基于高性能DSP的軟件無線電平臺系統(tǒng)設(shè)計

1 概述

隨著微電子技術(shù)的快速發(fā)展，可編程芯片的處理能力也在不斷加強，尤其是DSP芯片正在朝著高速，多指令并行執(zhí)行的方向發(fā)展。DSP處理能力的增強，使得原來運算量很大的算法可以用軟件的方式快速實現(xiàn)。由于軟件處理的靈活性，這給整體的無線電體系結(jié)構(gòu)帶來了深刻的變化。
軟件無線電是指一種基于可編程的，具有一定靈活性的高速信號處理平臺。處理平臺上的設(shè)備都可以進行重新配置，將通用化、模塊化、標準化的算法單元用軟件方式實現(xiàn)，根據(jù)系統(tǒng)的實際需要，在軟件中添加各種不同算法，可以完成特定的功能，因而可以跨越多種通信標準。當需要從一種標準切換至另一種標準時，處理器能夠動態(tài)的在軟件的主要部分切換[15]。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

本平臺主要針對寬帶無線數(shù)字通信系統(tǒng)物理層的中頻和基帶單元的數(shù)字信號處理，如圖1所示，平臺上有兩個DSP（ADI，TigerSHARC201），一個FPGA（Xilinx XC2S300E）和一個CPLD（Xilinx XCR3256XL208）。依據(jù)信號處理各模塊的運算特點，以及器件特點，我們將不同的模塊選擇在不同的器件中完成。FPGA設(shè)置靈活，但是主頻很難做高，通常低于120MHz，適合于處理可并行計算的模塊；而DSP主頻很高，主要以串行方式執(zhí)行指令，且DSP支持C語言，所以便于處理通信協(xié)議?；谝陨咸攸c，F(xiàn)PGA適合處理發(fā)送端數(shù)據(jù)以及數(shù)字上變頻（DUC）；在接收端適合處理數(shù)字下變頻（DDC），匹配濾波器，定時同步等其它基帶處理模塊。DSP適合定時同步，信道估計，F(xiàn)FT變換，解交織，譯碼等其它基帶處理模塊，以及通信協(xié)議處理。而CPLD由于其器件特性限制，一般用作主控模塊或主控指令翻譯器。

現(xiàn)代寬帶無線數(shù)字通信系統(tǒng)要盡量使用數(shù)字信號處理方法來增加可靠性，因此要使用寬帶A/D和D/A，但是由于器件性能局限，我們一般情況下選擇在中頻處使用A/D，D/A。本平臺A/D使用12bit的AD9235，最高采樣率為65MSPS，如果中頻低于65MHz，我們可直接對中頻信號進行采樣，如果中頻頻率較高，可以采用帶通采樣的方法。D/A使用14bi的AD9857，200MSPS，實現(xiàn)中頻輸出。

圖1：平臺結(jié)構(gòu)圖

寬帶無線數(shù)字通信系統(tǒng)的一般基帶處理算法中主要分為碼片級處理和符號級處理，同時還有通信協(xié)議處理。碼片級信號處理的特點是運算量大，比如定時同步等，所以在以往的系統(tǒng)中大多采用FPGA或ASIC來實現(xiàn)，但是本平臺上的高性能DSP中設(shè)置了一些特殊單元，完全可以滿足碼片級處理的要求，表1為DSP處理能力的峰值指標，從此表中我們可以看到其強大的處理能力。符號級處理比如譯碼等，相對來說處理量不是很大，此DSP還提供了增強的指令，使得Viterbi和Turbo碼解碼更快。通信協(xié)議處理部分需要很多判斷，跳轉(zhuǎn)等操作，這部分如果使用FPGA或ASIC處理將使系統(tǒng)開發(fā)變得非常慢，而DSP可采用C語言，這點無疑非常適合于通信協(xié)議的處理。

表1：DSP處理能力指標
峰值速率

32-bit 浮點性能 3,600 MFLOPS

16-bit算法 執(zhí)行時間 時鐘周期
256點復(fù)數(shù)FFT（基2） 1.5µs 901
32-bit算法 執(zhí)行時間 時鐘周期
1024點復(fù)數(shù)FFT（基2） 16.8µs 10,061
注：此表中是DSP工作在600MHz時的數(shù)據(jù)

FPGA作為DSP的硬件協(xié)處理器能夠增強功能，改善吞吐量，減小系統(tǒng)成本。本平臺上的FPGA較小，只有100萬邏輯門，在此平臺上主要作為DSP的協(xié)處理器。CPLD為主要用于完成主控指令的轉(zhuǎn)換。

2.1 DSP體系結(jié)構(gòu)簡介

平臺上使用的高性能DSP TigerSHARC201主頻600MHz，其主要特點是能夠進行多指令并行執(zhí)行，芯片內(nèi)部集成了一些專用處理模塊，用以保證一些較為復(fù)雜的運算指令也能在一時鐘周期處理完畢。

TigerSHARC201內(nèi)部主要模塊：（1）兩個運算模塊，可以并行執(zhí)行計算，且每個運算模塊每周期能完成2條運算指令，大大增強了數(shù)字信號處理能力，支持定點和浮點運算；（2）兩個整數(shù)ALU，能提供強大的地址產(chǎn)生能力和通用的整數(shù)操作；（3）六塊片內(nèi)DRAM共24M bit，每塊4Mbit，用于存儲指令和數(shù)據(jù)，這種分塊DRAM結(jié)構(gòu)使得DSP可以在取指的同時訪問數(shù)據(jù)；（4）三條相互獨立的128bit寬片內(nèi)數(shù)據(jù)總線，使得指令行能包括4個32bit指令，且提供了許多并行操作以簡化編程。例如，一條指令行可以讓DSP有條件的在兩個運算模塊中分別執(zhí)行乘，加和減操作，且可以同時跳轉(zhuǎn)到程序的其它地方。每條片內(nèi)數(shù)據(jù)總線都與六個片內(nèi)DRAM相連，用以保證片內(nèi)指令和數(shù)據(jù)的并行高效傳輸[6]。
TigerSHARC201外部接口：（1）一個總線接口，數(shù)據(jù)線可配置為64bit或32bit，地址線32bit；（2）四個Linkport接口，采用LVDS技術(shù)，每個接口能提供額外的全復(fù)用4bit接收和發(fā)送能力，其最大傳輸速率500Mbytes/s，用于處理器間的點對點高速數(shù)據(jù)傳輸，為數(shù)據(jù)傳輸提供了又一種途徑，Linkport接口也是本平臺的最大特點之一[6]。

2.2 數(shù)據(jù)調(diào)度方法

數(shù)據(jù)調(diào)度的原則是：盡量減少芯片間的數(shù)據(jù)傳輸量。因為芯片間的數(shù)據(jù)傳輸要走PCB板的數(shù)據(jù)線，其數(shù)據(jù)傳輸速率相對較低，而且過于頻繁的板級數(shù)據(jù)傳輸容易造成系統(tǒng)調(diào)度沖突，不便于處理。但是此DSP支持一個特殊的數(shù)據(jù)傳輸接口——Linkport接口，可以在很大程度上緩解此問題。

使用DSP的Linkport接口分別實現(xiàn)DSP與DSP，DSP與FPGA之間的點對點高速數(shù)據(jù)傳輸，這樣可滿足數(shù)據(jù)調(diào)度原則，使得系統(tǒng)總體調(diào)度變得較為簡單?？偩€接口只要負責控制指令和小量數(shù)據(jù)的傳輸就可以了。如果兩個DSP要對同一批數(shù)據(jù)分別進行處理，那么這時候就要走總線接口，使用廣播的方式進行數(shù)據(jù)傳遞，即兩個DSP可以同時接收數(shù)據(jù)，以減少數(shù)據(jù)調(diào)度。平臺上有兩個DSP，根據(jù)系統(tǒng)運算量需求來確定使用一個或者兩個都用。DSP間可以形成了一個處理鏈，也可以配置成兩個DSP并行處理。

為了使得平臺便于調(diào)度，所以可在平臺上將FPGA或者一個DSP設(shè)置為從屬器件。在FPGA中設(shè)置控制寄存器和狀態(tài)寄存器，在從屬DSP中設(shè)置控制變量和狀態(tài)變量，DSP通過總線接口來讀寫這些寄存器或者變量以達到控制從屬器件的目的，這樣做相當于硬件平臺上只有一個“大腦”，有利于減小硬件平臺調(diào)度沖突。同時FPGA還要通過總線接口接受CPLD（即主控）的控制。

2.3 控制信息處理機制

控制信息處理機制是指DSP作為硬件平臺的核心，如何控制其它從屬器件。一般主要有兩種方法：查詢模式和中斷模式。查詢模式是指從屬器件在特定時刻（一般為某個模塊處理完畢后）會主動讀取DSP發(fā)送來的并已事先存儲在緩存中的指令，隨后執(zhí)行。中斷模式是指DSP發(fā)送的指令以中斷的形式強制從屬器件立即執(zhí)行，從而控制整個硬件平臺。
CPLD主要用來作為主控或者翻譯主控發(fā)來的指令，然后將控制信息傳遞給DSP和FPGA。這里CPLD可以直接通過總線接口控制FPGA，也可以通過DSP間接控制FPGA。

3 應(yīng)用于直接序列擴頻系統(tǒng)

首先將各接收模塊信號運算的特點以及FPGA和DSP的特性相結(jié)合，找出比較適合于執(zhí)行此模塊的器件，然后進行運算量估計，根據(jù)運算量估計結(jié)果考慮使用DSP的數(shù)量以及芯片間的數(shù)據(jù)調(diào)度方式。本平臺采用了如圖2所示的處理流程，發(fā)送端全部在FPGA內(nèi)部處理。接收端下變頻在FPGA內(nèi)處理，其它模塊全部由DSP處理，兩個DSP形成一個處理鏈關(guān)系，

圖2：直擴系統(tǒng)處理流程圖

數(shù)據(jù)先進入DSP A，然后由Linkport接口傳給DSP B，譯碼完畢后由DSP B經(jīng)過總線接口傳遞給CPLD，通信協(xié)議全部在DSP B內(nèi)部處理。DSPB作為整個平臺的處理核心，DSP A和FPGA均為其從屬器件。

3.1 發(fā)送端
因為發(fā)送端數(shù)據(jù)處理量較小，占用系統(tǒng)資源相比于接收處理基本可以忽略。依據(jù)圖1所示處理平臺結(jié)構(gòu)，將原始數(shù)據(jù)直接發(fā)送給FPGA進行調(diào)制和上變頻等處理即可[7]。

3.2 接收端
FPGA主要負責數(shù)字下變頻，因為這部分的運算特點是處理量大，但是不需要繁瑣的調(diào)度。利用本地數(shù)控振蕩器（NCO）產(chǎn)生與輸入中頻信號頻率相同的正弦和余弦信號，并與輸入信號相乘，然后對運算結(jié)果做低通濾波，即可完成對中頻信號的下變頻操作。具體的參數(shù)由主控通過CPLD發(fā)送指令到FPGA中的控制寄存器來設(shè)定。FPGA中的寄存器又分為兩部分，一部分受CPLD控制，這樣主機可以通過CPLD發(fā)送命令來控制A/D的采樣率以及選擇數(shù)字濾波器的參數(shù)等，以適應(yīng)不同的通信標準；另一部分受DSP控制，執(zhí)行數(shù)據(jù)調(diào)度操作。

DSP主要完成整個基帶數(shù)字信號處理，包括定時同步、糾正頻偏、信道估計、RAKE接收、數(shù)據(jù)檢測、解擴、解交織、維特比譯碼等模塊。定時同步部分的特點時運算量比較大，且需要一些跳轉(zhuǎn)等控制。因為此DSP有非常強大的FFT運算能力，所以我們采用基于FFT快速相關(guān)的方法進行同步。DSP內(nèi)部代碼采用C語言與匯編語言匯合編程的方式，利用兩種語言各自的優(yōu)勢進行互補。

C語言開發(fā)速度很快，可讀性很強，而且方便軟件的修改和移植，但是效率較低。匯編語言的效率很高，但是修改和移植能力較差，而且不便于調(diào)度。基于這個特點，我們將程序全部模塊化，標準的算法模塊用匯編語言編寫，如FFT模塊等，整體的程序框架采用C語言，所以定時同步模塊采用DSP。另外，TigerSHARC201 DSP還支持一些專門用于直擴系統(tǒng)的指令，如解擴指令，Viterbi和Turbo譯碼專用指令等，所以將基帶處理部分放在DSP內(nèi)處理較為合理。

這樣處理的另外一個優(yōu)勢是使得系統(tǒng)兼容性更強，在此系統(tǒng)中采用了不同的序列擴頻比來抵抗信道衰落造成的影響，大范圍變化的擴頻比會使系統(tǒng)整體調(diào)度發(fā)生很大變化。比如當擴頻比為16時，所需的RAM較少，這樣片內(nèi)的DRAM就已經(jīng)夠用；而當擴頻比為10240時，就必須要使用片外RAM，這樣就要用到總線接口，此時兩種系統(tǒng)的基帶處理模式完全發(fā)生了變化，從而導(dǎo)致系統(tǒng)整體調(diào)度發(fā)生變化。用C語言處理時，可以設(shè)定幾個不同的工作模式，在處理循環(huán)開始的時候進行切換即可。如果采用了不同的通信標準的話，處理就更為繁瑣一些。

平臺控制信息和狀態(tài)信息處理機制都采用查詢模式，即在執(zhí)行完一次循環(huán)后，DSP都會主動去讀取主控發(fā)來的控制指令，隨后讀取FPGA的狀態(tài)信息，最后根據(jù)情況調(diào)整工作模式。

4. 結(jié)束語

本文作者創(chuàng)新點是提出一種使用新的高速串行接口設(shè)計通用軟件無線電平臺的方法。平臺以高性能DSP為數(shù)據(jù)處理核心，采用了一種新的高速串行接口進行平臺數(shù)據(jù)調(diào)度。實踐證明，這種方法可以避免一些不必要的調(diào)度開銷和沖突，簡化了系統(tǒng)設(shè)計，縮短了開發(fā)周期。然后將其應(yīng)用于直接序列擴頻系統(tǒng)，用實際系統(tǒng)設(shè)計說明了這種方法的優(yōu)勢所在。