基于ADSP-BF533的數(shù)字通信信號發(fā)生器設(shè)計

0 引言

在通信對抗的研究中，要想模擬出真實數(shù)字通信信號場景，數(shù)字通信信號發(fā)生器是不可或缺的儀器。而市面上的通信信號發(fā)生器價格十分昂貴，功能也比較簡單。而且這類通信信號發(fā)生器的輸出碼元不可控，信噪比及干信比也不能動態(tài)調(diào)節(jié)，因此無法模擬多種調(diào)制類型通信信號的混合環(huán)境，用作通信對抗系統(tǒng)的性能測試信號源極為不便。所以開展高精度通信信號及噪聲干擾波形的重構(gòu)方法研究工作，具有重要的理論意義和實用價值。

1 ADSP-BF533芯片簡介

ADSP-BF533是Blackfin系列的中高性能產(chǎn)品，專門針對多媒體(特別是視頻處理)和通信方面的各種應(yīng)用。其內(nèi)部包含2個乘／累加器(MAC)，2個40位的ALU，4 個視頻ALU和1個40位移位器。BF533內(nèi)核工作時鐘可高達600 MHz。運算單元處理來自寄存器組的8位、16位或者32位數(shù)據(jù)。

BF533的每個MAC每周期可完成一個16位乘16位的乘法運算，并可把結(jié)果累加到40位的累加器中，同時可提供8位的精度擴展。其ALU單元執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)的算術(shù)和邏輯運算，兩個ALU可處理16或32位的數(shù)據(jù)，運算單元具有很大的靈活性．因此可以滿足各種應(yīng)用中信號處理的要求。

ADSP-BF533把存儲器視為一個統(tǒng)一的4GBytes的地址空間。所有的資源，包括內(nèi)部存儲器、外部存儲器和I／O控制寄存器，都占據(jù)公共地址空間中相應(yīng)的部分，并且相互獨立。此地址空間的各部分存儲器按分級結(jié)構(gòu)排列，以提供高性能價格比。高速、低延遲、小容量的存儲器(如CACHE或 SRAM)的位置非常接近處理器，而低速、高延遲、大容量、低成本的存儲器(如SDRAM或Flash)遠離處理器。

BF533內(nèi)的L1存儲器是內(nèi)核中性能最高最重要的存儲器；L2存儲器用以提供額外的存儲能力，性能較低：片外存儲系統(tǒng)通過外部總線接口單元 (EBIU)進行訪問；異步存儲器單元可以連接4個異步存儲器bank或IO接口，每個bank可支持最大1MBytes物理尋址空問；同步存儲器單元可以由SDRAM進行擴展，可以訪問多達128MBytes的物理存儲空間；存儲器的DMA控制器提供高帶寬的數(shù)據(jù)傳輸能力，能夠在內(nèi)部L1／L2存儲器和外部存儲器空間之間完成代碼或數(shù)據(jù)的塊傳輸。

另外，ADSP-BF533還提供一個可直接與并行A／D和D／A轉(zhuǎn)換器、符合ITU-656 標(biāo)準(zhǔn)的視頻編碼和解碼器以及其它通用外設(shè)連接的并行接口(PPI)。PPI包括一個專用時鐘引腳、多達3個幀同步引腳和多達16個數(shù)據(jù)引腳。PPI的通用模式分為4種主要的工作方式，即：內(nèi)部產(chǎn)生幀同步中信號的數(shù)據(jù)接收，外部產(chǎn)生幀同步信號的數(shù)據(jù)接收，內(nèi)部產(chǎn)生幀同步信號的數(shù)據(jù)發(fā)送，外部產(chǎn)生幀同步信號的數(shù)據(jù)發(fā)送。每種每個PPI_CLK時鐘周期可傳送高達16 bits的數(shù)據(jù)，廣泛應(yīng)用于各種數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)傳輸?shù)膱龊稀?/p>

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

數(shù)字通信信號發(fā)生器系統(tǒng)分為兩大模塊：微型計算機模塊和波形產(chǎn)生模塊。其中微型計算機為通用計算機或PC，波形發(fā)生模塊為設(shè)計的信號發(fā)生板卡。圖1所示為系統(tǒng)總體框圖。

通用微型計算機首先根據(jù)用戶輸入的參數(shù)．分別產(chǎn)生各種類型的數(shù)字調(diào)制信號和高斯窄帶白噪聲及各種類型的干擾信號，然后將數(shù)據(jù)通過USB接口傳送到信號發(fā)生板卡。信號發(fā)生板卡再通過波形產(chǎn)生控制器循環(huán)取出通信波形存儲器和干擾／噪聲存儲器中的數(shù)據(jù)，最后通過DAC產(chǎn)生連續(xù)的數(shù)字通信信號波形。圖2所示為系統(tǒng)硬件設(shè)計框圖。

硬件設(shè)計中的DSP1為整個系統(tǒng)的核心，可直接和微型計算機通信，并且控制著DSP2的加載和運行。DSP1的加載方式為BMODE 01方式，從外部Flash加載；DSP2為BMODE 10方式，通過SlaveSPI接口加載。

DSP1首先接收微型計算機通過USB接口傳送的波形數(shù)據(jù)包，并將數(shù)據(jù)包中的通信波形或通信環(huán)境波形數(shù)據(jù)以MDMA方式傳送到通信／通信信號環(huán)境波形數(shù)據(jù)存儲器(SDRAM1)。同時將噪聲數(shù)據(jù)以SPI MDA方式傳送到DSP2的內(nèi)部RAM中，然后在DSP2接收后，將噪聲／干擾數(shù)據(jù)以MDMA方式分別存儲到噪聲／干擾數(shù)據(jù)存儲段(SDRAM2)內(nèi)。 DSP1通過SPI非DMA方式傳送信噪比／干信比參數(shù)到DSP2的內(nèi)部RAM中。其中通信數(shù)據(jù)的高位(D15)為基帶碼流數(shù)據(jù)，D14為同步信號，用于測試基帶碼流。

系統(tǒng)中，所有波形參數(shù)的采樣頻率為10MHz，數(shù)據(jù)容量為16 M×16位，可存儲1.5秒鐘的波形數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)有效位數(shù)為14位。DSP1通過PPIDMA方式直接從SDRAM1中循環(huán)讀取通信波形數(shù)據(jù)傳送給 DAC1，產(chǎn)生通信波形。DSP2利用程序產(chǎn)生隨機地址，得到MDAM0的起始地址，然后將存儲的噪聲波形數(shù)據(jù)從SDRAM2中讀入DSP2內(nèi)部RAM 中，并且根據(jù)信噪比在內(nèi)部RAM中進行幅度加權(quán)，然后通過PPI DMA傳送給DAC2，產(chǎn)生噪聲波形。若包含干擾信號，DSP2需要通過MD-MAl將干擾數(shù)據(jù)讀入內(nèi)部RAM，并根據(jù)干信比在內(nèi)部RAM中進行幅度加權(quán)，然后和噪聲疊加，再通過PPI DMA輸出到DAC2來產(chǎn)生干擾與噪聲的混合波形。其中PPI時鐘PPI_CLK信號均由各DSP的定時器產(chǎn)生。

兩個DAC的位數(shù)是14位，并且設(shè)置為4倍插值方式，即DAC輸入數(shù)據(jù)率為10MSPS，輸出轉(zhuǎn)換速率為40MSPS。DAC轉(zhuǎn)換需要的時鐘與 PPI_CLK共用，DAC連接在BF533PPI總線的低14位PPI13～PPI0。基帶碼流通過DSPl的PPI15引腳輸出，同步信號通過 DSP1的PPI14引腳輸出，經(jīng)過74AC11244驅(qū)動輸出波形。

DAC輸出的模擬信號后經(jīng)過AD8054緩沖放大，再經(jīng)信號和噪聲合成后分為兩路，可作為測試波形和信號源。若需要模擬通信信號環(huán)境，需要在微型計算機中計算多種信號的疊加數(shù)據(jù)，然后傳送到通信／通信信號環(huán)境數(shù)據(jù)存儲器(SDRAM1)中，其它過程均與通信方式相同。此模式下不能測試基帶碼流，但仍可測試同步信號。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)中的微型計算機采用Windows 2000／XP操作系統(tǒng)，其USB驅(qū)動程序由DDK開發(fā)，控制應(yīng)用程序可通過VS2005進行開發(fā)。計算機可根據(jù)用戶的輸入?yún)?shù)產(chǎn)生2ASK、2FSK、 8FSK、2PSK、2DPSK、QPSK、QDPSK等通信信號或者它們幾種混合的通信環(huán)境信號，窄帶高斯白噪聲和噪聲干擾、局部頻帶干擾、梳狀干擾、相關(guān)干擾信號．并可將數(shù)據(jù)打包后通過USB接口發(fā)送到信號發(fā)生板卡。隨后由計算機通過發(fā)送控制命令字的方式來處理數(shù)據(jù)，主要是開始輸出波形、停止輸出波形，更新波形數(shù)據(jù)，更新通信信號環(huán)境波形數(shù)據(jù)，更新干擾／噪聲數(shù)據(jù)，更新信噪比或干信比。

系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要是針對BF533進行編程。Blackfin系列DSP在軟件方面支持C語言和匯編語言，同時支持二者的混合編程。C語言程序結(jié)構(gòu)好、可讀性強、易移植，但對于中斷的處理速度慢。匯編語言處理速度快但可讀性差，不易調(diào)試。C和匯編混合編程結(jié)合了各自的優(yōu)勢，能構(gòu)造出結(jié)構(gòu)好且執(zhí)行速度快的程序。本系統(tǒng)的軟件程序流程圖如圖3所示。另外，在編程過程中主要注意以下事項：

(1)無論用C還是匯編，系統(tǒng)中只有一組相同的寄存器可供使用，因此要使用這些寄存器，子函數(shù)必須先保存，返回之前恢復(fù)。

(2)要嚴(yán)格按照寄存器的類型來使用，不同類型的寄存器不可混用。

(3)盡量節(jié)省寄存器資源。

(4)為了提高代碼運行的速度，要善于使用并行指令。

在本系統(tǒng)中，中斷與DMA方式運用較多，主要用到了PF中斷、MDMA中斷、SPI DMA中斷和PPI DMA中斷，系統(tǒng)中斷控制器可控制所有的系統(tǒng)中斷，并且管理他們的優(yōu)先級。DMA不需要內(nèi)核參入，在DMA運行中內(nèi)核可以用于計算也可以響應(yīng)中斷。

系統(tǒng)上電后，DSP1先從Flash中讀取自身的加載代碼，然后再從Flash中讀取DSP2的加載代碼通過SPI接口傳送到DSP2加載 DSP2，最后再初始化系統(tǒng)時鐘、SDRAM、NET2272USB控制芯片，進入等待微機用戶指令狀態(tài)。

4 結(jié)束語

該數(shù)字通信信號發(fā)生器只需要在通用微機或者PC機上安裝軟件即可實現(xiàn)，其成本低，效率高，實時性好，特別是在通信對抗信號源模擬方面，更是顯示了無可比擬的優(yōu)越性。