CN109194598B

CN109194598B - 一种通用psk调制解调系统

Info

Publication number: CN109194598B
Application number: CN201811365883.0A
Authority: CN
Inventors: 迟英昊; 袁鹏; 孙玮泽; 左敬轩; 闫旭东; 李荣正; 陈学军; 戴国银
Original assignee: Shanghai University of Engineering Science
Current assignee: Shanghai Fanatong Electron Co ltd
Priority date: 2018-11-16
Filing date: 2018-11-16
Publication date: 2020-12-11
Anticipated expiration: 2038-11-16
Also published as: CN109194598A

Abstract

本发明公开了一种通用PSK调制解调系统，包括通用解调器模块、FPGA芯片、调制信号发生器模块、PCI数据总线模块和电源模块，通用解调器模块包括接口电路和模数转换器，接口电路包括S‑K滤波电路、电压转换电路和单端转差分电路；FPGA芯片内部构造有解调算法模块、调制算法模块、PCI控制模块和SPI控制器；调制信号发生器模块包括数字上变频器、信号输出电路和七阶椭圆滤波器；PCI数据总线模块包括金手指电路板、SDRAM芯片、PCI接口芯片和EEPROM；电源模块与所述金手指电路板相连。本发明的通用PSK调制解调系统，能够实现解调系统的快速设计和自动代码生成，增强了调制解调系统的通用性。

Description

一种通用PSK调制解调系统

技术领域

本发明涉及一种通用PSK调制解调系统。

背景技术

在国外，上世纪八十年代就出现了关于数字化解调系统方面的论述和报告，90年代后渐渐出现了基于片上系统(System On Chip，SOC)和软件无线电技术的数字解调设计思想，同时一些公司相继推出了数字化解调产品。美国的Pentek公司2007年成功推出了功能强大的Model 7142-428软件无线电处理机，该处理机不但包括14位125MHz的4个AD和1个DA转换通道，而且设计有多频带的数字下变频核，可实现抽取范围为2-65536，此外还拥有插值范围为2-32768的插值滤波器；Pentek公司推出的一系列软件无电线处理机产品为无线通信等系统提供了优越的解决方案。而在信号发生器研究和发展中，国外的产品技术成熟，产品种类齐全，目前国际上居领先地位的是美国的泰克(Tektronix)和安捷伦(Agilent)，其产品在技术和市场占有率上享誉全球。泰克公司的任意波形/函数发生器从AFG3000、AFG5000到AFG7000，可产生高达24GS/s的釆样率，成为当前市场上唯一能够生成最高达9.6GHz任意宽频带调制信号的单个设备信号发生解决方案，低端的AFG3021B带宽为25MHz，最大采样率250MS/S，128k内存深度，单通道输出；安捷伦公司低端的33521A系列函数/任意波形发生器，具有250MSa/s，16位分辨率，带宽30MHz。这些基于软件无线电设计理论的数字化中频解调系统和信号发生器为雷达、通信、测控等系统提供了优越的数字调制解调方案，同时也表明国外的软件无线电的应用技术达到了较高的水平。

在国内，一些研究所和高校从上世纪90年代开始软件无线电领域的研究。在中频解调方面，北京理工大学完成一台最高工作频率为25MHz的多信道雷达中频数字接收机系统，它采用的是Intersil公司专用DDC芯片HSP50216；电子科技大学电子工程学院采用ADI公司的AD6644和Xilinx公司的FPGA器件设计完成了一套雷达数字接收机系统，该系统设计中滤波器实现采用了分布式算法，其处理的最大带宽为5MHz，最高工作频率为70MHz，只能解调一种模式的数字信号。在信号发生器领域，国内从上世纪末开始开发任意波形发生器，价格比国外便宜，但性能指标与国际品牌相距甚远，江苏的江南电子仪器有限公司生产的EM32201型全数字合成任意波形发生器，带宽20MHz，采样速率100MSa/s，存储长度32K，双通道输出；北京普源精电科技有限公司的最高端产品DG5000系列函数/任意波形发生器，最大输入带宽350MHz，1GS/s采样率，14位分辨率，双通道输出。可见目前国内已经重视软件无线电技术的发展，不过同国外的应用技术相比仍有一定的距离。

综上所述，国外基于软件无线电的中频解调系统、信号发生器在理论研究上比较全面，设计思想相对来说也比较先进，尤其在参数适应范围上更加灵活多变，能够满足绝大多数测试系统的应用环境。但动辄数十万上百万的高昂成本，是测试设备难以承受的，只能作为实验设备使用。现在国内有一些高校和公司也开始这一方面的板卡和设备的开发，但此类设备的功能较为单一，只能在固定调制解调模式、码元速率和载波频率下工作。在测试设备的开发中，对于测试设备的不同参数需求，并没有通用性强性价比高的调制解调测试平台，和高效率的解决方案进行项目的设计开发，只能选择价格高昂的国外通用型产品或性能单一的国内调制解调板卡，在这过程中，采购周期变长，产品成本急剧上升，严重影响产品的开发和交付。同时，在这样的调制解调测试设备开发模式下，不同的测试参数需求使得测试设备的开发参数不同，使得每次测试设备的开发都相互独立，无法形成规模效益，也很难掌握核心技术。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的缺陷，提供一种通用PSK调制解调系统，能够实现解调系统的快速设计和自动代码生成，增强了调制解调系统的通用性。

实现上述目的的技术方案是：一种通用PSK(phase shift keying，相移键控)调制解调系统，包括通用解调器模块、FPGA(Field－Programmable Gate Array，即现场可编程门阵列)芯片、调制信号发生器模块、PCI(Peripheral Component Interconnect，外设部件互连标准)数据总线模块和电源模块，其中：

所述通用解调器模块包括接口电路和模数转换器，所述接口电路包括硬件滤波电路、电压转换电路和单端转差分电路；

所述FPGA芯片内部构造有解调算法模块、调制算法模块、PCI控制模块和SPI(Serial Peripheral Interface，串行外设接口)控制器；

所述调制信号发生器模块包括数字上变频器、信号输出电路和七阶椭圆滤波器；

所述硬件滤波电路、电压转换电路、单端转差分电路、模数转换器、解调算法模块、调制算法模块、数字上变频器、信号输出电路和七阶椭圆滤波器依次相连；

所述SPI控制器与所述数字上变频器相互通信；

所述PCI数据总线模块包括金手指电路板、SDRAM(Synchronous Dynamic RandomAccess Memory，同步动态随机存储器)芯片、PCI接口芯片和EEPROM(ElectricallyErasable Programmable Read-Only Memory电可擦可编程只读存储器)，所述PCI接口芯片分别与所述金手指电路板、SDRAM芯片和EEPROM相连；

所述PCI控制模块与所述SDRAM芯片相互通信；

所述电源模块与所述金手指电路板相连。

上述的一种通用PSK调制解调系统，其中，所述硬件滤波电路和电压转换电路分别采用S-K(Sallen–Key，S-K拓扑结构)滤波电路。

上述的一种通用PSK调制解调系统，其中，所述PCI数据总线模块外接主机，所述PCI数据总线模块为整个通用PSK调制解调系统提供了数据接口，实现所述通用PSK调制解调系统与主机的数据传输。

上述的一种通用PSK调制解调系统，其中，所述通用解调器模块完成中频信号的滤波、信号处理和采样，所述通用解调器模块的采样数据由所述FPGA芯片的解调算法模块进行解调处理。

上述的一种通用PSK调制解调系统，其中，所述调制信号发生器模块，用于实现基带信号的上变频，产生中频调制信号。

上述的一种通用PSK调制解调系统，其中，所述调制信号发生器模块的信号输出电路包括变压器变换电路和运放变换电路，所述变压器变换电路分别与所述数字上变频器和七阶椭圆滤波器相连，所述运放变换电路分别与所述数字上变频器和七阶椭圆滤波器相连。

上述的一种通用PSK调制解调系统，其中，所述通用解调器模块、调制信号发生器模块和PCI数据总线模块通过所述FPGA芯片进行板上逻辑控制和数据处理。

上述的一种通用PSK调制解调系统，其中，所述电源模块采用低压差线性稳压器，所述电源模块为整个通用PSK调制解调系统提供稳定的工作电压。

本发明的通用PSK调制解调系统，与现有技术相比具有以下优点：

(1)选用PCI总线作为系统数据总线，通过PCI总线实现调制解调系统与主机的数据传输，用户可通过主机用户界面对调制解调系统参数进行配置；

(2)调制信号发生器模块可实现基带信号与中频、乃至高中频信号的发射，且信号输出电路满足带宽需求且增益可调；

(3)通用解调器模块的接口电路在带宽和增益性能上具备通用性，可有效防止电路饱和信号幅度过小，保证模数转换器的转换精度；

(4)选用FPGA芯片作为数字信号处理器，FPGA芯片具有丰富的设计资源，具有FIR，NCO等IP核设计资源。

本发明的通用PSK调制解调系统，能够实现调制解调系统的快速设计和自动代码生成，增强了调制解调系统的通用性。

附图说明

图1为本发明的通用PSK调制解调系统的结构图。

具体实施方式

为了使本技术领域的技术人员能更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对其具体实施方式进行详细地说明：

请参阅图1，本发明的最佳实施例，一种通用PSK调制解调系统，包括通用解调器模块1、FPGA芯片2、调制信号发生器模块3、PCI数据总线模块4和电源模块5。

通用解调器模块1包括接口电路11和模数转换器12，接口电路11包括硬件滤波电路111、电压转换电路112和单端转差分电路113，硬件滤波电路和电压转换电路分别采用S-K滤波电路,S-K滤波电路可以根据实际的信号需要，将其设计为高低通滤波器、带通滤波器和分压电路。这样的设计方式，使得接口电路11对不同的中频信号(模拟信号)都具备较强的通用性。FPGA芯片2内部构造有解调算法模块21、调制算法模块22、PCI控制模块23和SPI控制器24。调制信号发生器模块3包括数字上变频器31、信号输出电路32和七阶椭圆滤波器33。

硬件滤波电路111、电压转换电路112、单端转差分电路113、模数转换器12、解调算法模块21、调制算法模块22、数字上变频器31、信号输出电路32和七阶椭圆滤波器33依次相连；SPI控制器24与数字上变频器31相互通信。

PCI数据总线模块4包括金手指电路板41、SDRAM芯片42、PCI接口芯片43和EEPROM44，PCI接口芯片43分别与金手指电路板41、SDRAM芯片42和EEPROM 43相连；PCI控制模块23与SDRAM芯片42相互通信；电源模块5与金手指电路板41相连。

PCI数据总线模块4外接主机，PCI数据总线模块4为整个通用PSK调制解调系统提供了数据接口，实现通用PSK调制解调系统与主机的数据传输。通用解调器模块1完成中频信号的滤波、信号处理和采样，通用解调器模块1的采样数据由FPGA芯片2的解调算法模块21进行解调处理。调制信号发生器模块3，用于实现基带信号的上变频，产生中频调制信号。通用解调器模块1、调制信号发生器模块3和PCI数据总线模块4通过FPGA芯片2进行板上逻辑控制和数据处理。电源模块5采用低压差线性稳压器，电源模块5为整个通用PSK调制解调系统提供稳定的工作电压。

本发明的通用PSK调制解调系统需对中频信号进行采样，根据带通采样定理，可以选择采样频率低于中频信号频率的模数转换器对中频信号进行带通采样，因此，选用性价比较高的模数转换器进行采样电路的设计。

模数转换器12采用AD9235，AD9235是AD公司近年推出的一种高速、高性能、低功耗的模数转换器。它的最高采样频率可以达到65MSPS，采样精度为12比特；芯片内部包括有高性能的取样保持放大器(SHA)和参考电路，65MHz带宽的无杂散动态范围SFDR达到85dB，65MHz带宽上典型的信号噪声比SNR为70dB；采用单+3V电源供电，能支持500MHz带宽的差分输入，灵活的模拟输入范围，取样保持放大器(SHA)可以接成单端输入方式，也可接成差分输入方式，信号范围在1Vp-p和2Vp-P之间可以由用户选择，输出为CMOS兼容电平；其微分非线性误差仅为±0.4LSB；芯片外形为28脚TSSOP低高度标贴封装形式，工作环境温度可以从-40℃到+85℃，最大功耗消耗为300mW。

调制信号发生器模块3的信号输出电路32包括变压器变换电路321和运放变换电路322，变压器变换电路321分别与数字上变频器31和七阶椭圆滤波器33相连，运放变换电路322分别与数字上变频器31和七阶椭圆滤波器33相连。

数字上变频器31采用AD9957，数字上变频器31的工作原理是：量化后的基带信号经过内插滤波器后提高采样率，然后NCO(Numerically Controlled Oscillator，数字控制振荡器)产生的数字正交载波进行上混频，获得数字中频信号；再经过DAC(Digital toanalog converter，数字模拟转换器)转化成模拟信号输出。其核心为内插滤波器和正交数字混频器。数字上变频器31的输出端DAC为互补电流信号，对于电流型DAC双端输出变单端输出，可以通过一个变压器或者一个运放进行变换，综合对比变压器和运放的优缺点，变压器给输出信号引入的噪声较小，适用于高频信号输出，而运放在通带范围内能提供平坦的响应，信号的驱动能力强。在调制信号发生器模块3的信号输出电路32的设计中，为了使设计具备较强的通用性，将变压器变换与运放变换均设计在电路中，以应对高频信号与驱动能力情况下的不同需求。其中变压器选择mini-Circuits公司的ADT1-1WT，频率输出范围0.4MHz～800MHz，变比为1；运放选择AD8000。

软件无线电系统要求采用具有开放性和标准化的总线标准充分体现了软件无线电的开放性和模块化的特点。只有采用先进标准的总线结构，软件无线电才能体现出其适用性广，升级方便等特性。采用FPGA作为处理器构建的软件无线电平台对总线的多处理器协调能力的要求不是很高，且PCI总线在数据的吞吐能力方面有较高的优越性，PCI的硬件接口设计与软件驱动程序的设计也相当的成熟，因此本发明的通用PSK调制解调系统选用PCI总线作为系统传输数据的总线标准。

PCI总线是1992年由Intel，Compaq和IBM等一百多家公司联合推出的局部标准总线，它是一种具有32位或64位数据宽度、地址和数据线复用的总线，PCI总线独立于处理器，可以方便地在符合PCI规范的微机和工作站系统中进行硬件移植，目前已成为嵌入式系统主要的局部总线之一。

PCI总线的主要特点有以下几点：

(1)数据传输性能：PCI总线宽度为32bits，可扩展至64bits，支持突发传输工作方式，总线工作频率为33MHz时，位宽为32bits的PCI总线在读写操作中理论峰值传输速率可达到132MB/s。

(2)良好的兼容性：PCI总线部件和插卡的设计独立于处理器，所有现在的和将来的处理器都能被很好的支持。

(3)即插即用性：每个PCI设备上都存在配置空间，可实现自动配置，使得系统BIOS和操作系统的系统层软件能自动配置PCI总线部件和插卡。

(4)总线主控与同步操作：PCI总线接口芯片可实现对总线进行主控操作，直接对系统存储器进行读写，PCI独特的同步操作功能可以保证CPU和总线主控同时进行操作。

(5)低成本：多路复用结构减少了PCI器件的引脚数目和封装尺寸，优化了器件内部设计，电气及频率规范遵循标准ASIC技术和其它典型的处理方法。

PCI总线接口实现方式主要有两种：

1)根据PCI协议，采用可编程逻辑器件自主开发，这种设计方法的优点是大大减小了外部信号连接线的数量，降低了电路板设计的难度与成本，增强了电路板的抗干扰性和稳定性，并且设计灵活，缺点为设计调试周期较长。

2)采用专用PCI接口芯片。采用这种设计方式就不用考虑逻辑时序关系以及电气规范等问题，在设计时只需将各引脚相对应的连接，就能通过软件实现PCI总线的各种功能。

在本发明的通用PSK调制解调系统的设计中，为节约开发成本，降低开发难度，保证系统的稳定性和可靠性，选用了专用PCI接口芯片43来实现PCI总线接口。PLX公司的专用PCI接口芯片PCI9054具有性价比高、通用性强、兼容性好、实现技术成熟等优点，因此我们选用PCI9054作为本系统的PCI接口芯片43。

PCI9054是美国PLX公司继PCI9052之后推出的又一低成本、低功耗PCI总线接口芯片，它采用了先进的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，PCI9054的主要特性如下：

(1)符合PCI V2.1、V2.2规范，包含PCI电源管理特性。是一种32位33MHz的总线主控接口控制器。

(2)支持VPD(Vital Product Data)的PCI扩展。

(3)支持PCI双地址周期，地址空间高达4GB。

(4)具备I2O准备报文单元，完全兼容I2O V1.5规范。

(5)提供了两个独立可编程DMA控制器，各通道均支持块与分散/集聚的DMA方式。

(6)在PCI启动模式，PCI9054可插入类型1和类型2的配置周期。

(7)在PCI和Local Bus的数据传送速率高达132MB/S。

(8)支持本地总线(Local Bus)直接接口Motorola MPC850、MPC860系列，Inteli960系列，IBM PPC401系列及其它类似总线协议设备。

(9)本地总线速率高达50MHz；支持复用/非复用的32位地址/数据；本地总线可为三种模式：M模式、C模式和J模式。可利用模式选择引脚加以选择。

(10)具有可选的串行EEPROM接口，具有8个32位Mailbox寄存器和2个32位Doorbell寄存器。

(11)本地总线时钟由外部提供，该时钟可与PCI时钟异步。PCI9054内部主要结构包括内部寄存器组、PCI总线状态机、PCI总线接口、本地总线状态机、本地总线接口、逻辑控制器、FIFO以及串行EEPROM。

PCI9054有三种数据传输方式：Master方式，Target方式和DMA方式。可以通过选择内部寄存器来选择传输模式：

(1)Master方式为本地CPU作为主控设备访问PCI存储。PCI9054支持本地处理器来访问PCI总线，Master方式必须有PCI总线命令寄存器来使能。Master方式的主要操作包括：PCI主设备存储器、地址译码、PCI双地址空间访问。

(2)Target方式为PCI总线上的主设备访问本地总线。PCI9054支持通过16位读FIFO和32位写FIFO从PCI总线到本地总线执行突发存储器映射传输访问和单个传输访问。

(3)DMA方式下数据传输速度快，适用于大块数据的读写。

本发明的通用PSK调制解调系统中，结合数据传输的实时性要求，采用DMA工作模式进行数据的传输。

系统上电或复位时，PCI9054有3种初始化内部寄存器的方法：本地端处理器、串行EEPROM和默认配置。配置若出现不正常，将引起测试系统数据传输错误，甚至计算机无法正常进入操作系统。默认配置一般不符合用户的特定需要，本地端配置需要FPGA实现复杂的时序控制。本发明的通用PSK调制解调系统中采用串行EEPROM来对PCI9054进行上电配置。

PCI9054的PCI端总线与PCI金手指相应信号相连接，本发明的通用PSK调制解调系统中，FPGA芯片2作为本地总线信号控制器，且为PCI9054提供工作时钟。

本发明的通用PSK调制解调系统，需要多种直流电平，电源模块5为PCI总线上提供的+12V、-12V和+5V直流电平，通过多个LDO电源芯片产生各器件需要的工作电压。其中FPGA芯片2需要3.3V、2.5V和1.2V工作电压；PCI9054(PCI接口芯片43)需要3.3V，AD9957(数字上变频器31)需要数字3.3V、1.8V以及模拟1.8V、3.3V四种工作电压；AD8000等运放需要模拟+5V和-5V；AD9235(模数转换器12)则需要数字3.3V与模拟3.3V电压两种工作电压；SDRAM芯片42需要数字3.3V工作电压。综上所述，本系统总共需要6路工作电压，数字电源与模拟电源通过磁珠隔离。

本发明的通用PSK调制解调系统，选用PCI总线作为系统数据总线，通过PCI总线实现调制解调系统与主机的数据传输，用户可通过主机用户界面对调制解调系统参数进行配置；调制信号发生器模块可实现基带信号与中频、乃至高中频信号的发射，且信号输出电路满足带宽需求且增益可调；通用解调器模块的接口电路在带宽和增益性能上具备通用性，可有效防止电路饱和信号幅度过小，保证模数转换器的转换精度；选用FPGA芯片作为数字信号处理器，FPGA芯片具有丰富的设计资源，具有FIR，NCO等IP核设计资源。

综上所述，本发明的通用PSK调制解调系统，能够实现解调系统的快速设计和自动代码生成，增强了调制解调系统的通用性。

本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。

Claims

1.一种通用PSK调制解调系统，其特征在于，包括通用解调器模块、FPGA芯片、调制信号发生器模块、PCI数据总线模块和电源模块，其中：

所述FPGA芯片内部构造有解调算法模块、调制算法模块、PCI控制模块和SPI控制器；

所述SPI控制器与所述数字上变频器相互通信；

所述PCI数据总线模块包括金手指电路板、SDRAM芯片、PCI接口芯片和EEPROM，所述PCI接口芯片分别与所述金手指电路板、SDRAM芯片和EEPROM相连；

所述PCI控制模块与所述SDRAM芯片相互通信；

所述电源模块与所述金手指电路板相连；

所述数字上变频器采用AD9957，所述数字上变频器的工作原理是量化后的基带信号经过内插滤波器后提高采样率，然后NCO产生的数字正交载波进行上混频，获得数字中频信号，再经过DAC转化成模拟信号输出。

2.根据权利要求1所述的一种通用PSK调制解调系统，其特征在于，所述硬件滤波电路和电压转换电路分别采用S-K滤波电路。

3.根据权利要求1所述的一种通用PSK调制解调系统，其特征在于，所述PCI数据总线模块外接主机，所述PCI数据总线模块为整个通用PSK调制解调系统提供了数据接口，实现所述通用PSK调制解调系统与主机的数据传输。

4.根据权利要求1所述的一种通用PSK调制解调系统，其特征在于，所述通用解调器模块完成中频信号的滤波、信号处理和采样，所述通用解调器模块的采样数据由所述FPGA芯片的解调算法模块进行解调处理。

5.根据权利要求1所述的一种通用PSK调制解调系统，其特征在于，所述调制信号发生器模块，用于实现基带信号的上变频，产生中频调制信号。

6.根据权利要求1所述的一种通用PSK调制解调系统，其特征在于，所述调制信号发生器模块的信号输出电路包括变压器变换电路和运放变换电路，所述变压器变换电路分别与所述数字上变频器和七阶椭圆滤波器相连，所述运放变换电路分别与所述数字上变频器和七阶椭圆滤波器相连。

7.根据权利要求1所述的一种通用PSK调制解调系统，其特征在于，所述通用解调器模块、调制信号发生器模块和PCI数据总线模块通过所述FPGA芯片进行板上逻辑控制和数据处理。

8.根据权利要求1所述的一种通用PSK调制解调系统，其特征在于，所述电源模块采用低压差线性稳压器，所述电源模块为整个通用PSK调制解调系统提供稳定的工作电压。