摘要：設(shè)計實現(xiàn)了一套基于軟件無線電的軟件化MODEM實驗系統(tǒng)，該系統(tǒng)硬件以TMS320C6711數(shù)字信號處理器(DSP)為核心，實現(xiàn)軟件無線電多制式調(diào)制解調(diào)功能，并設(shè)計硬件接口完成與主機實時通信。在主機中設(shè)計虛擬儀器控制顯示平臺，實現(xiàn)了對調(diào)制解調(diào)制式的實時選擇及實測數(shù)據(jù)的實時顯示。
關(guān)鍵詞：軟件無線電；虛擬儀器；DSP；MODEM

軟件無線電的基本思想是以開放的、可擴展的、結(jié)構(gòu)最簡的硬件為通用平臺，把盡可能多通信功能用可升級、可替換軟件來實現(xiàn)。其中心思想是：構(gòu)造一個具有標準化、模塊化的通用硬件平臺，并通過軟件加載實現(xiàn)各種無線通信功能的一種開放式體系結(jié)構(gòu)。調(diào)制解調(diào)器是軟件無線電的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)，是軟件無線電技術(shù)研究的核心內(nèi)容之一，調(diào)制解調(diào)器的軟件化是實現(xiàn)軟件無線電開放性、通用性的關(guān)鍵一步。

系統(tǒng)原理

本系統(tǒng)針對高校教學而設(shè)計，以TMS320C6711數(shù)字信號處理器(DSP)為核心搭建軟件無線電教學演示平臺，為了盡可能充分地體現(xiàn)軟件無線電的設(shè)計思想，硬件平臺以DSP為核心搭建實現(xiàn)了硬件的模塊化、開放性和可編程性，通過硬件實現(xiàn)數(shù)據(jù)收發(fā)、放大，在DSP中編程實現(xiàn)FM，DSB，QPSK， QAM等多種制式的調(diào)制解調(diào)功能。系統(tǒng)最大的特點是采用通用計算機與DSP處理單元相結(jié)合的方案，系統(tǒng)中各種人機接口及控制功能、存儲顯示功能由PC機完成，而各種實時任務(wù)交給DSP完成，充分發(fā)揮DSP的高速處
理能力及PC機的靈活性。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。它是由DSP數(shù)據(jù)處理板及PC人機接口控制前臺組成。其中DSP數(shù)據(jù)處理板以DSP(數(shù)字信號處理器)為核心微處理器芯，外接數(shù)據(jù)收發(fā)裝置及DSP外圍硬件設(shè)備，數(shù)據(jù)接收發(fā)送裝置對外部信號進行采集和輸出，通過功放將有用信號放大，由于所用DSP為數(shù)字信號處理芯片，所以還

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

需要A/D，D/A轉(zhuǎn)換電路，將采集的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，并將處理后的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號輸出。為滿足主機與外圍硬件的通信，要用到DSP與主機接口，在硬件中我們通過HPI(主機接口)實現(xiàn)DSP與PC實時通信。在PC機中用軟件設(shè)計了虛擬儀器控制顯示平臺，實現(xiàn)對硬件處理的控制及顯示，用戶可以在虛擬儀器平臺前面板中輸入數(shù)據(jù)選擇各種調(diào)制解調(diào)制式，并通過數(shù)據(jù)通信接口將數(shù)據(jù)讀入PC機，在虛擬儀器顯示平臺中以圖形方式實時顯示數(shù)據(jù)結(jié)果。

TMS320C6711芯片簡介
由于調(diào)制解調(diào)器的設(shè)計實現(xiàn)是基于TI公司的TMS320C6711芯片，因此，在這里對TMSC67x系列CPU結(jié)構(gòu)進行簡要介紹。TMSC67x系列 CPU內(nèi)部包括程序取指單元、程序執(zhí)行機構(gòu)、芯片測試和仿真端口以及控制邏輯。程序取指單元由程序總線與片內(nèi)程序存儲器相連。程序執(zhí)行機構(gòu)包括2個對稱數(shù)據(jù)通道(A和B)，2個對稱的通用寄存器組、2組對稱的功能單元(每組4個)、控制寄存器組和控制邏輯以及中斷邏輯等。每組數(shù)據(jù)通路有讀入及存儲(寫出) 數(shù)據(jù)總線與片內(nèi)存儲器相連。

TMSC67x系列CPU采用哈佛結(jié)構(gòu)，其程序總線與數(shù)據(jù)總線分開，取指令和執(zhí)行指令可以并行運行。C67x系列芯片的程序總線寬度為256bit，每一次取指操作都是取8條指令，稱為一個取指包。片外的存儲器及總線不分，二者是統(tǒng)一的。全部存儲空間(包括程序存儲器與數(shù)據(jù)存儲器，片內(nèi)與片外)以字節(jié)為單位統(tǒng)一編址。

主機通信接口設(shè)計
系統(tǒng)中主機通信接口HPI是TI公司數(shù)字信號處理器(DSP)中用于和主機進行雙向數(shù)據(jù)通信的8位并行接口。HPI稱為主機接口，是TI公司高性能DSP上配置的與主機進行通信的片內(nèi)外設(shè)。傳統(tǒng)的單片機與主機(比如PC機)接口時，需要在片外擴展附加芯片。如果采用與主機共享RAM的方式，則要片外擴展RAM及觸發(fā)、鎖存等芯片，這時主機可以通過DMA方式隨機或整塊地訪問共享RAM；如果不要求主機隨機訪問從機數(shù)據(jù)，也可以采取擴展FIFO芯片的方式。

另外，當從機需要中斷時，片外至少還要再擴展一片鎖存器。

HPI主機接口將以上這些功能集成在DSP芯片內(nèi)部，使其與主機的連接簡化，對于DSP系統(tǒng)無須在片外擴展上述用途的芯片。HPI有兩種工作方式，共用尋址方式(SAM)和僅主機尋址方式(HOM)，本系統(tǒng)采用共用尋址方式，主機和DSP都能尋址HPI存儲器，主機向DSP傳達的控制字以及DSP處理后的實時數(shù)據(jù)都放在HPI存儲器中以供訪問。由于HPI是集成在片內(nèi)，因此主機可以達到很高的訪問速度，在SAM方式中運行頻率與DSP的主頻率相當，適應(yīng)了 DSP對高速度的要求。

系統(tǒng)采用HPI接口主要通過調(diào)用動態(tài)鏈接庫文件dsk6x11hpi.dll中的函數(shù)dsk6x-hpi-open打開HPI端口，這樣系統(tǒng)DSP進行一系列的工作處理，并通過HPI端口向DSP讀寫數(shù)據(jù)，再調(diào)用動態(tài)鏈接庫文件dsk6x11hpi.dll中的函數(shù)dsk6x-hpi-close關(guān)閉 HPI端口。

軟件設(shè)計

軟件結(jié)構(gòu)
軟件結(jié)構(gòu)如圖2所示。建立虛擬控制顯示系統(tǒng)的目的就是要實現(xiàn)前臺軟件與底層硬件連接在一起形成一個完整的系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用dsk6x11hpi.dll動態(tài)鏈接庫文件實現(xiàn)與TMS320C6711DSP板子的HPI通信。PC機執(zhí)行應(yīng)用程序，加載算法到DSP端，并將需要處理的數(shù)據(jù)傳送到DSP，DSP計算完成后將數(shù)據(jù)傳回PC，整個過程由PC來控制啟動、處理、結(jié)束等，這樣軟件結(jié)構(gòu)中需要有控制顯示的可視化用戶界面，同時，軟件要與具體硬件連接則需要軟硬件接口程序。在DSP中，為了實現(xiàn)多制式的調(diào)制解調(diào)需要信號調(diào)制解調(diào)軟件，要將算法應(yīng)用到具體硬件平臺中，還需要硬件平臺的驅(qū)動程序。

圖2　系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)框圖

DSP程序設(shè)計
系統(tǒng)要實現(xiàn)多種制式的調(diào)制和解調(diào)，這部分功能通過DSP軟件完成，本系統(tǒng)實現(xiàn)了FM，DSB，QPSK，DQPSK等多種制式的調(diào)制和解調(diào)。為了提高程序的靈活性和可移植性，把多種制式的調(diào)制解調(diào)程序編寫在同一個工程文件并編譯下載到DSP中，在MODEM板卡工作時，通過PC前臺發(fā)送的控制字，選擇不同的程序入口點和調(diào)用不同的調(diào)制解調(diào)函數(shù)來選擇不同的調(diào)制解調(diào)方式。在模擬調(diào)制與解調(diào)部分，根據(jù)不同調(diào)制方式的特性，選擇了AM，DSB和FM3種調(diào)制方式加以實現(xiàn)。在數(shù)字調(diào)制與解調(diào)部分實現(xiàn)了QPSK和QAM。

LabVIEW程序設(shè)計
由于在實現(xiàn)主機與DSK板通信的過程中涉及到先后順序，即建立連接、復(fù)位板子、復(fù)位DSP、打開HPI端口、加載程序、執(zhí)行讀寫操作、關(guān)閉HPI、最后關(guān)閉連接，這些操作依次執(zhí)行。所以在軟件設(shè)計時對程序采用順序結(jié)構(gòu)，同時由于子程序有涉及到寫操作時要對多個變量進行寫操作，也采用了順序結(jié)構(gòu)。

而要實現(xiàn)能夠在界面上選擇調(diào)試的種類，再根據(jù)調(diào)試種類執(zhí)行不同的程序，則要在程序框圖中采用選擇結(jié)構(gòu)。該系統(tǒng)在labview界面設(shè)計中包含有供使用者選擇調(diào)制方式的部分、一些程序框圖調(diào)用的庫文件函數(shù)輸入、輸出參數(shù)設(shè)置部分，還包括一個圖形顯示器件，實現(xiàn)對DSP存儲器讀出數(shù)據(jù)的顯示?？梢苑?部分設(shè)計該界面：針對函數(shù)調(diào)用時的參數(shù)輸入，設(shè)計1個5參數(shù)組成的模塊，包括給DSK板定義句柄、定義復(fù)位DSP芯片時的端口模式以及導入模式、加載的 COFF文件名字、所使用板子配置文件的名稱和存放位置；針對調(diào)制方式的選擇和調(diào)制時變量的改變，同樣設(shè)計1個5參數(shù)組成的模塊，包括載波頻率、直流分量、放大增益、調(diào)頻指數(shù)以及調(diào)制方式；針對上一個模塊中的調(diào)制時改變的變量，設(shè)計1個8參數(shù)組成的模塊，這些參數(shù)是設(shè)置上一模塊所寫入的變量的長度和在 DSP中存放的地址；再針對讀程序設(shè)計1個3參數(shù)的模塊，要把DSP中的數(shù)據(jù)讀出來需要，設(shè)定一個長度、初始地址和一個主機緩存；最后一個模塊就是一個波形顯示的模塊。

LabVIEW與DSP通信程序
顯示界面在Lab VIEW軟件下開發(fā)而成，可實現(xiàn)主機程序(Lab VIEW程序)與DSP通信，即DSP存儲器進行讀寫操作。Lab VIEW程序由前面板、程序框圖和圖標連接器組成。前面板是人機接觸、交流窗口，模擬實際的儀器，主要由一些控件和指示器組成；程序框圖是程序代碼，是 LABVIEW程序的核心部位，程序運行時，前面板控件的值會傳遞給程序框圖進行處理和運算，然后再把最后的處理結(jié)果傳遞給前面板的指示器顯示，便于用戶觀察；圖標/連接器是程序的圖形標志，也是其他高層程序被調(diào)用時的圖形代碼和連接端口。

由于使用CCS觀察DSP的數(shù)據(jù)波形比較麻煩，而且用于觀察修改變量后產(chǎn)生的作用，都要完成原始程序修改，然后再編譯、加載到DSP中，最后采集波形這樣一個完整的過程。因此該虛擬控制顯示系統(tǒng)通過調(diào)用CCS提供的動態(tài)鏈接庫函數(shù)dsk6x11hpi.dll，根據(jù)一定的通信順序方法和思想設(shè)計程序框圖，就可以方便地實現(xiàn)主機程序(LabVIEW程序)與DSP之間的通信。dsk6x11hpi.dll動態(tài)鏈接庫函數(shù)包含了12個接口函數(shù)，這12個接口函數(shù)分別執(zhí)行不同的功能，如實現(xiàn)與DSK板子建立連接、復(fù)位板子、關(guān)閉連接等，這些接口函數(shù)包含了一些參數(shù)，輸入值不同，代表的含義也不相同。

在LabVIEW中用庫函數(shù)節(jié)點(Calling Library Function Node)調(diào)用dsk6x11hpi.dll動態(tài)鏈接庫函數(shù)，實現(xiàn)與TMS320C6711DSK的DSP通信。只要設(shè)置準確、步驟完整(先建立連接，再復(fù)位板子、復(fù)位DSP、打開HPI端口、加載程序、執(zhí)行讀寫操作、關(guān)閉HPI、最后才關(guān)閉連接)，就可以實現(xiàn)通信了。當然，程序設(shè)計完成之后，要讓 LabVIEW程序和DSK板子進行系統(tǒng)聯(lián)調(diào)，把從DSP存儲器中讀到的一組數(shù)據(jù)顯示在圖形顯示界面中，通過圖形窗口觀察數(shù)據(jù)是否完整、準確。

系統(tǒng)實時處理功能的PC-DSP聯(lián)合實現(xiàn)

前面的軟、硬件設(shè)計工作完成之后，接下來的工作就是完成主機與DSP聯(lián)合實時數(shù)據(jù)處理。在用LabVIEW設(shè)計完前面板、程序框圖和圖標、連接器后，只要節(jié)點調(diào)用設(shè)置準確和連線正確，程序就可以運行了。給DSP板子上電并設(shè)置準確后，可以調(diào)試程序。

首先，在聯(lián)調(diào)前需要對節(jié)點(動態(tài)鏈接庫函數(shù))輸入、輸出參數(shù)和輸入控件的設(shè)置進行檢查。在調(diào)試過程中，我們可以使用探針來測量輸入、輸出數(shù)值，以觀察程序是否運行正確。接下來 建立連接，將DSP程序加載到DSP芯片中，這時最好把調(diào)用庫文件放到與COFF(.out文件)同一個目錄下。如果程序加載成功，主機和DSP板子建立了連接后，調(diào)用dsk6x-hpi-write和dsk6x-hpi-read函數(shù)返回值不會是0，如果返回值是0，而且節(jié)點調(diào)用設(shè)置都沒有問題，這時候就需要檢查板子是否連接正常。

對于調(diào)用dsk6x-hpi-write和dsk6x-hpi-read函數(shù)，其中的設(shè)置是非常重要的，只要有一小塊設(shè)置不成功，程序就無法進行下去。這方面需要我們對該函數(shù)的輸入、輸出參數(shù)非常了解。這里指出p-length和dest-addr數(shù)據(jù)的Pass設(shè)置都應(yīng)該設(shè)置成 Pointertovalue，也就是指向這個數(shù)的地址。而對于read模塊的p-buffer的數(shù)據(jù)類型應(yīng)該設(shè)置成Array(數(shù)組)，Array Format(數(shù)組格式)應(yīng)該設(shè)置成指針。這些設(shè)置成功了，程序才能夠正常運行。程序加載成功，函數(shù)返回值不為零，就可以繼緒工作。dsk6x-hpi- write和dsk6x-hpi-read函數(shù)的返回值顯示了該操作是成功的，也就可以正常地把數(shù)據(jù)從HPIRAM中讀出來送到PC虛擬儀器程序數(shù)據(jù)入口，然后再將其以圖形方式顯示出來。圖3是PC-DSP聯(lián)合工作時在虛擬儀器前面板中顯示的QPSK調(diào)試方式工作下，從HPIRAM中讀出的DSP中調(diào)制信號(在波形顯示圖中表示出來)。　　

圖3　PC-DSP聯(lián)調(diào)QPSK調(diào)制波形圖

結(jié)束語

這套基于軟件無線電的軟件化MODEM實驗系統(tǒng)在同一系統(tǒng)中實現(xiàn)了多制式調(diào)制解調(diào)，并且該系統(tǒng)帶有人機接口及控制顯示功能，將處理數(shù)據(jù)以圖形方式實時顯示出來便于觀察和分析。系統(tǒng)中各種人機接口及控制、存儲顯示功能由通用計算機來實現(xiàn)，而數(shù)據(jù)采集及調(diào)制解調(diào)等實時處理任務(wù)交由DSP完成。充分發(fā)揮了通用計算機的靈活性和DSP的高速實時處理能力。