基于LT1801A的軟件無線電實驗平臺

郭榮新

摘 要：針對現(xiàn)在無線通信領域存在的一些問題，根據(jù)軟件無線電的基本概念，采用聯(lián)拓公司基于ARM+DSP的LT1801A芯片作為核心芯片，構造一個具有開放性、標準化、模塊化的通用軟件平臺，有效的將各種功能，如工作頻段、調制解調類型、數(shù)據(jù)格式、加密模式、通信協(xié)議等用軟件完成。

關鍵詞：無線通信 軟件無線電 ARM 模塊化 通用軟件平臺

中圖分類號：TN92 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）04（a）-0199-02

軟件無線電[1]是近年來由相關通信機構提出的一種新的實現(xiàn)無線通信傳輸?shù)捏w系結構。它的提出目的在于解決現(xiàn)在無線通信領域所存在的一些問題，如：多種通信體系架構并存[2]，各種行業(yè)標準競爭激烈[3]，頻率資源匱乏等等。特別是隨著無線個人通信系統(tǒng)的不斷發(fā)展，使得新的系統(tǒng)需求層出不窮，無線電產(chǎn)品生存周期也隨之縮短，原有的以硬件模塊為主的無線通信體系無法快速響應這種需求[4]，軟件無線電的概念也便應運而生。軟件無線電的基本概念是將硬件系統(tǒng)作為無線通信的基本平臺，而通過軟件實現(xiàn)盡可能多的無線及個人通信功能。由此，無線通信新系統(tǒng)、新產(chǎn)品的研發(fā)隨之逐步轉到軟件系統(tǒng)上，從而使得無線通信產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)值日益明顯的體現(xiàn)在軟件上。這是繼模轉數(shù)、固定到移動之后，無線電通信領域的再一次重大突破，并將在新世紀形成巨大的產(chǎn)業(yè)價值。

系統(tǒng)采用4CPFSK調制解調方式[5]，以ARM9和DSP處理器為核心方案。選用聯(lián)拓公司的LT1801A作為核心芯片，該芯片內部集成了ARM946E+ZSP400，同時集成了大量的接口設備和豐富的外部設備。本設計的目的是搭建一個具有多種通信協(xié)議標準兼?zhèn)淝揖邆洳煌l段的硬件平臺，該平臺可利用軟件架構完成各種通信功能需求，最大限度的使其成為新一代無線通信系統(tǒng)的大平臺。平臺中功能的實現(xiàn)首先是依靠軟件控制和軟件再定義，然后采用不同的軟件模式實現(xiàn)不同的需求。所寫軟件可以遠程再次升級更新，所設計的硬件均采用模塊化結構設計便于擴展升級。

1 4CPFSK調制解調

設計中所采用的4CPFSK是一種非線性恒包絡調制，具有記憶特性。4CPFSK與GMSK調制方式相比較，同時也具有頻譜效率高、臨道間相互干擾小的特點；4CPFSK與非恒包絡調制方式（如QPSK）相比較[6]，4CPFSK調制系統(tǒng)中選用工作在C類狀態(tài)的功率放大器，可降低系統(tǒng)功耗。因此4CPFSK廣泛應用于軟件無線電系統(tǒng)中。FM調制器的作用就是將經(jīng)過成形濾波后的采樣點進行累加得到發(fā)送所需的相位值，同時這也保證了相位的連續(xù)性。

為了獲得窄帶輸出的信號頻譜以及較好的鄰道功率特性，同時也具備較好的抗干擾性能，設計中預調濾波器采用平方根升余弦濾波器進行低通濾波。

2 軟件無線電實驗平臺系統(tǒng)結構

軟件無線電實驗平臺結構如圖1所示，主要分為3部分：軟件無線電專用基帶芯片LT1801A、MMI軟件平臺、4FSK調制解調器以及射頻前端。

基于軟件無線電對于多媒體多任務處理的需求，該實驗平臺的MCU處理器選用以ARM946E為核心的LT1801A芯片；同時，系統(tǒng)必須采用軟件平臺來實現(xiàn)具體應用中不同的語音、信道編解碼方式以及信令系統(tǒng)。

3 應用軟件操作系統(tǒng)移植

3.1 應用軟件平臺系統(tǒng)的體系結構

應用軟件平臺系統(tǒng)的體系結構如圖2所示。

一個完整的應用軟件平臺系統(tǒng)主要分為兩大部分：底層驅動和應用程序（App）。兩者之間通過統(tǒng)一的開發(fā)接口API來連接的。

3.2 啟動引導程序

啟動加載程序是嵌入式系統(tǒng)開機后運行的首個程序，其作用相當于個人電腦中的BIOS。它完成基本的硬件系統(tǒng)初始化，將軟件系統(tǒng)搬移到RAM中，并將控制權轉交給啟動后的操作系統(tǒng)。

系統(tǒng)啟動時，等待SP初始化完成后，發(fā)送消息通知MMI。MMI完成各個子模塊的初始化后，運行開機畫面。等待操作信號。SP發(fā)出SP_MMI_INIT_REQ消息，觸發(fā)開機流程。

3.3 OSE軟件模塊功能描述

OSE模塊位于操作系統(tǒng)模塊與應用軟件模塊之間，其主要目的是隔離下層使用的不同的操作系統(tǒng)，完成對操作系統(tǒng)的各種功能的封裝，可提供對外的統(tǒng)一接口，并提供統(tǒng)一的任務注冊和模塊啟動管理，便于上層應用軟件的移植和減少對底層操作系統(tǒng)的依賴。

3.4 驅動程序實現(xiàn)的基本方式

在應用軟件平臺系統(tǒng)中，設備驅動程序是指一個動態(tài)的可直接調用的鏈接庫，它所提供的數(shù)據(jù)是底層硬件與操作系統(tǒng)之間，以及相關運行在目標設備上的應用程序之間的一個直觀的抽象層。系統(tǒng)中所包含的各種驅動程序將無償?shù)墓_相應名稱的函數(shù)，以及提供各種初始化硬件和與之通信的協(xié)議。系統(tǒng)程序運行中使用者可通過調用LoadLibrary和LoadDriver函數(shù)實現(xiàn)各種所需驅動程序的加載。

4 調制解調系統(tǒng)控制程序

系統(tǒng)中嵌入式處理器和調制解調模塊之間的通信方式是基于雙串行接口來實現(xiàn)；數(shù)據(jù)傳輸則由通用SPI接口實現(xiàn)；控制的相關指令傳輸交由GPIO來實現(xiàn)；中斷控制器（ICTL）用于控制所有ARM處理器中斷源的模塊。可以產(chǎn)生常規(guī)中斷請求（IRQ）和快速中斷請求（FIQ），同時送給ARM處理器和CPR模塊；時鐘功耗復位控制模塊主要負責產(chǎn)生系統(tǒng)時鐘和所有模塊的時鐘，控制系統(tǒng)復位，控制系統(tǒng)進入不同工作模式[7]。

4.1 FLASH的訪問

根據(jù)系統(tǒng)整體設計，F(xiàn)LASH驅動軟件模塊的硬件運行平臺為LT1801A中的ARM946E處理器，軟件開發(fā)平臺可以采用任何通用的ARM集成開發(fā)環(huán)境。FLASH驅動軟件模塊主要實現(xiàn)了對FLASH進行讀、寫、擦除等操作，并為用戶提供了兩個Block，可單獨對每個Block進行操作，用戶根據(jù)返回值來判斷操作是否成功。用戶對FLASH進行讀或寫操作時，可分別調用函數(shù)ADRVFlashAPPRead或ADRVFlashAPPWrite函數(shù)，輸入的Block索引和地址偏移量確定了操作Block的絕對地址，輸入的長度確定了一次操作的字的長度。當讀或寫完成之后返回操作結果。對FLASHBlock域進行擦除時，直接輸入索引號即可實現(xiàn)此操作。endprint

4.2 外部存儲器控制器（MEMCTRL）

外部存儲器控制器（MEMCTRL）將外部存儲器映射到芯片內部的地址空間，當ARM總線對此地址操作時，MEMCTRL將總線上的操作轉化為對芯片外部存儲器操作。MEMCTRL內部的寄存器控制對外部存儲器的讀寫參數(shù)和時序。MEMCTRL內部寄存器和外部存儲器對應不同的地址區(qū)域。MEMCTRL的MEMORY可以被ARM，DMAC0直接訪問和ZSP，DMAC1跨橋訪問。MEMCTRL包含MEMPIPE模塊，可調節(jié)讀寫存儲器的時序。芯片的存儲器IO管腳上電復位為低阻。MEMCTRL可以控制兩種類型的存儲器：SDRAM（SDR-SDRAM）和靜態(tài)存儲器SM（StaticMemory）—SRAM，F(xiàn)LASH和ROM。

4.3 嵌入式軟件發(fā)射接收鏈路

操作數(shù)據(jù)經(jīng)APP處理后由服務提供協(xié)議層（SP協(xié)議）分信令和操作維護兩類消息送至呼叫控制層，呼叫控制層主要負責呼叫控制，支持主機實現(xiàn)高于第二層的功能和業(yè)務[8]，為用戶提供對講機支持服務，數(shù)據(jù)鏈路層則主要處理多用戶傳輸數(shù)據(jù)的共享，語音信息及用戶控制信息經(jīng)數(shù)據(jù)鏈路層交織編碼后經(jīng)射頻模塊發(fā)送出去。發(fā)送接收部分的空中接口協(xié)議模型中協(xié)議棧分成三個協(xié)議層和二個協(xié)議平面。三個協(xié)議層分別為物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和呼叫控制層。二個協(xié)議平面分別為用戶平面和控制平面。

5 結語

本文實現(xiàn)了一種軟件無線電平臺的設計，以ARM9嵌入式處理器和ZSP400處理器為核心。實現(xiàn)了基于4CPFSK調制解調方式的400～470 MHz射頻通信功能。通過分析與測試，LT1801A發(fā)揮了RAM+DSP結合的優(yōu)勢，能夠完整的實現(xiàn)軟件無線電的應用，減小系統(tǒng)成本和降低系統(tǒng)功率。通過PC端的寫頻軟件可實現(xiàn)不同頻段，多通道的軟件無線電系統(tǒng)。經(jīng)測試本實驗平臺可以滿足國家相關規(guī)定和要求，適用于多種語音和信道編解碼方式以及不同的信令系統(tǒng)。

參考文獻

[1] 楊小牛，樓才義.軟件無線電原理與應用[M].北京：電子工業(yè)出版社.2001.

[2] 肖維民，許希斌，朱健.軟件無線電綜述[J].電子學報，1998（2）.

[3] Kondo，Matsuo，Suzuki.Software.De6nedArchitectureConceptforTelecommunication Information System[M].ICC 94.NY：IEEE Press，1994.

[4] （美）米托拉.軟件無線電體系結構：應用于無線系統(tǒng)工程中的面向對象的方法[M].趙榮黎，王庭昌，李承恕，譯.機械工業(yè)出版社，2003.

[5] 樊昌信.通信原理[M].6版.北京：國防工業(yè)出版社，2009.

[6] （美）JeffreyH.Reed.軟件無線電：無線電工程的現(xiàn)代方法[M].陳強，譯.人民郵電出版社，2004.

[7] 夏曉巍.基于移動平臺的北斗應急通信系統(tǒng)[J].通信技術，2013，5（1）：19-23.

[8] 王洪濤.一種適合數(shù)據(jù)鏈的TCP擁塞控制策略[J].通信技術，2013，5（1）：48-52.endprint

4.2 外部存儲器控制器（MEMCTRL）

外部存儲器控制器（MEMCTRL）將外部存儲器映射到芯片內部的地址空間，當ARM總線對此地址操作時，MEMCTRL將總線上的操作轉化為對芯片外部存儲器操作。MEMCTRL內部的寄存器控制對外部存儲器的讀寫參數(shù)和時序。MEMCTRL內部寄存器和外部存儲器對應不同的地址區(qū)域。MEMCTRL的MEMORY可以被ARM，DMAC0直接訪問和ZSP，DMAC1跨橋訪問。MEMCTRL包含MEMPIPE模塊，可調節(jié)讀寫存儲器的時序。芯片的存儲器IO管腳上電復位為低阻。MEMCTRL可以控制兩種類型的存儲器：SDRAM（SDR-SDRAM）和靜態(tài)存儲器SM（StaticMemory）—SRAM，F(xiàn)LASH和ROM。

4.3 嵌入式軟件發(fā)射接收鏈路

操作數(shù)據(jù)經(jīng)APP處理后由服務提供協(xié)議層（SP協(xié)議）分信令和操作維護兩類消息送至呼叫控制層，呼叫控制層主要負責呼叫控制，支持主機實現(xiàn)高于第二層的功能和業(yè)務[8]，為用戶提供對講機支持服務，數(shù)據(jù)鏈路層則主要處理多用戶傳輸數(shù)據(jù)的共享，語音信息及用戶控制信息經(jīng)數(shù)據(jù)鏈路層交織編碼后經(jīng)射頻模塊發(fā)送出去。發(fā)送接收部分的空中接口協(xié)議模型中協(xié)議棧分成三個協(xié)議層和二個協(xié)議平面。三個協(xié)議層分別為物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和呼叫控制層。二個協(xié)議平面分別為用戶平面和控制平面。

5 結語

本文實現(xiàn)了一種軟件無線電平臺的設計，以ARM9嵌入式處理器和ZSP400處理器為核心。實現(xiàn)了基于4CPFSK調制解調方式的400～470 MHz射頻通信功能。通過分析與測試，LT1801A發(fā)揮了RAM+DSP結合的優(yōu)勢，能夠完整的實現(xiàn)軟件無線電的應用，減小系統(tǒng)成本和降低系統(tǒng)功率。通過PC端的寫頻軟件可實現(xiàn)不同頻段，多通道的軟件無線電系統(tǒng)。經(jīng)測試本實驗平臺可以滿足國家相關規(guī)定和要求，適用于多種語音和信道編解碼方式以及不同的信令系統(tǒng)。

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[8] 王洪濤.一種適合數(shù)據(jù)鏈的TCP擁塞控制策略[J].通信技術，2013，5（1）：48-52.endprint

4.2 外部存儲器控制器（MEMCTRL）

外部存儲器控制器（MEMCTRL）將外部存儲器映射到芯片內部的地址空間，當ARM總線對此地址操作時，MEMCTRL將總線上的操作轉化為對芯片外部存儲器操作。MEMCTRL內部的寄存器控制對外部存儲器的讀寫參數(shù)和時序。MEMCTRL內部寄存器和外部存儲器對應不同的地址區(qū)域。MEMCTRL的MEMORY可以被ARM，DMAC0直接訪問和ZSP，DMAC1跨橋訪問。MEMCTRL包含MEMPIPE模塊，可調節(jié)讀寫存儲器的時序。芯片的存儲器IO管腳上電復位為低阻。MEMCTRL可以控制兩種類型的存儲器：SDRAM（SDR-SDRAM）和靜態(tài)存儲器SM（StaticMemory）—SRAM，F(xiàn)LASH和ROM。

4.3 嵌入式軟件發(fā)射接收鏈路

操作數(shù)據(jù)經(jīng)APP處理后由服務提供協(xié)議層（SP協(xié)議）分信令和操作維護兩類消息送至呼叫控制層，呼叫控制層主要負責呼叫控制，支持主機實現(xiàn)高于第二層的功能和業(yè)務[8]，為用戶提供對講機支持服務，數(shù)據(jù)鏈路層則主要處理多用戶傳輸數(shù)據(jù)的共享，語音信息及用戶控制信息經(jīng)數(shù)據(jù)鏈路層交織編碼后經(jīng)射頻模塊發(fā)送出去。發(fā)送接收部分的空中接口協(xié)議模型中協(xié)議棧分成三個協(xié)議層和二個協(xié)議平面。三個協(xié)議層分別為物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和呼叫控制層。二個協(xié)議平面分別為用戶平面和控制平面。

5 結語

本文實現(xiàn)了一種軟件無線電平臺的設計，以ARM9嵌入式處理器和ZSP400處理器為核心。實現(xiàn)了基于4CPFSK調制解調方式的400～470 MHz射頻通信功能。通過分析與測試，LT1801A發(fā)揮了RAM+DSP結合的優(yōu)勢，能夠完整的實現(xiàn)軟件無線電的應用，減小系統(tǒng)成本和降低系統(tǒng)功率。通過PC端的寫頻軟件可實現(xiàn)不同頻段，多通道的軟件無線電系統(tǒng)。經(jīng)測試本實驗平臺可以滿足國家相關規(guī)定和要求，適用于多種語音和信道編解碼方式以及不同的信令系統(tǒng)。

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