男,北京航空航天大学电子信息工程学院在读硕士研究生。主要从事航空电信网关键技
术和网络仿真研究。 张军(1965—),男,现任北京航空航天大学电子信息工程学院副院长,教授,博士生导师。主要研究领域: 航空数据通信、数据链技术、遥控遥测、新航行系统等。

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