1 引言

目前，MF-TDMA多址方式被廣泛地應用于衛星通信體制中，主要用來承載IP通信的業務。在MF-TDMA衛星通信系統中，下變頻后的中頻模擬信號的數字化采集是對其進行后端數字信號處理的基礎。目前，大部分數據采集傳輸多采取基于PCI總線協議的高速數據傳輸方式，而基于母板加背板的系統，其模塊化程度、靈活性更高。例如，采用一塊用作數據處理的母板加一塊數據采集的AD板和一塊DA變換的DA板，就可以構成一套完整的TDMA衛星信號還原系統。

PCI Mezzanine Card（PMC）標準基于PCI協議。PMC背板的物理接口由4個64管腳的接插件組成，分別是PN1，PN2，PN3和PN4。采用PMC背板，是獲得高速數據傳輸和擴展母板系統功能的一種良好方案。設計了一種PMC背板標準的數據采集卡，該采集卡增加了數字下變頻（DDC）模塊對數據進行預處理，擴展了系統功能。

2 數據采集卡硬件結構

該采集卡采用的母板基于ADSP-TS201DSP芯片，并行信號處理板上有4片TS201，有2個PMC背板接口，用來完成MF-TDMA中頻模擬信號的A／D變換、數字下變頻（DDC）和數據的高速采集工作。系統硬件結構如圖1所示。

先對中頻模擬信號進行A／D變換后，數字信號分兩路傳輸：一路經專用的DDC芯片進行數字下變頻處理，調整信號的頻率和速率；一路直接送入FPGA，利用FP-GA的IP核設計DDC模塊，對其進行下變頻。這樣，可根據需要靈活選擇數字下變頻模塊。本系統使用專用的DDC芯片實現數字下變頻，得到的基帶信號送入FPGA中。這時，為數據輸出也設計了兩條通路。一條通路是將FPGA作為局部總線處理器與PCI-IO接口芯片進行通信，控制接口芯片實現局部總線和PCI總線的協議轉換，由PMC背板上PN1～PN3口定義的PCI總線接口將數據傳輸至主機或數據處理母板。另一條通路是利用PMC的PN4口自定義一個高速接口，通過FPGA的控制，將數據送至數據處理母板。其中，FPGA和PCI-IO接口芯片是整個系統的核心，最重要的數據傳輸及控制都由其協同工作完成。主要芯片有：

1） A／D芯片選用AD公司的AD6645芯片，14 bit量化輸出，采樣率105 MS／s，SFDR 100 dB，采樣時鐘80 MHz。

2） DDC芯片選用TI公司的GC4016芯片，提供4個獨立的下變頻通道，每個通道有I和Q兩路輸出，可配置數字下變頻的各種參數，如載頻、相位、濾波器系數、重采樣濾波系數、抽取因子、輸出模式等。每個控制寄存器都有一個唯一的5 bit地址，寄存器位寬為8 bit。

3） FPGA芯片選用ALTERA公司的高性能芯片EP2S60F484C5。

4） PCI-IO接口芯片選用PLX公司的PCI9656芯片，可完成64 bit／66 MHz PCI總線和32 bit／66 MHz用戶局端總線的協議轉換，是比較先進的PCI接口芯片。

3 系統軟件結構

系統的總體軟件結構如圖2所示。

系統運行時，由主機應用程序發送消息給設備PCI驅動程序，驅動程序接收到消息后翻譯成PCI總線上的I／O操作信息，再經過PCI9656的總線協議轉換，通過局部總線將此消息傳遞給FPGA，最終由接口控制邏輯進行相應的處理。

1） FPGA接口控制邏輯設計

FPGA的接口控制邏輯主要完成以下工作：對PCI總線上發送的控制命令進行譯碼、采集并簡單處理DDC輸出的基帶數據、緩存數據、通過PCI總線或用戶自定義接口傳輸基帶數據等。圖3是接口控制邏輯的原理框圖。

首先，基帶數據采集模塊按照基帶數據的輸出時序將有效數據采集下來，再將數據送人兩個通道進行傳輸：用戶自定義接口和PCI接口。例如使用PCI接口傳輸數據，當數據寫入PCI接口FIFO至半滿時，發起一次局部端中斷，并被映射為PCI端中斷，響應中斷后在中斷服務程序中啟動一次PCI9656的DMA讀操作，將FIFO中的數據讀出，傳至主機或數據處理母板。

局部總線接口模塊用于FPGA和PCI9656的局部總線時序連接，即實現從模式寫操作和DMA讀操作的局部總線時序，按照PCI9656局部總線處理流程設計即可。

控制命令譯碼模塊用于將局部總線Space0地址存放的控制命令進行譯碼輸出，再存儲在控制命令寄存器中，以控制系統的運作。控制命令包括：FIFO的控制信號、PCI中斷使能、數據通路選擇信號等；DDC控制寄存器的片選信號、寫使能、讀使能、地址和數據等。控制命令采用PCI9656的從模式單周期寫操作進行傳輸。

2） 設備PCI驅動程序

基本功能是對設備進行識別和初始化、對內存和I／O端口進行操作、對中斷進行設置、響應和調用等，來控制PCI總線上的數據操作。在本系統中，驅動程序由PLX公司提供的軟件開發包（SDK）產生，將該開發包安裝在操作系統中，驅動程序就可以直接應用。

3） 主機應用程序的開發

主機應用程序完成的工作有：DDC控制寄存器的配置、數據采集與預處理的控制、中斷的控制、數據的采集、存盤等。主機應用程序是基于PLX SDK中提供的APIDLL，利用VC++6.0程序框架開發的，該DLL文件名為PlxApi.dll。數據的采集、存盤是在一個獨立線程中完成的，具體的應用程序流程如圖4所示。

4 測試方案及結果

在采集卡中，大部分數據都是通過PCI接口傳輸的，而FPGA和PCI9656是PCI接口的核心，因此須對PCI9656局部總線時序進行測試，保證PCI接口正常工作。在此基礎上，再對一個實際的MF-TDMA衛星信號進行采集測試，檢測其總體性能。

1） FPGA邏輯控制時序的測試

應用PCI接口時，主要通過FPGA對PCI9656的局部總線進行邏輯控制，進而實現總線時序，以達到數據傳輸的目的。

由測試結果得知，在FPGA中正確地實現了PCI接口的局部總線時序，數據傳輸正常。

2） 信號采集實測

保證PCI接口正常工作之后，實際選取一個MF-TDMA中頻模擬信號進行采集實測。該中頻信號中心頻率為70.3 MHz，帶寬為400 kHz。基本測試參數如下：A／D采樣率為80 MS／s；DDC輸出時鐘頻率為80 MHz；DDC載波頻率：70 MHz；DDC輸出模式：單通道，通道A；DDC輸出基帶信號的符號速率為1.52 Mbaud。

測試時，將該中頻模擬信號送人數據采集卡，對DDC進行如上的配置，然后開始采集。將采集到的數字化中頻信號和基帶信號保存在文件Samplel.dat和Sam-ple2.dat中，用CoolEdit Pro軟件進行回放，分析數據的波形、頻譜，檢驗采集結果。圖5是下變頻之后得到基帶信號頻譜，信噪比SNR=59 dB。由于噪聲的干擾，損失了3 dB的信噪比，信號能量集中在300 kHz的頻率上。測試結果證明，中心頻率為70.3 MHz的中頻信號經過A／D變換、DDC，以及PCI接口的傳輸，準確采集到中心頻率為300 kHz的基帶信號。改變測試條件時，可以得到類似的效果。

5 小結

本文介紹了一種應用于MF-TDMA衛星通信系統的數據采集卡，采用基于PCI總線協議的PMC背板標準構建，模塊化程度高、靈活性好。對系統硬件架構、FPGA的控制邏輯、PCI接口的實現、系統的控制等關鍵技術進行了分析和設計。在完成硬件和軟件設計的基礎上，用Agilent1682AD邏輯分析儀和實際的MF-TDMA衛星信號進行測試驗證。結果表明，該系統可以穩定的工作，能夠準確地采集到MF-TDMA中頻信號。

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