嵌入式計算機在軟件無線電方面的應用

摘要：介紹了嵌入式計算機的特點及分類。然后討論了DSP技術在軟件無線電中面臨的挑戰(zhàn)及如何應用DSP技術進行軟件設計。并給出了一 種基于TMS320C5402的軟件無線系統(tǒng)模式。

關鍵詞：嵌入式計算機；嵌入式系統(tǒng)；DSP；軟件無線電

引言

嵌入式計算機通常指埋藏在宿主設備中的微處理機系統(tǒng)，此類計

算機一般不被設備使用者注意，亦稱埋藏式計算機，典型機種如微控 制器、微處理器和數(shù)字信號處理器（DSP）等。嵌入式系統(tǒng)的出現(xiàn)至 今有三十多年了，嵌入式技術也歷經(jīng)了幾個發(fā)展階段。近十年來，以 計算機和軟件為核心的數(shù)字化技術迅猛發(fā)展，不僅廣泛滲透到社會經(jīng)濟、軍事、交通、通信等相關行業(yè)，而且深入到家電、娛樂、藝術、 社會文化等各個領域，掀起了一場數(shù)字化技術革命。隨著移動通信與 互聯(lián)網(wǎng)的應用迅速普及，消費電子、計算機、通信（3C）一體化趨勢 日趨明顯，嵌入式技術的研究掀起了新的高潮。

隨著DSP技術的逐步發(fā)展，相信將會使軟件無線電的發(fā)展更加迅 速，從而也推動無線通信的進一步發(fā)展。

1. 嵌入式計算機

嵌入式計算機是嵌入應用系統(tǒng)中的計算機。例如：嵌入到醫(yī)療儀

器、工業(yè)機器人、高級音響、通訊設備、潛艇等系統(tǒng)中的計算機都是 嵌入式計算機。嵌入式微處理器和通用微處理器最大的不同就是嵌入 式微處理器多數(shù)工作在用戶自己設計的系統(tǒng)中。

以往我們按照計算機的體系結構、運算速度、結構規(guī)模、所適 用的領域，對計算機進行分類。隨著計算機技術和產(chǎn)品對其它行業(yè)的 廣泛滲透，以應用為中心的分類方法變得更為切合實際，也就是按計算機的嵌入式應用和非嵌入式應用將其分為嵌入式計算機和通用計算 機。通用計算機具有計算機標準形態(tài)，通過裝配不同的應用軟件，以 類同面目出現(xiàn)并應用在社會的各個方面，其典型產(chǎn)品為PC。而嵌入式 計算機則是以嵌入式系統(tǒng)的形式隱藏在各種裝置、產(chǎn)品和系統(tǒng)中。

嵌入式系統(tǒng)的核心部件是各種類型的嵌入式處理器，據(jù)不完全統(tǒng) 計，全世界嵌入式處理器的品種總量已超過1000多種，流行的體系結構有30幾個系列，其中8051體系的占有多半。嵌入式處理器的尋址空間一 般從64KB~16MB，處理速度從0.1MIPS到2000MIPS，常用封裝從8個引 腳到144個引腳。根據(jù)其現(xiàn)狀，嵌入式計算機可分為以下幾類。

（1）嵌入式微處理器(Embedded Microprocessor Unit ，EMPU) 嵌入式微處理器的基礎是通用計算機中的CPU。在應用中，將 微處理器裝配在專門設計的電路板上，只保留和嵌入式應用有關的母 板功能,這樣可以大幅度減小系統(tǒng)體積和功耗。為了滿足嵌入式應用 的特殊要求，嵌入式微處理器雖然在功能上和標準微處理器基本是一 樣的，但在工作溫度、抗電磁干擾、可靠性等方面一般都做了各種增強，和工業(yè)控制計算機相比，嵌入式微處理器具有體積小、重量輕、 成本低、可靠性高的優(yōu)點，但是在電路板上必須包括ROM、RAM、

總線接口、各種外設等器件，從而降低了系統(tǒng)的可靠性，技術保密性 也較差。嵌入式微處理器及其存儲器、總線、外設等安裝在一塊電 路板上，稱為單板計算機。如STD-BUS、PC104等。近年來，德國、 日本的一些公司又開發(fā)出了類似“火柴盒”式名片大小的嵌入式計 算機系列OEM產(chǎn)品。嵌入式處理器目前主要有Am186/88、386EX、 SC-400、PowerPC、68000、MIPS、ARM系列等。

（2）嵌入式微控制器(Microcontroller Unit，MCU) 嵌入式微控制器又稱單片機，顧名思義，就是將整個計算機系

統(tǒng)集成到一塊芯片中。嵌入式微控制器一般以某一種微處理器內(nèi)核 為核心，芯片內(nèi)部集成ROM/EPROM、RAM、總線、總線邏輯、定 時/計數(shù)器、WatchDog、I/O、串行口、脈寬調(diào)制輸出、A/D、D/A、 FlashRAM、EEPROM等各種必要功能和外設.為適應不同的應用需 求，一般一個系列的單片機具有多種衍生產(chǎn)品，每種衍生產(chǎn)品的處理器內(nèi)核都是一樣的，不同的是存儲器和外設的配置及封裝。這樣可以 使單片機最大限度地和應用需求相匹配，功能不多不少，從而減少功 耗和成本。

SoC可以分為通用和專用兩類。通用系列包括Infineon(Siemens) 的TriCore，Motorola的M-Core，某些ARM系列器件，Echelon和 Motorola聯(lián)合研制的Neuron芯片等。專用SoC一般專用于某個或某 類系統(tǒng)中，不為一般用戶所知。一個有代表性的產(chǎn)品是Philips的 SmartXA，它將XA單片機內(nèi)核和支持超過2048位復雜RSA算法的 CCU單元制作在一塊硅片上，形成一個可加載JAVA或C語言的專用的 SoC，可用于公眾互聯(lián)網(wǎng)如Internet安全方面。

2. 軟件無線電概述

軟件無線電（Software Radios，簡稱SWR）技術是近年來提出的

一種實現(xiàn)無線通信的新的體系結構。它是針對現(xiàn)有無線通信領域存在 的如多種通信體系共存、各種標準競爭激烈、頻率資源緊張等等一些 問題，尤其是個人無線通信系統(tǒng)的發(fā)展，使得新的系統(tǒng)層出不窮，產(chǎn)品生存周期越來越短，原有的以硬件為主的無線通信體制難以適應新 形勢的需要運用而生的。

軟件無線電技術通過構造一個具有開放性、標準化、模塊化的通 用硬件平臺，將各種功能，如工作頻段、調(diào)制解調(diào)類型、數(shù)據(jù)格式、 加密模式、通信協(xié)議等用軟件來完成，并使寬帶模數(shù)（A/D）和數(shù)模

（D/A）轉(zhuǎn)換器盡可能靠近天線，以研制出具有高度靈活性和開放性 的新一代無線通信系統(tǒng)。其主要特點有：

靈活性強，可以通過增加軟件模塊來增加新的功能； 集中性較強，多個信道享有共同的射頻前端與寬帶A/D/A轉(zhuǎn)換器

以獲取每一信道的相對廉價的信號處理性能； 開放性較強，具有標準化、模塊化的結構，硬件可以更新或擴

展，軟件可以隨需要而不斷升級。 軟件無線電的宗旨就是將寬帶A/D和D/A的變換盡可能地靠近天

線，對數(shù)字化后的信號采用數(shù)字信號處理（DSP）技術，在可編程控 制的硬件平臺上，利用軟件來實現(xiàn)無線電的各部分功能，即整個無線 電臺從高頻、中頻、基帶直到控制協(xié)議部分全由軟件編程來實現(xiàn)。

理想軟件無線電的結構如（圖1）所示。主要由天線、射頻 前端、寬帶A/D-D/A轉(zhuǎn)換器、通用和專用數(shù)字信號處理器以及各

一組程序總線和三組數(shù)據(jù)總線，高度并行的算術邏輯單元ALU，專用 硬件邏輯，片內(nèi)存儲器，片內(nèi)外設和高度專業(yè)化的指令集，使該芯片 速度更快，操作更靈活。