台式射频仪表平台之系统控制和信号处理板的设计

时间：2024-08-31

段海舰，孔庆忠

（内蒙古工业大学机械学院，内蒙古呼和浩特 010051）

0 引言

台式射频仪表平台主要是针对射频信号的测量提供测试平台，可以测试射频信号的频谱，包括信号频谱分析和矢量信号分析功能，可以产生高精度的信号源，用于搭建完整的测试系统，以便在实际测试信号或者是高校做实验时使用。

1 台式射频仪表平台的结构

台式射频仪表平台的结构如图1所示。其硬件系统包括扩展信号处理板、射频发射板、射频接收板、射频扩展板、系统控制和信号处理板。系统控制和信号处理板卡在台式射频仪表的最下方位置，其主要完成整个系统内的信号接收、处理以及传输功能。

图1 台式射频仪表的结构图

2 系统控制和信号处理板板卡的设计及功能实现

系统控制和信号处理板主要完成系统的控制和中频信号处理，包括频谱仪需要的信号处理功能，其硬件结构框架如图2所示。根据总体设计要求，系统控制和信号处理板卡位于系统的0槽，对外提供1路千兆调试网口，1路PCIE接口，2路SATA硬盘接口，2路USB接口，1路触发信号输入接口，1路触发信号输出接口，1路10MHz时钟输出接口，1路10MHz时钟输入接口，1路SPI总线接口，2路风机转速指示信号接口，VGA接口，键盘按钮接口等。

2.1 ATX电源控制模块

台式射频仪表的电源智能控制通过系统控制和信号处理板实现，当系统电源接上交流220V后，先输出5VSB的电压，通过接插件提供给台式射频仪表平台COM EXPRESS板卡，经过电压转换芯片转成3.3 VSB给系统控制和信号处理板板上的单片机供电，单片机驱动前面板的电源状态指示灯亮，说明220V电源已经接通。此时ATX只有+5VSB电压供电，台式射频仪表平台板卡内的CPU并没有运行。系统控制和信号处理板电源控制原理如图3所示。

当按下前面板的电源按键后，PS＿IN信号产生一个低脉冲，该信号送给 W83627的ACPI专用管脚PS＿IN，并在芯片内部对该复位信号进行去抖处理，W83627捕捉到该脉冲，输出一个复位脉冲到台式射频仪表平台的PWRBTN信号，台式射频仪表平台采样该输入复位信号，并根据BIOS设置会产生SUS＿S3＃、SUS＿S4＃和SUS＿S5＃三个状态指示信号，SUS＿S3＃输出给W83627芯片，在该芯片内根据该信号的状态产生PS＿ON信号，并输出给ATX电源，用于打开ATX电源的输出。ATX电源检测到PS＿ON信号为拉低后，便会输出各正常工作电压（±12V、5V、3.3V），其中+12V提供给台式射频仪表平台，但此时台式射频仪表平台内部没有进行电压转换，而是等候POWER＿GOOD信号。当ATX电源各输出电压都稳定后，会输出PWR＿GOOD信号给COM EXPRESS板卡，此时COM EXPRESS板卡内部产生工作需要的各种电压，COM EXPRESS板卡会根据PWR＿GOOD信号及输入的电压实现上电初始化过程。

图2 系统控制和信号处理板硬件结构框架

图3 系统控制和信号处理板电源控制原理图

2.2 基带处理单元

系统控制和信号处理板的基带处理单元主要由1片freescale公司的DSP芯片（型号为 MSC8157）构成，通过RapidIO接口连接到现场可编程逻辑门阵列模块，通过以太交换接口连接到台式射频仪表平台。MSC8157系统接口方式如图4所示。MSC8157处理器的主要特性如下：①支持6个SC3850内核，最高频率为1.0GHz；②每个SC3850内核的L1内存大小为64kByte，L2内存大小为512kByte，M3内存大小为3 MByte；③外接4片DDR3存储器，构成64bit位宽，时钟频率为667MHz，每片容量为128MByte；④支持4个CPRI接口，速率可以达到6GHz，SRIO满足协议要求；⑤支持2个以太接口，对外可以配成2个RGMII方式或者是2个SGMII方式；⑥具有32个GPIO引脚，支持集电极开路。

图4 MSC8157系统接口方式

2.3 控制逻辑单元

系统控制和信号处理板的控制逻辑单元（EPLD）采用Lattice的LCMXO2280芯片实现。主要完成以下功能：①整板复位控制与管理；②外部软件狗；③工作指示灯控制；④整板定时信号分发；⑤中断复用；⑥数字锁相环鉴相功能；⑦FPGA下载；⑧支持IIC协议。控制逻辑单元接口方式如图5所示。

2.4 现场可编程逻辑门阵列模块

系统控制和信号处理板的现场可编程逻辑门阵列模块采用了ALTERA公司的EP4SGX230FPGA芯片，其功能如下：①外接6GB的大存储，用于数据的高速回放功能；②实现ADC和DAC接口功能；③对ADC中频采样输出数据进行数字下变频、多速率转换处理等；④将基带信号解出，经过脉冲整形、多速率转换、数字上变频处理生成基频信号，输出给DAC进行中频变频、模数转换；⑤发出快速射频开关控制，通过本板控制逻辑单元模块透传到射频板卡上的控制逻辑单元模块，直接控制射频开关；⑥对射频信号经过ADC采样后进行频谱处理，处理后的数据通过PCIE直接进入X86的内存进行显示，最大限度地提高频谱处理速度。现场可编程逻辑门阵列接口方式如图6所示。

图5 控制逻辑单元接口方式

图6 现场可编程逻辑门阵列接口方式

2.5 复位设计

系统控制和信号处理板有2个复位按键：电源复位按键和系统复位按键。其中电源复位按键产生的复位信号接入到SuperIO芯片的专用管脚PSIN，由该芯片产生台式射频仪表平台的上电复位信号PM＿PWRBTN＃；系统复位按键产生复位信号PM＿EXTRST＃，直接连接台式射频仪表平台的指定系统复位管脚。此外，板卡上还有用于复位单片机的复位按钮。由于台式射频仪表平台的供电和信号处理板的供电时间不一致，因此系统控制和信号处理板卡上的几个芯片的复位信号均需要在台式射频仪表平台启动后再释放，台式射频仪表平台上电前应保持复位状态，避免造成芯片与台式射频仪表平台之间连接信号线的干扰。系统控制和信号处理板复位设计原理框图如图7所示。

图7 系统控制和信号处理板复位设计原理框图