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基于AD9244 和PCI9054的虚拟无线电接收子系统

作者:李 苗,陈 健   时间:2006-09-11 08:51  来源:
摘 要:虚拟无线电是软件无线电技术一种新的发展趋势,基本思路是利用计算机取代传统软件无线电系统中的DSP芯片,一般采用直接中频采样技术,将采样结果通过PCI总线送入主机内存,由用户软件做后续的信号处理。本文讨论了欠采样技术在中频信号接收系统中的应用,由此提出了一种虚拟无线电接收子系统实现的硬件设计方案,然后对系统中重要芯片的性能进行了介绍,并对系统的控制过程进行了详细说明,最后简要介绍了一些注意事项。

关键词:虚拟无线电;接收机;欠采样;PCI总线

  自从1992 年5 月美国M ITRE 公司的JoeM itola提出了软件无线电的概念以来,软件无线电在军事通信系统中的应用日益广泛。虚拟无线电是软件无线电技术一种新的发展趋势,其基本思路是从计算机的体系结构出发,充分利用计算机的存储空间和编程能力来取代软件无线电中的DSP芯片,其目的是把模数转换部分尽可能地靠近天线,以A/D变换作为软/硬件划分界限。由于目前技术水平的制约,一般采用直接中频采样技术,即由多频段硬件前端将RF 频段信号下变频到中频,然后对中频信号直接采样,将采样结果通过PCI总线送到主机内存中,之后的处理将全部在用户软件中完成。

欠采样原理以及中频欠采样设计

根据Nyquist 采样准则,过采样的采样频率至少是信号中心频率的2 倍。而对于中心频率较高,带宽较小的信号,采样频率就显得有些浪费。为解决这个问题,提出了欠采样(under samp ling) 的概念,或者称为带通采样(band pass samp ling)。对于带通采样,采样频率fs只需要满足以下公式]即可:

2f h/n ≤ fs ≤ 2f 1/(n - 1)

式中,fh为带通信号的最高频率; fs为最低频率;n 为整数,取值范围为2 ≤ n ≤ f h/(f h - f 1)。假设中频信号中心频率为70MHz,带宽为20MHz。根据上式,取n= 4时求得采样频率为40MHz。

图1 虚拟无线电原理

作者根据直接中频采样的思想,提出了一种虚拟无线电信号接收子系统的实现方案,下文详细介绍了该系统的组成和控制过程。通过计算可以看出欠采样兼具变频的功能,能将中频信号进行下变频,使后续的用户软件能在较低的频率下对信号进行处理,从而降低了软件实现的难度。

系统设计

系统组成及功能
天线接收到的宽带多频段信号经过带通滤波、低噪声放大、混频、宽带滤波和放大所产生的中频信号,通过抗混叠滤波后被作为AD9244的模拟输入信号(参见图2)。AD9244对输入的模拟信号进行带通采样后得到的离散信号数据传入FIFO ,PCI9054 负责取得FIFO中的数据,然后把他们传到主机内存,以便用户软件对其做进一步的处理,包括信号同步、信号解调、幅度和相位的估计、调制类型的识别等,并对结果进行比较和分析。

图2 模拟输出前处理过程

系统组成、数据流向及主要控制信号如图3 所示。基本组成元件有:模数转换器AD9244,PCI接口芯片PCI9054,FIFO芯片IDT7206 和Altera公司的CPLD系列器件EPM7128。

图3 系统组成、数据流向及主要控制信号

AD9244
在所有的数字化处理过程中,由于噪声的总数是一个常量,采样速率越高,噪声低将分散在越宽的频谱上,则其底部噪声将越低,信号带宽B 一定,fs每增加1倍,能带来3dB 的SNR增益。A/D变换器(ADC) 的位数则必须满足一定的动态范围要求及数字处理部分的精度要求,当采样速率等于N yquist 速率时,ADC 的分辨率每增加1 b,SNR增加约6dB,所以ADC 的转换位数越多,其动态范围越高。ADC的另一个重要的指标是SFDR无杂散动态范围,他指在第一Nyquist 区内检测到的信号有效值与最大杂散分量有效值之比的分贝数,主要反映的是在ADC输入端存在大信号时所能检测出的有用小信号的能力。

AD9244 是Analog Device 公司生产的一款单片式14位高精度,40/65M SPS 转换速率的模?数转换器。这款ADC片内带有输出误差修正电路,并采用多级差分流水线结构,在全部规定温度范围内保证不丢码,具有典型双极型工艺ADC的优良性能。他能在65MSPS转换速率下提供大于73dB 的SNR和大于86dB 的SFDR。其功耗要比市场上同类产品低很多,在65MSPS 转换速率条件下功耗仅590mW ,低速40MSPS 时,其功耗可进一步降低到345mW。片上的OTR 输出位能够显示输入信号是否超出AD9244 的动态范围,以便用户及时做出调整,从而改善系统的性能。

AD9244 最显著的特点是能工作在第一Nyquist 区之外,例如他能够在输入信号中心频率为100MHz 的情况下提供65MHz 的采样率,同时提供71 dB的SNR和86dB的SFDR。这种欠采样的技术使得该芯片能够对频率240MHz的输入信号进行采样,加上AD9244能支持的模拟输入带宽高达750MHz,所以取消了系统的下变频单元电路,从而减少了系统元件数量,最终降低成本并改进了系统的总体可靠性。

PC I9054
PCI9054 是美国PLX 公司推出的一种低成本PCI总线接口芯片,低功耗,PQFP172 pins 封装。他采用了先进的PLX 数据管道结构技术,可以使局部总线快速转换到PCI 总线上,PCI端支持32位,33MHz 的PCI总线规范,传输速率最高可达132Mb/s。

PCI9054 的本地总线( local bus) 的数据宽度为32 位,时钟频率能达到50MHz,可以编程实现8,16,32 位的数据宽度传输。9054的LOCAL 总线与PCI总线之间数据传输有3 种方式:主模式(direct master) ,从模式(directslave) ,DMA 方式。其内部具有两个DMA 数据通道,双向数据通路上各有6个FIFO进行数据缓冲,可同时进行高速的数据接收和发送。

PCI9054有3 种工作方式,分别为C,M 和J 模式。M模式主要是针对Motorola公司高性能MPC850-860的应用而设计的,主要应用在电信领域,J 模式的接口设计相对比较麻烦,一般常用的是C模式。

系统控制
常用的数据传输方式有程序查询方式、中断方式、DMA方式和DMA 结合中断方式。由于本系统的速率指标为40MSPS,采用前两种传输方式速率都达不到要求,而DMA只适宜做单次传输,为了协调数据采集速度与PCI总线传输速度,必须采用DMA结合中断的方式进行传输才可以达到最理想的数据传输速率。采样时如果等数据填满全部缓冲区后再进行传送,在A/D速率较高时也可能发生数据丢失,因此在FIFO半满时就必须执行数据的DMA传输,这样从FIFO读取数据和从A/D接受数据在一段时间内可以同时进行,而DMA的速率快于A/D采集速率,从而可以有效避免数据丢失。具体的控制过程如下。

AD9244 的输入模拟信号为中频信号,载波频率70MHz,带宽为20MHz,采样频率选择每秒40M采样点。数据送入FIFO。系统用到的FIFO的控制和输出信号主要有读使能信号R# 和半满信号HF# 。HF# 平时为高电平(无效电平) ,FIFO半满时,HF#变为有效,通过CPLD 向PCI9054 发出中断信号L IN T# ,9054收到中断以后,转发中断IN TA # 给PCI总线的中断控制器,通知工作站从FIFO中取数据。此时9054响应中断,进入中断服务程序,开始DMA传输,采用16位数据线宽。此过程中ADS# 变为低电平(有效) ,BLAST # 为高(无效) ,LW/R# 为低(有效) ,表明9054 开始了一个有效的读数据周期,CPLD 则产生一个低电平信号R # (有效) 给FIFO ,同时作为Ready# 信号返回给9054,通知9054设备已准备就绪。

一次DMA传输结束后,9054的ADS# 电平变高(无效) 且BLA ST# 变低(有效) ,这时R# 再次变为高电平(无效) ,等待下一次DMA 数据传输的到来。PCI9054 与PCI总线上的设备仲裁使用的是总线占用请求信号REQ # 和占用允许信号GN T# 。在DMA 传输过程中,REQ # 信号有效,表明驱动他的设备要求使用PCI总线。GN T# 信号向PCI9054 表示其请求已获得批准。这两个信号都是点到点,任何主设备都有该信号。一旦收集到足够长度的信号,就终止整个信号采样和数据传输的过程。

PCI驱动程序设计
编写PCI驱动程序采用是Jungo公司的驱动开发C/C+ + 工具包W inDriver,他提供了各种环境下系统的驱动开发解决方案,并且带有针对PLX 公司的专用接口芯片的A PI函数包,降低了开发难度。其性能与核心态下用DDK开发的驱动相近,但是开发周期却比DDK 短,因此在驱动开发中被广泛采用。

利用W inD river 开发驱动程序的步骤如下:
(1) 检测并调试硬件,确定硬件设计焊接正确;

(2) 运行W inD riverW izard,找到PC I 卡,并生成1inf文件;

( 3) 填写E2PROM。从开始菜单里选择“程序→W inDriver→Simples→PLX 9054Diagno stic”,出现一个调试菜单,选择对E2PROM 操作即可;

(4) 用上面的程序对卡进行调试;

(5) 如果对板上的各个空间(bar) 都能正常读写,中断可以响应,就可以开发应用程序了。应用程序的开发建议使用W inD river 提供的Sample 的源代码作为框架。流程如图4所示,其中中断服务程序主要功能包括:相关寄存器的设置,例如方式寄存器,PCI地址寄存器,LOCAL地址寄存器,描述寄存器和命令?状态寄存器等;启动DMA 传输;写屏输出等。

一些注意事项
在编写应用程序时应注意的一个问题是,FIFO本身没有地址,在调用P9054 DMAReadW riteBlock ( ) 等函数时本地地址只需任意定义一个值,比如0x0,还可以把DMA 寄存器设为固定地址,但需要控制好FIFO的片选信号。具体做法是,硬件上利用PCI9054 的本地地址线(LA ) 的高位通过组合逻辑电路产生一个信号去控制FIFO上的允许信号,而低位地址线可以不接,这样只有在设定的地址范围内才会选中FIFO进行操作,这就等于产生了一个“片选”信号。

图4 驱动程序流程

另外PCI总线的信号采用反射波方式,所以在电路板制作上,要特别注意PCI总线信号的走线,具体要求普通信号从插槽的连接器到PCI桥芯片的长度不大于1500m,CLK信号走线长度为2500±100m ,如果长度不够可以考虑蛇行走线,中间最好不要有过孔。所有电源都必须退耦。一般规范推荐PCI卡作4 层板,A/D模块布线的时候也都需要直接连接到低噪声模拟地和电源平面。

结 语

本文以AD9244 和PCI9054 为核心介绍了一种虚拟无线电接收子系统的设计方案。AD9244是一种14位的高精度、高性能、低功耗的宽带数模转换器件,对系统功能的实现与性能的优化起到了举足轻重的作用。而PCI9054则以他强大的功能和简洁的用户接口,让用户使用起来非常方便,并利用他高速的性能解决了数据采集的瓶颈问题,让系统能满足实时性的要求。

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