0496李茹枫基于DSP的无线基带DQPSK调制解调器的硬件设计doc.docx
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0496李茹枫基于DSP的无线基带DQPSK调制解调器的硬件设计doc
北方民族大学
学士学位论文
论文题目:
基于DSP的无线基带DQPSK调制解调器的
硬件设计
院（部）名称:
电气信息工程学院
学生姓名:
李茹枫
专业:
信息工程学号:
20090496
指导教师姓名:
郑华
论文提交时间:
2013年5月20日
论文答辩时间:
2013年5月25日
学位授予时间:
北方民族大学教务处制
摘要
调制解调器是将数字信号和模拟信号互相转换的关键设备。
近些年来，随着现代科学技术的快速发展，人们对调制解调器的传输速率以及各项性能指标有了更高的要求。
由于DSP具有精确、灵活、抗干扰能力强、可靠性好、体积小、重量轻等特点。
在不久的未来，DSP技术将会更加受欢迎，基于DSP技术的调制解调器在通信系统中将得到越来越广泛的应用。
本文介绍了一种基于DSP的无线基带DQPSK调制解调器的设计方法。
文中首先系统地分析了各种调制解调技术，然后针对DQPSK调制的工作原理作出了重点的研究。
调制解调器硬件以TMS320C5509DSP芯片为核心，包括程序存储器、数据存储器、ADC、DAC、抗混叠滤波器，以及控制逻辑电路（通常用CPLD或FPGA实现）、电源变换电路、时钟电路和复位电路等。
在论述方面以硬件设计为重点，主要介绍了JTAG接口、电源电路、复位电路、时钟电路以及C55x与A/D和D/A转换器的接口等的设计。
关键词:
DSP,基带,调制解调器
ABSTRACT
Modulator-demodulatorisadevicethatcaninterconvertthedigitalsignalandtheanalogsignal.Inrecentyears,withtherapiddevelopmentofmodernscienceandtechnology,peoplehavehigherrequirementsonthetransmissionspeedandotherperformanceindicatorsofthemodem.DuetoDSPhavefeatureslikeprecision,flexibility,highanti-interferenceability,goodreliability,smallsizeandlightweight,real-timeprocessingwithDSPdeviceshasbecomeanewhotspotofthecurrentandfuturetechnologydevelopment.ModembasedonDSPtechnologyhasbeenmorewidelyusedincommunicationsystem.
ThispaperdescribesthedesignofawirelessbasebandDQPSKmodembasedonDSP.Firstly,itanalyzesthevariousmodulationtechniques,andthenfocusesontheworkingprincipleofQDPSKmodulation.ThemodemhardwareusesTMS320C5509DSPchipasthecore,includingprogrammemory,datamemory,ADC,DAC,anti-aliasingfilterandcontrollogiccircuit（usuallyrealizewithCPLDorFPGA）,powerconversioncircuit,clockcircuitandresetcircuit.Thepaperwhichfocusesonhardwaredesign,introducestheJTAGinterface,powersupplycircuit,resetcircuit,clockcircuitandinterfacedesignofA/D&D/AconversionwithC55x.
KEYWORDS:
DSP,baseband,modem
前言
从1982年TI公司推出第一款商用数字信号处理器（DSP）到现在，经过30年的发展，数字信号处理器的应用范围已经遍及医疗器械、消费电子、移动通信和军用电子等众多的重要领域，并且不断出现各种不同的应用[8]。
这些应用对数字信号处理器的功耗、处理速度、处理效果、体积及其应用开发的难易程度都提出了更高的要求。
数字信号处理是一门涉及许多学科而又广泛应用于许多领域的新兴学科。
随着信息技术的发展，数字信号处理作为数字化最重要的技术之一正以前所未有的速度向前发展。
数字信号处理器（DSP）是专门为实时数字信号而设计的一种可编程嵌入式微处理器，其自20世纪70年代末80年代初问世以来已经历了30年的飞速发展。
目前，DSP芯片的厂家主要包括AD、TI和Motorola等，其中TI，即德州仪器公司生产的芯片最多，而其TMS320C5000系列的DSP芯片已开发了三代产品，分别为TMS320C5x、TMS320C54x以及TMS320C55x[1]。
TMS320C55x系列是新一代主流产品，在兼容C54x系列处理器指令集的基础上，将处理速度提高到200MHz～300MHz，而对DSP内核又进行了重大改进，将强大的处理能力和超低功耗完美结合，成为新一代数字信号处理器的典型代表[8]。
调制解调器一般由基带处理、均衡、信号放大和滤波、调制解调等组成[2]。
数据通信的数字信号一般需要在模拟信道上进行远距离传输，调制解调器正式为了解决这种问题而设计的。
调制是把音频与数字信号组织在一起，它可以产生模拟信号，这种模拟信号适合在电路线上传输。
调制与解调的过程恰恰相反，它是将模拟信号转化为数字信号。
DQPSK（DifferentialQuadratureRePhaseShiftKeying）,即四相相对相移键控，是日本和北美所用的二代移动通信标准[3]。
DQPSK是一种线性窄带数字调制技术，具有很强的抗衰落能力，并且它的频谱利用率高、特性好。
此技术已被广泛应用到各方面中去，如核心路由器40G业务端口的传输技术、最新的盲信号分离方法、日本的个人数字蜂窝系统（PDC）和美国的个人接入通信系统（PACS）中都采用了此调制方式。
本文介绍的基于C55xDSP的无线基带调制解调DQPSK的硬件设计。
第1章绪论
1.1DSP技术
数字信号处理是一种特殊的微处理器，它内部没有采用传统的冯诺依曼结构而采用的是数据和程序分开的哈佛结构，在硬件方面增添独立的乘法器。
它通过数学技巧执行转换和提取信息，来处理和实现信号，这些信号由数字序列表示。
数字化的新特点使之成为现代信息技术的重要标志，它不仅具有高运行速度，而且可编程，远远优越于通用的微处理器，已越来越成为现代社会重要要工具。
刚诞生的第一速度，存储也达1280MB，数字信号处理器给世界带来了巨大的变化。
数字信号处理有着无限大的发展潜能，未来可能的应用领域还会涉及到更精确化的代DSP只包含了五万多个晶体管，4KB的存储，指令处理能力也仅有5百万条每秒，经过这些年的发展，单核数字信号处理器的速度已高达9600百万条每秒的惊人路灯光线控制、室内防盗、自动识别并报警的安防系统等，有无数令人兴奋的应用在等待我们去开拓。
DSP芯片的诞生，使得DSP技术在信息技术领域中引起高度重视。
在过去的40年里，DSP产业主要经历了以下三个阶段：
第一阶段，DSP仅表示数字信号处理，作为新的理论体系广泛流行；随着这个时代的成熟，第二阶段，是在80年代，这是一个发展的阶段，此时的DSP意味着数字信号处理器，正是有了这些DSP器件，我们的生活才发生了翻天覆地的变化；第三阶段，是在21世纪的今天，现在已经有了激烈的市场竞争，正因为这样，德州仪器公司及时重新规划发展战略，提出新规划和方案，使得DSP技术得到更好的发展。
关于DSP的理论只是已经越来越多地被用到片上系统中，内核结构的不断完善，多通道的结构和单指令多重的数据（SIMD）、特大指令字组（VLIM）将在新的高性能处理器中占主导地位，它将是DSP在的未来发展趋势[4]。
DSP和数字信号处理功能很差的低成本微处理器融合起到了很好的互补作用，同时多数应用中均需要具有智能控制和数字信号处理两种功能，多媒体和互联网的应用需要将进一步加速这一融合过程。
1.2DQPSK调制解调原理
根据使用的系统不同，调制解调技术可以分为模拟调制解调技术和数字调制解调技术。
随着计算机技术和微电子技术的迅发展以及广泛应用，数字化已成为目前通信技术的发展趋势。
它具有灵活性强，可靠性高，易于大规模集成等优点。
基于DSP的调制解调技术已经成为目前通信技术的又一发展趋势。
实现数字调频信号的解调方法有鉴频法、过零检测法、相干解调法,在本次实现中采用相干解调法[6]。
相干解调原理框图如图1-1所示:
图1-1相干解调原理图
相干解调法是把输入信号与其延迟信号τ进行比较,由于相邻信号会受到信道上延时失真的影响,因此最终的鉴频效果不会受到其影响,而最终的效果实仅现受余弦波的限制[6]。
利用数码来模拟需要被调制的信号可以实现软件仿真的调制与解调:
数码0表示频率为1300Hz，数码1表示频率f为2100Hz，采样周期为9600Hz,码率为1200bps，采用96点正弦波调制,得到输出信号
输入数据文件为每个脉冲6个采样点;在信号接收端解调该调制信号,取延迟样点k=4，得到输出信号
经低通滤波器滤除高频成分,即恢复出解调信号[6]。
DQPSK是四相调制格式，即用四种不同的相位来表征数字信息，将信息编码于连续的光比特差分相位中，每一个差分相位代表一个二进制的码元信息。
在这种情况下，接收机必须探测相位改变的相对值，因此不需要使用同步方式进行接收。
第2章系统设计方案
2.1系统设计任务与要求
2.1.1系统设计任务
通过一个完整的工程设计的参与，全面掌握本课题的主要技术环节和内容。
给出基于TMS320C5509的DSP应用系统原理图，PCB布线图。
利用各种方式查找资料，设计需求分析。
作出硬件总体设计、硬件功能模块设计、硬件详细设计，再作出软件的设计，最后通过硬件与软件的调试，实现课题的设计。
DSP系统的设计流程如图2-1所示。
图2-1DSP设计流程图
2.1.2系统设计要求
在掌握DSP系统的基本组成、工作原理及其设计方法的基础上，根据需要进行相关设计。
要求硬件采用模块化设计方法，主要包括DSP处理器及外部存储器、接口部分、语音编/译码及通道、可编程逻辑器件（产生时钟以及DSPI/O扩展）、数码管、液晶显示屏、键盘等。
2.2重点研究内容与实现方法
1.3.1重点研究内容
本设计包括调制解调器的硬件设计与软件设计。
硬件设计包括FPGA/CPLD、可编程开关电容滤波器、A/D变换器、D/A变换器、编解码器、RS-232异步通信接口电路及时钟电路等。
软件设计包括基带波形合成技术、接收匹配滤波技术、数字调制解调技术，算法的实现等内容。
2.2.1实现途径及方法
本系统主要通过系统需求分析、资料查找、系统总体设计，软硬件总体设计、软件与硬件设计的详细设计、系统仿真与调试、系统的测试与改进、资料整理等步骤来完成。
2.3系统总体方案设计
2.3.1C55xDSP芯片简介
TI公司生产的C55x系列是目前世界上功耗最低的数字信号处理芯片，与其它的DSP芯片相比，C55x系列在各方面的性能都有了很大的提高，而其功耗仅为TMS320C54x的17%。
为了提高循环效率，C55x系列采用改变指令长度来提高代码的方法。
TMS320C55x以其极低的功耗和优越的性能可以在很多领域得到广泛的应用[7]。
与C54x系列相比，C55x系列在硬件方面做了许多扩展，表1-1是TMS320C5000系列两类DSP芯片的主要特性比较[8]。
内容
C54x
C55x
乘法累加器（MAC）
1
2
累加器（ACC）
2
4
读总线
2
3
写总线
1
2
地址总线
4
6
指令字长
16位
8/16/24/32/40/48位
数据字长
16位
16位
算术逻辑单元（ALU）
1（40位）
1（16位）
1（40位）
辅助寄存器字长
2（每个16位）
3（每个24位）
辅助寄存器
8
8
存储空间
独立的程序/数据空间
统一的程序/数据空间
数据寄存器
0
4
表1-1C55x与C54x的硬件比较[8]
TMS320VC5509芯片共有144个引脚，其封装形式是采用了塑料的四方扁平，分别为并行总线引脚、A/D引脚、电源引脚、、位输入/输出信号引脚、多通道缓冲串口信号引脚、USB引脚、测试引脚、中断和复位引脚等[9]。
2.3.2DSP应用系统的设计
一个典型的DSP应用系统主要由DSP芯片、程序存储器、数据存储器、ADC、DAC、抗混叠滤波器，以及控制逻辑电路（通常用CPLD或FPGA实现）、电源变换电路、时钟电路和复位电路等组成。
该系统选用TMS320C5509作为主控DSP芯片，其结构框图如下图2-2所示。
图2-2DSP目标板结构框图
图2-3发送功能框图
图2-4接收功能框图
图2-5载波同步模块图
第3章硬件系统的设计
3.1器件的选型原则
●DSP芯片。
根据是用于控制还是计算目的，选择：
精度、速度、内部部件、寻址空间等，同时还要考虑其成本。
由于浮点DSP结构的DSP比较容易实现，处理精度高，支持Ｃ编程，也不必考虑寻址空间所存在的问题，故选择浮点DSP。
●通信接口。
根据与其他系统通信的速率决定采用的通信方式：
由于串行接口的芯片主要适用于低采样速率，而本设计要求高采样速率，故选择并行方式的通信接口。
●A/D和D/A转换。
根据采样频率、精度：
是否要求片上自带采样保持器，确定A/D和D/A的型号，多路器，基准电源等。
●存储器。
RAM、EPROM、EEPROM或FlashMemory，主要考虑：
工作频率，内存容量位长，接口方式和工作电压等。
●逻辑控制。
首先要确定所用器件，如FPGA、PLD或EPLD；然后根据自己的特长和公司芯片的特点决定采用哪家公司的哪一系列产品；最后根据DSP芯片的频率决定芯片的工作频率，并以此来确定使用的芯片。
●总线选择。
根据数据传输速率的高低、使用的场合等来选择：
ISA，PCI，现场总线等。
●人机接口。
可以在DSP的基础上直接构成，也可以通过单片机构成通信。
3.2JTAG接口
JTAG（JiontTestActionGrounp）接口电路主要用于对DSP芯片进行仿真和测试，与IEEE1149.1标准所给的扫描逻辑电路一致[10]，德州仪器公司生产的14引脚JTAG仿真器接口的引脚如下图3-1所示。
图3-114脚JTAG仿真口引脚图
传统的电路仿真会因为电缆过长而引起信号失真以及仿真插头的可靠性不好等一些常见问题，DSP仿真器可以通过给DSP芯片上提供扫描仿真引脚实现仿真功能，这就使得在线仿真成为可能。
如图3-2所示，JTAG接口电路需要将仿真器的
脚和
脚用上拉电阻，其阻值大小为4.7
或10
。
图3-2DSP与JTAG仿真器连接图
3.3电源电路
对于DSP芯片，其电流消耗主要取决于器件的激活度[11]。
内设电源的消耗主要取决于CPU的激活度，外设电源的消耗主要取决于其正工作的外围设备及其速度；一般来说，外设消耗的电流都是较小的；时钟电路亦消耗一小部分恒定电流，且与CPU及其外设的激活度无关；I/O电源只为外围设备接口引脚提供电压，外部输出的速度、数量以及输出端的负载电容决定了其消耗的电流[12]。
目前生产所需电源的芯片较多，如Maxim公司的MAX604、MAX748，TI公司的TPS72xx系列、TPS73xx和TPS76xx系列。
DSP采用哪种供电机制，主要取决于应用系统中提供的电源。
C55x系列DSP芯片通常采用低电压设计，双电源供电，即内核电源和I/O电源。
由于本次设计需要采用双电源供电方式，以获得更好的电源性能，其工作电压分别为1.6V和3.3V。
这里选择的是5V电源通过两个电压调节器，分别产生3.3V和1.6V电压。
I/O电源主要供I/O接口使用，TMS320C5509取3.3V；内核电源的作用是为TMS320C5509芯片内部提供1.6V的逻辑电压，如图3-3所示。
德州仪器公司为采用双电源供电的用户提供了两路输出的电源芯片，如TPS73xx系列和TPS73xx系列等。
其中，TPS73HD301芯片提供的两路电压分别为一路
的输出电压和一路可调范围为
～
的输出电压；TPS73HD325能提供两路固定的输出电压，分别为
和
；TPS767D301芯片提供的两路电压分别为一路
的输出电压和一路可调的输出电压可调范围为
～
。
为提高其精确度，这里采用了TPS767D301为电源芯片。
图3-3由5V产生双电源
TPS767D301电源芯片具有监控以及上电复位功能。
如图3-4所示，给系统通电后，TPS767D301的引脚
在输出电压达到正常输出电压的95%时就会保持200ms的低电平信号。
在正常工作的情况下，若电源的电压
一旦降低到该门限值以下，此时也会相应地产生一个200ms的低电平信号。
图3-4TPS767D301产生双路电源
3.4复位电路
C55x系列的硬件复位有手动复位和上电复位这两种方法。
本设计采用上电复位的方法，如图3-4所示，该复位电路利用了RC电路的延迟特性来产生复位所需要的低电平时间。
在上电的那一瞬间，由于电容C上的电压还不能及时改变，
仍为低电平，此时芯片处于复位状态，同时通过电阻R对电容C进行充电，充电时间常数由R和C的两者之积所确定[4]。
保证
低电平的时间至少持续3个外部时钟周期，才能使得芯片初始化正常。
但是，给系统通电后，其晶体振荡器一般都需要几百毫秒的稳定期，通常是100～200ms，故由RC决定的复位时间要大于晶体振荡器的稳定期。
为了防止复位不完全，RC参数可选择大一些[4]。
根据充电时间的长短可算得复位时间。
电容电压为
=
（1-
），其中
为时间常数，其计算公式为
=RC。
故复位时间公式为
t=-RCln
设阈值电压为
=1.5V，电阻为R=100k
电容为C=4.7
电源电压为
=5V，则可以得到系统的复位时间
。
这样，施密特触发器就可以保证低电平的持续时间至少为167ms，达到系统复位所需要的最低要求。
图3-5上电复位电路
3.5时钟电路
为DSP芯片提供时钟通常有以下两种方式：
一种是利用DSP芯片内部的振荡器构成时钟电路，为了启动内部振荡器需要在芯片的
和
这两个引脚之间接入一个晶体[4]。
另一种是使用外部时钟源，将引脚
悬空，且外部时钟信号直接加到DSP芯片的
引脚；在C55x系列芯片中主要采用第二种方式来产生时钟信号，如图3-6所示。
图3-6使用内部振荡器
3.6C55x与A/D和D/A转换器的接口
A/D转换器和D/A转换器的分类主要有：
按照分辨率划分有8位、10位、12位、14位等；按照与DSP芯片的接口划分有并口和串口；按照转化原理有积分式、逐次比较式、Sigma-Delta等；按照转换速度有高速、中速、低速；按照转换通道数有单通道、多通道。
图3-7信号处理标准结构
数字信号处理中通常采用图3-7所示的结构，模/数信号转换（A/D）部分、数字信号处理（DSP）部分和数/模信号转换（D/A）部分。
其中模/数信号转换、数/模信号转换所起的作用是将自然界中的模拟信号经过量化以后，转变为数字系统可以处理的离散信号，或将经过数字信号处理的结果转化为模拟信号。
根据奈奎斯特定律，模/数信号转换的采样率只有在高于模拟信号最高频率的两倍的基础上,才能够准确地采集到模拟信号所携带的信息。
但采样率并不是越高越好，因为采样率过高会增加后端数字信号处理的负担。
一般来说，最佳采样率是模拟信号最高频率的4～8倍。
采样确定以后，就要选择适合使用的A/D采样芯片[8]。
本设计采用TI公司的TLV320AIC23B，C55x芯片和AIC23B的数据接口接线图如图3-8所示。
图3-8C55x与A/D和D/A的接口图
第4章控制软件的设计
4.1TMS320C55x软件开发流程
C55x编程可以采用汇编语言，汇编语言源程序由源语句组成，也可采用C语言。
C语言编程容易，但是程序执行效率不如汇编语言。
采用汇编语言虽然过程比较复杂，但是程序执行效率很高。
图4-1给出了集成开发环境下的C55x软件开发流程图。
图4-1C55x软件开发流程图
4.2汇编语言源程序格式
汇编语言程序以.asm为扩展名，可以用任意的编辑器编写源文件。
一条语句占源程序的一行，长度可以是源文件编辑器格式允许的长度，但汇编器每行最多读200个字符。
因此，语句的执行部分必须限制在200个字符以内。
（1）源文件格式。
1）所有语句必须以标号、空格、星号或分号（*或；）开始；
2）标号是可选项，若使用标号，则标号必须从第一列开始；
3）所有包含有汇编伪指令的语句必须在一行完成指定；
4）各部分之间必须用空格分开，Tab字符与空格等效；
5）程序中注释是可选项。
如果注释在第一列开始时，前面必须标上星号或分号，在其他列开始的注释前面必须以分号开头；
6）如果源程序很长，需要书写若干行，可以在前一行用反斜杠字符（\）结束，余下部分接着在下一行继续书写。
（2）标号。
所有汇编指令和大多数汇编伪指令都可以选用标号，供本程序或其它程序调用。
1）标号必须从语句的第1列写起，其后的冒号“:
”可任选；
2）标号为任选项，若不使用标号，则语句第一列必须是空格、星号或分号；
3）标号是由字母、数字以及下划线和美元符号等组成，最多可达32个字符；
4）标号分大小写，且第一个字符不能是数字。
（3）助记符。
助记符用来表示指令所完成的操作，可以是汇编语言指令、汇编伪指令、宏伪指令。
1）助记符指令：
一般用大写，不能从第一列开始。
2）汇编伪指令：
用来为程序提供数据和控制汇编进程。
以句号“.”开始，且用小写。
3）宏伪指令：
用来定义一段程序，以便宏调用来调用这段程序。
以句号“.”开始，且用小写。
4）宏调用：
用来调用由宏伪指令定义的程序段。
（4）操作数。
操作数是指指令中参与操作的数值或汇编伪指令定义的内容，紧跟在助记符的后面，由一个或多个空格分开。
1）操作数之间必须用逗号“，”分隔。
2）操作数可以是常数、符号或表达式。
3）操作数中的常数、符号或表达式可用来作为地址、立即数或间接地址。
（5）注释。
用来说明指令功能的文字，便于用户阅读。
1）注释可位于句首或句尾，位于句首时，以“*”或“；”开始，位于句尾时，以分号“；”开始。
2）注释可单独一行或数行。
3）注释是任选项。
4.3C55xDSP的软件设计
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