低軌小衛(wèi)星通信是近年來衛(wèi)星通信應(yīng)用中一個方興未艾的重要領(lǐng)域，"創(chuàng)新一號"小衛(wèi)星是我國研制的具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的存儲與轉(zhuǎn)發(fā)通信小衛(wèi)星，cascom手持終端是專門為這顆小衛(wèi)星研制的低功耗地面手持通信終端，支持調(diào)制數(shù)據(jù)速率達(dá)76．8kbps的BPSK窄帶信道�；赥I公司的低功耗16位定點(diǎn)數(shù)字信號處理器TMS320VC5510(最高運(yùn)算能力為200MIPS)，完全用軟件實(shí)現(xiàn)低中頻數(shù)字接收機(jī)，其中包括執(zhí)行載波恢復(fù)功能的軟件鎖相環(huán)SPLL(Soft-ware Phase-Locked Loops)。在用浮點(diǎn)算法實(shí)現(xiàn)軟件鎖相環(huán)時，由于TMS320VC5510是一個定點(diǎn)DSP處理器；沒有浮點(diǎn)處理單元，只能用編譯器產(chǎn)生模擬浮點(diǎn)運(yùn)算的指令，運(yùn)算量需要67．2MIPS，效率很低，因此需要一種能在TMS320VC5510上執(zhí)行的定點(diǎn)算法，有效地降低運(yùn)算量。本文提出了一種48位定點(diǎn)擴(kuò)展精度算法實(shí)現(xiàn)SPLL，提高了效率，減少了運(yùn)算量，同時保證了環(huán)路計算的精度和動態(tài)范圍。

1軟件鎖相環(huán)

1．1軟件鎖相環(huán)的結(jié)構(gòu)

圖1表示軟件數(shù)字接收機(jī)中的解調(diào)器。它包括由改進(jìn)的costas環(huán)路構(gòu)成的載波跟蹤環(huán)路。

采樣后的中頻信號經(jīng)過數(shù)字混頻，濾掉高頻分量，通過改進(jìn)的costas環(huán)路產(chǎn)生控制信號，控制數(shù)控振蕩器(NCO)得到新的本振參考信號。其中的相位檢測器和環(huán)路濾波器結(jié)構(gòu)如圖2所示。

基于定點(diǎn)DSP的軟件鎖相環(huán)的設(shè)計和實(shí)現(xiàn)
中科院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所小衛(wèi)星工程部(200050) 蔣毅凱 李國通 楊根慶
低軌小衛(wèi)星通信是近年來衛(wèi)星通信應(yīng)用中一個方興未艾的重要領(lǐng)域，"創(chuàng)新一號"小衛(wèi)星是我國研制的具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的存儲與轉(zhuǎn)發(fā)通信小衛(wèi)星，cascom手持終端是專門為這顆小衛(wèi)星研制的低功耗地面手持通信終端，支持調(diào)制數(shù)據(jù)速率達(dá)76．8kbps的BPSK窄帶信道�；赥I公司的低功耗16位定點(diǎn)數(shù)字信號處理器TMS320VC5510(最高運(yùn)算能力為200MIPS)，完全用軟件實(shí)現(xiàn)低中頻數(shù)字接收機(jī)，其中包括執(zhí)行載波恢復(fù)功能的軟件鎖相環(huán)SPLL(Soft-ware Phase-Locked Loops)。在用浮點(diǎn)算法實(shí)現(xiàn)軟件鎖相環(huán)時，由于TMS320VC5510是一個定點(diǎn)DSP處理器；沒有浮點(diǎn)處理單元，只能用編譯器產(chǎn)生模擬浮點(diǎn)運(yùn)算的指令，運(yùn)算量需要67．2MIPS，效率很低，因此需要一種能在TMS320VC5510上執(zhí)行的定點(diǎn)算法，有效地降低運(yùn)算量。本文提出了一種48位定點(diǎn)擴(kuò)展精度算法實(shí)現(xiàn)SPLL，提高了效率，減少了運(yùn)算量，同時保證了環(huán)路計算的精度和動態(tài)范圍。

1軟件鎖相環(huán)

1．1軟件鎖相環(huán)的結(jié)構(gòu)

圖1表示軟件數(shù)字接收機(jī)中的解調(diào)器。它包括由改進(jìn)的costas環(huán)路構(gòu)成的載波跟蹤環(huán)路。

采樣后的中頻信號經(jīng)過數(shù)字混頻，濾掉高頻分量，通過改進(jìn)的costas環(huán)路產(chǎn)生控制信號，控制數(shù)控振蕩器(NCO)得到新的本振參考信號。其中的相位檢測器和環(huán)路濾波器結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1．2軟件鎖相環(huán)的設(shè)計

由圖2可見，SPLL的計算由計算相位誤差和更新環(huán)路中間變量、輸出控制信號兩部分組成。算法描述可用偽碼白表示：

中斷發(fā)生后，第一步讀取基帶同相項(xiàng)數(shù)據(jù)和正交項(xiàng)數(shù)據(jù)

A是基帶信號幅度，θe是相位誤差。第二步計算硬判決的同相數(shù)據(jù)乘以相位誤差。

即把同相數(shù)據(jù)硬判決后結(jié)果乘以正交項(xiàng)數(shù)據(jù)后再乘以歸一化因子K_norm。K_norm初始值由I_baseband和Q_baseband的初始值決定，

由于定時恢復(fù)環(huán)路和AGC(自動增益控制)環(huán)路的作用，K_norm在解調(diào)過程中近似保持恒定。第三步更新環(huán)路中間變量s_pll(n)，

fo是固定的NCO中心頻率。至此，一次完整的SPLL計算完成。

在第三步和第四步計算中，環(huán)路濾波器系數(shù)Cl，C2可以通過環(huán)路采樣時間間隔T(或者環(huán)路更新時間間隔)、環(huán)路自由頻率ωn及環(huán)路阻尼系數(shù)ξ確定，如下兩式：

Kd為相位檢測器的增益，由于在實(shí)現(xiàn)軟件鎖相環(huán)時，基帶信號的同相和正交分量都經(jīng)過歸一化處理，故Kd=1；K0為數(shù)控振蕩器的增益，K0=2πT。T為調(diào)制數(shù)據(jù)速率的倒數(shù)(1／76800)，ξ一般取0．707。在啟動載波恢復(fù)之前有一個頻率捕獲過程，通過1024點(diǎn)的FFT，可保證接收的中頻信號與本振信號之間的頻率差△f0最大不

2 48位定點(diǎn)擴(kuò)展精度算法

圖3描述的算法在TMS320VC5510上用C語言直接利用浮點(diǎn)運(yùn)算實(shí)現(xiàn)時，只能通過C編譯器產(chǎn)生模擬浮點(diǎn)運(yùn)算的定點(diǎn)指令。這種方法效率很低，每次環(huán)路計算需花費(fèi)875個指令周期。在調(diào)制數(shù)據(jù)速率為76．8kbps的數(shù)字接收機(jī)中，需要67．2MIPS的運(yùn)算量。為