中頻信號處理板的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：設(shè)計(jì)了以DSP TMS320C6415，TMS320C6713和FPGA EP3S110為核心的中頻信號處理板，該板實(shí)現(xiàn)了中頻信號的調(diào)制解調(diào)、編解碼、信息預(yù)處理和用戶可靈活改變應(yīng)用程序等功能。對工程中實(shí)現(xiàn)中頻信號的處理有一定的指導(dǎo)意義。
關(guān)鍵詞：TMS320C6415；TMS320C6713；EP3S110；信號處理

0 引言
    軟件無線電的基本思想是使用軟件完成過去專用硬件才能完成的工作，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是讓數(shù)字到模擬、模擬到數(shù)字的轉(zhuǎn)換部分盡可能地靠近射頻端，從而使信號盡早的數(shù)字化，用數(shù)字化器件來完成原來模擬器件才能完成的工作，這種思想是在數(shù)字通信發(fā)明之后電子領(lǐng)域的非常重要的技術(shù)革新。
    軟件無線電因其具有更低的設(shè)計(jì)成本、更大的使用靈活性和更高的性能，迅速在軍事領(lǐng)域、公共安全領(lǐng)域和商用領(lǐng)域得到了很大的應(yīng)用。軟件無線電中的中頻處理設(shè)計(jì)思路通常采用處理器加FPGA的方式實(shí)現(xiàn)，處理器實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制和配置功能，F(xiàn)PGA實(shí)現(xiàn)信號的采集和實(shí)時(shí)處理功能。本文中頻信號處理板采用雙DSP加FPGA的方式實(shí)現(xiàn)。

1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
    中頻信號處理板設(shè)計(jì)采用以Altera公司的EP3S110和TI公司的TMS320C6415、TMS320C6713為核心，加以AD／DA、時(shí)鐘電路等外圍電路來實(shí)現(xiàn)中頻信號的采樣、調(diào)制解調(diào)、信息處理等功能。電路的實(shí)現(xiàn)框圖如圖1所示。

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1．1 DSP部分
    本設(shè)計(jì)采用兩個(gè)DSP的方式，其中DSPTMS320C6713為浮點(diǎn)數(shù)字信號處理器，DSPTMS320C6415為定點(diǎn)數(shù)字信號處理器。TI的C67x和C64系列芯片都是非常成熟的DSP，其具有體積小、高速度、低功耗的特點(diǎn)，而且應(yīng)用廣泛，開發(fā)難度較低。器件容易獲得。其中TMS320C6713是當(dāng)前在軍工領(lǐng)域廣泛采用的浮點(diǎn)處理器，其最高支持300 MHz主頻，工業(yè)級器件支持200 MHz，其內(nèi)核采用超長指令字(VLIW)體系結(jié)構(gòu)，有8個(gè)功能單元、64個(gè)32 b通用寄存器。一個(gè)時(shí)鐘周期同時(shí)執(zhí)行8條指令，運(yùn)算能力最高可達(dá)到1600 MIPS／1200 FLOPS，支持雙精度的數(shù)據(jù)類型。TMS32 0C6415最高支持1 GHz，能穩(wěn)定工作在480 MHz，內(nèi)核采用超長指令字(VLIW)體系結(jié)構(gòu)，有8個(gè)功能單元、64個(gè)32 b通用寄存器。一個(gè)時(shí)鐘周期同時(shí)執(zhí)行8條指令，運(yùn)算能力最高可達(dá)到4 800 MIPS。
    在本設(shè)計(jì)中采用一顆TMS320C6713作為用戶系統(tǒng)處理核心。DSP的外部存儲器接口EMIF都需要掛接片外存儲器。TMS320C6713有一組EMIF總線，位寬分別為32 b。TMS320C6415作為信號處理和控制處理核心。一顆TM$320C6415有兩組EMIF總線，位寬分別為32 b。根據(jù)需要兩個(gè)DSP掛接有如下片外存儲器：
    TMS320C6713需要掛接有如下片外存儲器：
    SDRAM：128 Mb／片，采用MT48LC4M32，EMIFA接口，32位同步存儲器模式，100 MHz時(shí)鐘速度。
    TMS320C6415需要掛接有如下片外存儲器：
    FLASH：16 Mb／片，采用Am29DL160D，EMIF-B接口，8位異步存儲器模式，90 ns操作速度。
    SDRAM：256 Mb／片，采用EMIF-A接口，32位同步存儲器模式，100 MHz時(shí)鐘速度。
    2顆DSP的EMIF總線除了和外部存儲器連接外，還和FPGA的I／O相連，利用FPGA內(nèi)部構(gòu)建的雙口RAM或者FIFO進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。傳輸支持EDMA方式。為獲得更好的數(shù)據(jù)吞吐速度，將外部存儲器和FPGA構(gòu)建存儲器映射到不同的CE片選空間。
    2顆DSP之間的數(shù)據(jù)通過FPGA進(jìn)行交換，也可通過兩個(gè)DSP之間的McBSP實(shí)現(xiàn)兩顆DSP直接的數(shù)據(jù)交互，如圖2所示。

    在工程實(shí)現(xiàn)上，利用DSP內(nèi)部的McBSP中斷，可以讓數(shù)據(jù)的交互在中斷服務(wù)程序里面完成，使DSP的響應(yīng)更為快捷。
1．2 FPGA部分
    本設(shè)計(jì)中采用Altera公司的EP3S110作為實(shí)時(shí)信號處理核心。EP3S110是Altera公司具有全新架構(gòu)的高密度產(chǎn)品。它采用65 nm工藝，與前期產(chǎn)品相比，器件的邏輯密度是前者的2倍，功耗降低了50％，性能提高了25％。本設(shè)計(jì)中采用的芯片，片上LVDS總線最高速率可以達(dá)到1．25 Gb／s，該芯片集成了106 500LE，896個(gè)18×18乘法器，16個(gè)全局時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)，88個(gè)等效LVDS通道，片上RAM為9 Mb的容量。該芯片在設(shè)計(jì)中主要完成的功能有中頻信號的調(diào)制解調(diào)、編解碼、頻率點(diǎn)的置入、LVDS通路的建立、內(nèi)部雙口的構(gòu)建等功能。
1．3 A／D，D／A部分
    本設(shè)計(jì)中采用4通道高速A／D和1通道D／A，A／D采用14 b 105 MSPS的高動(dòng)態(tài)、高精度、快速轉(zhuǎn)換芯片，接收時(shí)4路A／D同時(shí)采集，滿足對中頻信號的采集要求，保證A／D的SNR在65 dB以上，D／A采用16 b 160 MSPS的高速數(shù)／模轉(zhuǎn)換器，1路模擬輸出，保證輸出的雜散較低，頻譜較純。
    采用的芯片為ADS6445和AD9957。ADS6445的主要特點(diǎn)為：
    (1)高采樣速率，采樣速率高達(dá)125 MSPS。
    (2)高分辨率(14位)。
    (3)時(shí)鐘輸入可以使用LVCMOS，LVPECL，LVDS方式。
    (4)ADS6445既有粗略增益調(diào)整也有精細(xì)增益調(diào)整。
    AD9957的主要特點(diǎn)為：
    (1)32位相位累加器。
    (2)波特率高達(dá)25 Mb／s的SPI接口。
    (3)內(nèi)置1 024×32的RAM，可實(shí)現(xiàn)內(nèi)部調(diào)制功能。
    (4)內(nèi)部采用1．8 V供電，超低功耗。
    (5)內(nèi)置的低噪聲參考時(shí)鐘倍頻器允許使用低成本，低頻率外部時(shí)鐘作為系統(tǒng)時(shí)鐘，同時(shí)可提供優(yōu)良的動(dòng)態(tài)性能。
    (6)支持測試向量和幅度斜坡式控制功能。
1．4 CPLD和時(shí)鐘部分
    CPLD采用Altera公司的EPM2210F324來實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)中的時(shí)鐘綜合器的配置和FPGA與DSP程序的加載等功能。整板正常上電后通過SPI配置時(shí)鐘綜合器，產(chǎn)生整板所需的時(shí)鐘，配置完成后，CPLD控制FPGA采用FPP方式從FLASH中加載程序，當(dāng)FPGA加載成功后，根據(jù)FPGA的配置引腳CONFI GDONE狀態(tài)，將FLASH控制權(quán)交給DSP(6713)，控制完成DSP(6713)的程序加載，然后控制DSP(6415)的程序加載。
    時(shí)鐘電路采用內(nèi)部10 MHz恒溫晶振和外部10 MHz原子鐘的雙時(shí)鐘設(shè)計(jì)，兩種時(shí)鐘通過時(shí)鐘綜合器AD9522完成切換。雙時(shí)鐘的設(shè)計(jì)保證了整板的穩(wěn)定性，正常工作時(shí)使用外時(shí)鐘。當(dāng)兩個(gè)時(shí)鐘有任一出現(xiàn)問題時(shí)，能快速切換到另一時(shí)鐘繼續(xù)穩(wěn)定地工作。[!--empirenews.page--]

2 軟件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)
    整板的軟件由FPGA部分實(shí)現(xiàn)信號的調(diào)制解調(diào)、信號捕獲、編解碼等功能；DSP(6415)部分實(shí)現(xiàn)控制碼的產(chǎn)生、系統(tǒng)的配置、通信的控制等功能；DSP(6713)部分用于用戶程序的實(shí)現(xiàn)，可以根據(jù)用戶的需要編寫應(yīng)用程序幾個(gè)部分組成。整板軟件組成圖如圖3所示，其軟件流程圖如圖4所示。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證
    設(shè)計(jì)完成后進(jìn)行了大量的試驗(yàn)，接收試驗(yàn)中試驗(yàn)設(shè)備產(chǎn)生一路70 MHz，帶寬為5 MHz的MSK信號，通過一分四的公分器送給A／D，F(xiàn)PGA采樣完成后進(jìn)行解調(diào)和解碼產(chǎn)生信息送DSP(6415)，DSP(6415)根據(jù)消息進(jìn)行處理后分類送DSP(6713)，完成整板的接收試驗(yàn)，試驗(yàn)框圖如圖5所示。

    發(fā)射試驗(yàn)通過DSP(6713)產(chǎn)生用戶所需消息送DSP(6415)，DSP(6415)根據(jù)用戶送來的消息進(jìn)行分類整理，生成發(fā)送消息所需的控制碼，把經(jīng)過處理的消息和控制碼送給FPGA，F(xiàn)PGA根據(jù)消息和控制碼進(jìn)行消息的編碼和調(diào)制送D／A發(fā)射。試驗(yàn)框圖如圖6所示。
    通過大量的試驗(yàn)驗(yàn)證，充分驗(yàn)證了本設(shè)計(jì)的可行性和工程實(shí)現(xiàn)性。

4 結(jié)論
    通過采用雙DSP加FPGA構(gòu)建的中頻信號處理板方案能更好地完成中頻的調(diào)制解調(diào)、編碼解碼和消息的預(yù)處理以及能開發(fā)用戶程序。對時(shí)序要求嚴(yán)格的算法由FPGA實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)控制和消息處理由DSP(6415)實(shí)現(xiàn)，用戶的應(yīng)用程序由DSP(6713)來實(shí)現(xiàn)，這樣使整個(gè)中頻信號處理板調(diào)試更加方便，能更好地適應(yīng)用戶的需求。