用于MF-TDMA卫星通信系统的数据采集卡设计

1 引言

目前，MF-TDMA多址方式被广泛地应用于卫星通信体制中，主要用来承载IP通信的业务。在MF-TDMA卫星通信系统中，下变频后的中频模拟信号的数字化采集是对其进行后端数字信号处理的基础。目前，大部分数据采集传输多采取基于PCI总线协议的高速数据传输方式，而基于母板加背板的系统，其模块化程度、灵活性更高。例如，采用一块用作数据处理的母板加一块数据采集的AD板和一块DA变换的DA板，就可以构成一套完整的TDMA卫星信号还原系统。

PCI Mezzanine Card(PMC)标准基于PCI协议。PMC背板的物理接口由4个64管脚的接插件组成，分别是PN1，PN2，PN3和PN4。采用PMC背板，是获得高速数据传输和扩展母板系统功能的一种良好方案。笔者设计了一种PMC背板标准的数据采集卡，该采集卡增加了数字下变频(DDC)模块对数据进行预处理，扩展了系统功能。

2 数据采集卡硬件结构

该采集卡采用的母板基于ADSP-TS201DSP芯片，并行信号处理板上有4片TS201，有2个PMC背板接口，用来完成MF-TDMA中频模拟信号的A／D变换、数字下变频(DDC)和数据的高速采集工作。系统硬件结构如图1所示。

先对中频模拟信号进行A／D变换后，数字信号分两路传输：一路经专用的DDC芯片进行数字下变频处理，调整信号的频率和速率；一路直接送入FPGA，利用FP-GA的IP核设计DDC模块，对其进行下变频。这样，可根据需要灵活选择数字下变频模块。本系统使用专用的DDC芯片实现数字下变频，得到的基带信号送入FPGA中。这时，为数据输出也设计了两条通路。一条通路是将FPGA作为局部总线处理器与PCI-IO接口芯片进行通信，控制接口芯片实现局部总线和PCI总线的协议转换，由PMC背板上PN1～PN3口定义的PCI总线接口将数据传输至主机或数据处理母板。另一条通路是利用PMC的PN4口自定义一个高速接口，通过FPGA的控制，将数据送至数据处理母板。其中，FPGA和PCI-IO接口芯片是整个系统的核心，最重要的数据传输及控制都由其协同工作完成。主要芯片有：

1) A／D芯片选用AD公司的AD6645芯片，14 bit量化输出，采样率105 MS／s，SFDR 100 dB，采样时钟80 MHz。

2) DDC芯片选用TI公司的GC4016芯片，提供4个独立的下变频通道，每个通道有I和Q两路输出，可配置数字下变频的各种参数，如载频、相位、滤波器系数、重采样滤波系数、抽取因子、输出模式等。每个控制寄存器都有一个唯一的5 bit地址，寄存器位宽为8 bit。

3) FPGA芯片选用ALTERA公司的高性能芯片EP2S60F484C5。

4) PCI-IO接口芯片选用PLX公司的PCI9656芯片，可完成64 bit／66 MHz PCI总线和32 bit／66 MHz用户局端总线的协议转换，是比较先进的PCI接口芯片。

3 系统软件结构

系统的总体软件结构如图2所示。

系统运行时，由主机应用程序发送消息给设备PCI驱动程序，驱动程序接收到消息后翻译成PCI总线上的I／O操作信息，再经过PCI9656的总线协议转换，通过局部总线将此消息传递给FPGA，最终由接口控制逻辑进行相应的处理。

1) FPGA接口控制逻辑设计

FPGA的接口控制逻辑主要完成以下工作：对PCI总线上发送的控制命令进行译码、采集并简单处理DDC输出的基带数据、缓存数据、通过PCI总线或用户自定义接口传输基带数据等。图3是接口控制逻辑的原理框图。

首先，基带数据采集模块按照基带数据的输出时序将有效数据采集下来，再将数据送人两个通道进行传输：用户自定义接口和PCI接口。例如使用PCI接口传输数据，当数据写入PCI接口FIFO至半满时，发起一次局部端中断，并被映射为PCI端中断，响应中断后在中断服务程序中启动一次PCI9656的DMA读操作，将FIFO中的数据读出，传至主机或数据处理母板。

局部总线接口模块用于FPGA和PCI9656的局部总线时序连接，即实现从模式写操作和DMA读操作的局部总线时序，按照PCI9656局部总线处理流程设计即可。

控制命令译码模块用于将局部总线Space0地址存放的控制命令进行译码输出，再存储在控制命令寄存器中，以控制系统的运作。控制命令包括：FIFO的控制信号、PCI中断使能、数据通路选择信号等；DDC控制寄存器的片选信号、写使能、读使能、地址和数据等。控制命令采用PCI9656的从模式单周期写操作进行传输。

2) 设备PCI驱动程序

基本功能是对设备进行识别和初始化、对内存和I／O端口进行操作、对中断进行设置、响应和调用等，来控制PCI总线上的数据操作。在本系统中，驱动程序由PLX公司提供的软件开发包(SDK)产生，将该开发包安装在操作系统中，驱动程序就可以直接应用。

3) 主机应用程序的开发

主机应用程序完成的工作有：DDC控制寄存器的配置、数据采集与预处理的控制、中断的控制、数据的采集、存盘等。主机应用程序是基于PLX SDK中提供的APIDLL，利用VC++6.0程序框架开发的，该DLL文件名为PlxApi.dll。数据的采集、存盘是在一个独立线程中完成的，具体的应用程序流程如图4所示。

4 测试方案及结果

在采集卡中，大部分数据都是通过PCI接口传输的，而FPGA和PCI9656是PCI接口的核心，因此须对PCI9656局部总线时序进行测试，保证PCI接口正常工作。在此基础上，再对一个实际的MF-TDMA卫星信号进行采集测试，检测其总体性能。

1) FPGA逻辑控制时序的测试

应用PCI接口时，主要通过FPGA对PCI9656的局部总线进行逻辑控制，进而实现总线时序，以达到数据传输的目的。

由测试结果得知，在FPGA中正确地实现了PCI接口的局部总线时序，数据传输正常。

2) 信号采集实测

保证PCI接口正常工作之后，实际选取一个MF-TDMA中频模拟信号进行采集实测。该中频信号中心频率为70.3 MHz，带宽为400 kHz。基本测试参数如下：A／D采样率为80 MS／s；DDC输出时钟频率为80 MHz；DDC载波频率：70 MHz；DDC输出模式：单通道，通道A；DDC输出基带信号的符号速率为1.52 Mbaud。

测试时，将该中频模拟信号送人数据采集卡，对DDC进行如上的配置，然后开始采集。将采集到的数字化中频信号和基带信号保存在文件Samplel.dat和Sam-ple2.dat中，用CoolEdit Pro软件进行回放，分析数据的波形、频谱，检验采集结果。图5是下变频之后得到基带信号频谱，信噪比SNR=59 dB。由于噪声的干扰，损失了3 dB的信噪比，信号能量集中在300 kHz的频率上。测试结果证明，中心频率为70.3 MHz的中频信号经过A／D变换、DDC，以及PCI接口的传输，准确采集到中心频率为300 kHz的基带信号。改变测试条件时，可以得到类似的效果。

5 小结

本文介绍了一种应用于MF-TDMA卫星通信系统的数据采集卡，采用基于PCI总线协议的PMC背板标准构建，模块化程度高、灵活性好。笔者对系统硬件架构、FPGA的控制逻辑、PCI接口的实现、系统的控制等关键技术进行了分析和设计。在完成硬件和软件设计的基础上，用Agilent1682AD逻辑分析仪和实际的MF-TDMA卫星信号进行测试验证。结果表明，该系统可以稳定的工作，能够准确地采集到MF-TDMA中频信号。