1 引言

　　由于短波通信具有通信距離遠(yuǎn)和信道不易摧毀等優(yōu)點(diǎn)，它歷來是政府、軍事、外交、氣象、商業(yè)等部門必要的通信手段。基于超外差理論的短波模擬接收機(jī)至今已有80多年的歷史，其技術(shù)已相當(dāng)成熟。歸納起來性能可達(dá)到如下水平：接收頻段從5kHz到30MHz,調(diào)諧通?？蛇_(dá)10Hz;音頻處理帶寬從 300Hz到16kHz,可有5種選擇或略多一些；解調(diào)方式有調(diào)幅（AM）、等幅報(bào)（CW）、調(diào)頻（FM）、單邊帶（SSB）和獨(dú)立邊帶（ISB）等幾種。眾所周知，超外差接收機(jī)是將接收到的射頻信號(hào)變換到頻率為455kHz的中頻（IF）信號(hào)，之后的放大、濾波和解調(diào)等都在該IF段利用模擬電路來完成。在這類模擬接收機(jī)中一直存在的問題是模擬濾波器的種類不可能太多，一部接收機(jī)由于體積所限，至多裝入5~6個(gè)濾波器，其抗干擾分辨性能是相當(dāng)有限的；解調(diào)方式僅限于幾種，缺乏靈活應(yīng)變性；對(duì)工作頻帶內(nèi)的窄帶干擾無能為力，接收微弱信號(hào)的能力低，否則模擬電路將變得十分復(fù)雜。

　　在信息爆炸的現(xiàn)代社會(huì)里，短波通信越來越廣泛地在政府、軍事、外交、氣象、商業(yè)等部門得到應(yīng)用，這就使短波波段的電臺(tái)變得越來越擁擠，相互間的干擾也越來越嚴(yán)重，傳統(tǒng)的模擬接收機(jī)已經(jīng)難以適應(yīng)現(xiàn)代短波通信的需求，所以，必須研制新一代的短波接收機(jī)，即短波數(shù)字化接收機(jī)。

　　隨著數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）運(yùn)算速度的日益提高，高大動(dòng)態(tài)范圍模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（A/D）的出現(xiàn)和廣泛使用，采用數(shù)字運(yùn)算方式來處理IF信號(hào)已經(jīng)提到了日程[1~5]. 近幾年來，美國和德國一些比較著名的接收機(jī)廠商已經(jīng)推出了他們的數(shù)字化接收機(jī)產(chǎn)品，例如美國WJ-8711、8712、8712P、9103短波數(shù)字化接收機(jī)等。這些接收機(jī)的共同特點(diǎn)是，在接收機(jī)進(jìn)入數(shù)字化處理之前，接收機(jī)前端包括變頻、濾波以及高中頻放大，采用數(shù)級(jí)模擬電路，后續(xù)電路包括變頻，中頻放大，中頻濾波和解調(diào)等采用高速數(shù)字信號(hào)處理器代替原來的許多模擬模塊，接收機(jī)中的所有控制電路，如調(diào)諧、增益控制、帶寬、靜噪、解調(diào)方式選擇、AGC時(shí)間常數(shù)選擇等均實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制。采用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)以后，數(shù)字濾波器（FIR,IIR）、精密正弦波發(fā)生器、多種解調(diào)算法都可以方便靈活運(yùn)用。接收機(jī)廠家可以通過DSP軟件的升級(jí)和版本的更新，方便地提高設(shè)備的性能和增加設(shè)備的功能。在短波通信領(lǐng)域廣泛使用的便攜式戰(zhàn)術(shù)接收機(jī)目前國內(nèi)尚無數(shù)字化的替代產(chǎn)品；TI公司在90年代中后期推出了高性能、低功耗、低價(jià)位的C2XX系列DSP芯片，從而使便攜式戰(zhàn)術(shù)接收機(jī)的數(shù)字化成為可能。本文介紹的用TI公司的TMS320C203來完成戰(zhàn)術(shù)接收機(jī)數(shù)字化改造的解決方案。

　　2 TMS320C203芯片介紹

　　該戰(zhàn)術(shù)接收機(jī)中使用了16位定點(diǎn)、40MIPS的TMS320C203DSP,這種DSP產(chǎn)品價(jià)格低廉，因而具有較高的性能價(jià)格比。該系列芯片是基于C5X系列的結(jié)構(gòu)而設(shè)計(jì)的，因而大大節(jié)省了功耗和芯片體積。

　　C2XX系列DSP芯片采用改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)的程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的內(nèi)部總線是分開的。各型號(hào)具有相同的CPU和總線結(jié)構(gòu)。其CPU包括：32-bit算術(shù)邏輯單元CALL、32-bit累加器、16×16bit并行乘法器、32-bit乘積結(jié)果、3個(gè)定標(biāo)器和8個(gè)16-bit輔助寄存器，且?guī)в袛?shù)據(jù)空間間接尋址用的專用算術(shù)單元；

　　程序控制部分提供了指令執(zhí)行的4級(jí)流水結(jié)構(gòu)，8級(jí)硬件堆棧和用戶禁止中斷線。程序控制部分的指令包括有指令操作、單周期乘法/累加指令、存儲(chǔ)器塊推移指令和檢索尋址等。

　　C2XX系列的尋址空間為224kB,其中程序空間、數(shù)據(jù)空間和I/O空間各占64kB,全局空間占32kB（主要用于程序和數(shù)據(jù)引導(dǎo)）。在C203中具有544B的雙訪RAM（在一個(gè)指令周期內(nèi)可以被訪問兩次，但至多允許寫操作）可以分為B0、B1和B2三塊。B0塊長(zhǎng)256B,被配置為片內(nèi)程序/片內(nèi)數(shù)據(jù)空間；B1塊長(zhǎng)256B,只能配置在數(shù)據(jù)空間（可間接尋址和頁尋址，不能直接尋址）；長(zhǎng)32B的B2塊只能配置于數(shù)據(jù)空間（地址為60H~7FH），可直接尋址）。

　　C203中具有一個(gè)片內(nèi)16bit定時(shí)器，可用于程序、數(shù)據(jù)和I/O空間的軟件可編程等待狀態(tài)發(fā)生器（0~7個(gè)等待狀態(tài)），以及時(shí)鐘選擇的片內(nèi)振蕩器和鎖相環(huán)。為提高系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，一般都使用鎖相環(huán)方式。

　　C203提供的42個(gè)通用中斷包括RS、INT1、INT2及不可屏中斷NMI.RS為中斷0,用于上電復(fù)位時(shí)將程序和數(shù)據(jù)從ROM中引導(dǎo)入RAM,INT1和INT2雖然各有引出腳等外設(shè)連接，但它們共用同一個(gè)中斷向量。在C203內(nèi)部還集成有一個(gè)同步串行口和一個(gè)異步串行口。

　　與C50相比，C203也具有自己的一些缺點(diǎn)：

　?、挪荒茏詣?dòng)保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)而必須由用戶自己缺點(diǎn)：

　?、茻o桶形移位寄存器，濾波時(shí)不能對(duì)程序空間中的濾波器系數(shù)自動(dòng)地實(shí)現(xiàn)尋址的首尾銜接；

　?、遣荒芴峁┲噶顗K重復(fù)執(zhí)行功能。

　　以上這些特點(diǎn)決定了C203指令的執(zhí)行效率要低于C50.

　　3 DSP處理模塊硬件方案

　　戰(zhàn)術(shù)接收機(jī)DSP處理模塊的硬件組成如圖1所示。25kHz中頻信號(hào)首先由軌對(duì)軌運(yùn)放TLC2272進(jìn)行低通放大，然后經(jīng)過8階巴特沃思型開關(guān)電容濾波器MAX295的抗混疊濾波，再經(jīng)匝數(shù)比為1:1.8的變壓器完成單雙極轉(zhuǎn)換后送往A/D轉(zhuǎn)換器。圖1中的A/D轉(zhuǎn)換器為16位、并行輸出的AD976A（功耗為100mW），其允許的采樣率為200kSPS,對(duì)輸入模擬電壓的轉(zhuǎn)換時(shí)間為4μs.重建濾波器采用MAX295,它輸出的模擬信號(hào)一路是AGC電壓，用以控制DSP板以前的放大器的增益；另一路為音頻信號(hào)。選用的D/A轉(zhuǎn)換器是12位的并口AD8582（功耗僅10mW）。

　　由于該電路相對(duì)比較簡(jiǎn)單，因而控制電路和時(shí)鐘產(chǎn)生電路均采用74系列的CMOS芯片。EPROM27C256中存放有程序、4kB的正弦表和4kB的反正弦表以及各種濾波器系數(shù)。X25043為低電平復(fù)位的具有電壓監(jiān)控功能的E2PROM,該器件內(nèi)部同時(shí)還集成了可編程看門狗定時(shí)器。X25043及其附屬電路主要用于完成以下兩個(gè)功能；

　?、畔到y(tǒng)上電復(fù)位時(shí)，將程序和數(shù)據(jù)從27C256引導(dǎo)至RAM中，平常則監(jiān)控DSP的工作電壓。

　?、拼娣判?zhǔn)濾波系數(shù)。校準(zhǔn)時(shí)，該濾波器系數(shù)從X25043中調(diào)到DSP的雙訪RAM中，以準(zhǔn)備進(jìn)行校準(zhǔn)濾波。

　　DSP與主機(jī)的通信接口如圖2所示。由于成本、功耗和電路板面積的限制，電路中沒有使用雙端口RAM,而是采用兩74HC574來形成與主機(jī)通信的雙向通路。采樣數(shù)據(jù)的接收采用中斷方式，實(shí)際占用的是中斷口2.而DSP則利用中斷口1來接收主機(jī)所需發(fā)送的命令。

　　4 軟件方案

　　TMS320C203以中斷方式1接收主機(jī)命令，由于主機(jī)的中斷口均已被占用，因而其指令執(zhí)行速度也遠(yuǎn)遠(yuǎn)慢于DSP.因此，主機(jī)采用查詢方式接收DSP的返回信息（并口）。此時(shí)74HC574只相當(dāng)于的緩沖，在下次寫脈沖到來以前，其中的信息必須被取走，另外，還應(yīng)當(dāng)保證信息的保存時(shí)間不超過20μs,其命令發(fā)送格式如圖3所示。

　　由于每次命令發(fā)送中都包含多個(gè)命令。且每一個(gè)命令字都包括一個(gè)信頭標(biāo)識(shí)和多個(gè)信元（總長(zhǎng)多為4字節(jié)），因此接收命令的中斷服務(wù)程序中設(shè)立了5單元的接收緩沖區(qū)和30單元的命令放置區(qū)。命令字的信頭標(biāo)識(shí)具有兩個(gè)作用：

　?、乓孕蓬^標(biāo)識(shí)為偏址的命令字長(zhǎng)度表為參照得出該命令令字長(zhǎng)度。

　?、迫鬌SP已收完該命令字，則將接收緩沖區(qū)中的各字節(jié)按含義拼裝為字，并以信頭標(biāo)識(shí)為偏址，命令放置區(qū)首址為基礎(chǔ)存入到命令放置區(qū)。

　　為確保命令傳送的可靠性，該系統(tǒng)采用部分反饋重傳的機(jī)制，即讓DSP將工作方式字和解調(diào)方式字等重要命令回傳給主機(jī)，主機(jī)再將其與近發(fā)送的對(duì)應(yīng)字進(jìn)行比較，若有差別，則認(rèn)為出錯(cuò)并重發(fā)。當(dāng)然，在通信程序中還應(yīng)包含其它的容錯(cuò)處理。

　　接收A/D采樣數(shù)據(jù)采用中斷2,由于要進(jìn)行降5的抽取，因此，中斷服務(wù)程序要對(duì)接收的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)計(jì)數(shù)，以在各解調(diào)程序中判斷是否已收到5個(gè)采樣數(shù)據(jù)。若是，則作解調(diào)處理，否則等待。解調(diào)程序運(yùn)行一周所需的時(shí)間必須少于50μs,以便對(duì)下次收到的5個(gè)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行及時(shí)地處理。圖4為簡(jiǎn)化的主程序流程示意圖。

　　5 結(jié)束語

　　在短波數(shù)字化戰(zhàn)術(shù)接收機(jī)研制過程中，由于所選的廉價(jià)DSP芯片不能全面運(yùn)行，而且片內(nèi)資源較小，因此筆者經(jīng)過多次努力壓縮運(yùn)算量，解決了低噪聲過大所造成的性能不高的問題。目前，該樣機(jī)在靈敏度、動(dòng)態(tài)范圍、群時(shí)延、音頻響應(yīng)以及大信號(hào)信噪比等諸多關(guān)鍵指標(biāo)上均優(yōu)于同類的模擬機(jī)，而且體積減少了二分之一，重量減輕了三分之一，整機(jī)功耗被控制在5.5W.該樣機(jī)已通過用戶驗(yàn)收并以其性能好、功耗低、重量輕、便于野外作用而得到用戶的好評(píng)，全面完成了對(duì)短波接收機(jī)系列化的數(shù)字化改造。