基于DSP和賽靈思Spartan-6的SDR系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

Critical Link公司的某客戶需要針對多個應用開發(fā)一個擴頻無線電收發(fā)器。該客戶已經(jīng)開發(fā)出一套算法，準備用于對信號進行調(diào)制和解調(diào)，但他們卻缺少構(gòu)建完整系統(tǒng)的資源和專業(yè)知識?？蛻粝Ｍ密浖x無線電(SDR)系統(tǒng)的靈活性優(yōu)勢。本文將探討如何基于德州儀器(TI)的OMAP-L138 DSP+ARM處理器與FPGA來實現(xiàn)該系統(tǒng)。平臺Critical Link選擇其MityDSP-L138F嵌入式系統(tǒng)模塊作為SDR的基礎，因為該模塊不僅具有很強的處理能力，而且可以為客戶節(jié)省大量的預先設計成本。MityDSP-L138F模塊具有一個TI的OMAP-L138DSP+ARM處理器，該處理器集成了一個456MHz ARM9處理內(nèi)核和一個456MHz TMS320C674x DSP內(nèi)核。此外，該模塊還包含了Xilinx公司的Spartan-6 LX16 FPGA、NAND和NOR閃存以及DDR2存儲器。出于原型考慮，該設計使用了TI針對無線電的高速ADC與DAC評估套件。此外，它還需要能夠在60MHz采樣頻率轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器。針對A/D轉(zhuǎn)換器，該設計選用了TI的ADS5562。該轉(zhuǎn)換器具有16位精度，可以以80Msps采樣速率進行轉(zhuǎn)換。因為擴頻無線電需要將信號從背景噪聲中抽離，所以高動態(tài)范圍對于這種無線電來說非常重要。對于DAC，該平臺選用了TI的THS5671。這是一款14位125Msps差分電流輸出DAC。負責本項目的客戶為該系統(tǒng)提供的前端設計如圖所示。?[[wysiwyg_imageupload:454:]]圖：客戶提供的前端設計。數(shù)據(jù)傳送問題許多基于DSP的應用要求具有高速數(shù)據(jù)傳輸功能，以使系統(tǒng)能夠采集和處理數(shù)據(jù)，或者將數(shù)據(jù)傳送到外設。通常，數(shù)字信號處理器都包含了異步地址/數(shù)據(jù)總線，以使處理器能夠讀寫外設。這些接口可以滿足低速傳送數(shù)據(jù)的要求，但是在高速情況下卻會成為瓶頸。OMAP-L138 DSP+ARM處理器具有一個稱為外部存儲器接口A(EMIFA)的地址/數(shù)據(jù)總線。EMIFA允許對外部存儲器或設備進行異步尋址，并含有若干控制引腳，以滿足不同等待狀態(tài)和傳輸寬度等等要求。因為該接口具有很強的通用性，所以每次事務處理都可以利用多個時鐘周期來完成。例如，最小的讀取周期需要每16位3個周期。在100MHz下運行EMIFA，假設總線上沒有其他數(shù)據(jù)，可得到的數(shù)據(jù)傳輸速率最大為66MB/s。在總線上進行交錯讀寫會顯著地降低傳輸速率，因為這必須增加額外的轉(zhuǎn)換周期。OMAP-L138處理器還包括了一個更為專用的接口，即通用并行端口(uPP)。該接口專門用來將大量數(shù)據(jù)連續(xù)送入處理器內(nèi)存或從其中讀出。uPP的傳輸速率為每時鐘周期1個數(shù)據(jù)字(8位或16位)；或者針對雙數(shù)據(jù)速率為每時鐘周期2個數(shù)據(jù)字，但是時鐘速率必須減半。uPP時鐘速率可以高達處理器時鐘速率的一半。對于在300MHz下運行的OMAP-L138處理器，uPP時鐘可以達到75MHz。這使吞吐量可以達到150MB/s。OMAP-L138處理器實際包括2個uPP接口，每個都可以單獨配置。這允許我們?yōu)閼媒⒁粋€傳輸端口和一個接收端口，從而消除單一總線上的資源爭用問題。從硬件角度看，uPP接口是一種非常簡單的同步數(shù)據(jù)接口。它包含一個時鐘引腳、數(shù)據(jù)引腳和若干控制引腳，用于指明有效數(shù)據(jù)和起始/等待條件。事實上，該接口可以與一些并行ADC和DAC實現(xiàn)無縫連接。架構(gòu)因為我們的SDR需要與DSP之間進行高速數(shù)據(jù)傳送，所以我們選擇使用uPP端口來實現(xiàn)FPGA接口。我們使用一個端口作為接口的發(fā)送端，使用另一端口作為接收端。事實上，該處理系統(tǒng)可以同時進行發(fā)送和接收，盡管這并非系統(tǒng)要求。這個功能的優(yōu)勢在于，它允許我們在發(fā)送器和接收器之間建立循環(huán)，以進行大量的測試和調(diào)試工作。對于一個10MHz載波來說，這種調(diào)制所需的處理特性，使系統(tǒng)過多地將全部處理任務在OMAP-L138處理器的DSP中完成。在速度較慢的應用中，DSP可以單獨滿足數(shù)據(jù)速率的要求，但由于客戶要求以更高的速率發(fā)送數(shù)據(jù)，所以我們需要使用FPGA來執(zhí)行部分處理任務。FPGA尤其擅長以非常高的頻率執(zhí)行重復任務，因此，我們選擇在FPGA中執(zhí)行初始解調(diào)和基帶處理。這樣，我們就可以大量減少DSP中的數(shù)據(jù)并降低DSP的數(shù)據(jù)速率。在發(fā)送側(cè)，DSP可以預先計算最終的射頻信號，以便將有效負載數(shù)據(jù)的編碼時間降至最短。因此，F(xiàn)PGA僅僅將發(fā)送波形數(shù)據(jù)從uPP端口發(fā)送到DAC。事實上，不使用FPGA也可以完成這項工作，但是我們在設計系統(tǒng)時仍將FPGA加入，以便在需要時使用。FPGA的雙端口RAM中包含一個正弦或余弦查找表，用于合成接收機的本機振蕩器信號。FPGA中的乘法器/累加器用于根據(jù)要求解調(diào)信號。發(fā)送處理鏈當ARM微處理器上的軟件向DSP發(fā)出傳輸消息包時，發(fā)送過程將會啟動。DSP對數(shù)據(jù)進行編碼，使其成為擴頻調(diào)制序列，并將其編入一個預先計算的已調(diào)制正弦波查找表。然后，DSP使用uPP的內(nèi)置DMA引擎建立一個DMA傳輸，用以將數(shù)據(jù)從DSP存儲器傳送到DAC。FPGA則起到中間調(diào)解作用，負責向DAC和uPP提供可編程時鐘，用于設置發(fā)送采樣率。接收處理鏈接收流程連續(xù)運行。ADC樣本被同步送入FPGA——通過將輸入樣本與正交正弦和余弦波形相乘并積分，對數(shù)據(jù)進行基帶處理，從而以較低的數(shù)據(jù)速率向DSP提供同相和正交樣本。這些樣本被uPP DMA引擎以DMA方式送入DSP存儲器，再由DSP處理剩余的擴頻解調(diào)處理步驟。一旦信號被解調(diào)，得到的數(shù)據(jù)包將使用TI的DSPLink處理器之間通信庫傳送回ARM處理器。ARM軟件接收解碼數(shù)據(jù)，并通過命令接口將數(shù)據(jù)呈現(xiàn)給用戶。使用FPGA執(zhí)行接收器初始基帶處理能夠釋放足夠的DSP處理能力，從而輕松完成剩余的解調(diào)和解碼工作。如果系統(tǒng)中的輸入信號采樣率顯著低于60MHz，則DSP可不借助FPGA的力量，獨自執(zhí)行基帶處理任務。該系統(tǒng)的初始工作使用了一個低頻段(幾十或幾百kHz)的載頻。在初始實施過程中，F(xiàn)PGA僅負責將數(shù)據(jù)發(fā)送至DSP，由DSP執(zhí)行所有的解調(diào)功能。這種方式很奏效，但是無法達到更高采樣率應用的要求。通過在FPGA中實施基帶處理，我們可以在全采樣率下進行數(shù)字基帶處理和濾波，從而改善系統(tǒng)的噪聲性能：這在欠采樣下是無法做到的。本文小結(jié)該項目實現(xiàn)的原型系統(tǒng)已經(jīng)為多個應用實施過概念驗證。與理想擴頻無線電的理論性能相比，該系統(tǒng)的性能非常優(yōu)異。TI OMAP-L138 DSP+ARM處理器與FPGA的結(jié)合，實現(xiàn)了具有出色性能的高性價比解決方案。將DSP的部分處理負載分配給FPGA，使系統(tǒng)可以使用低成本、低功耗的處理器來構(gòu)建，而不是由GHz級的DSP處理所有工作。uPP接口支持簡單的FPGA接口功能，并且與其他可用的DSP接口相比，具有明顯的性能優(yōu)勢。使用uPP中的DMA進行數(shù)據(jù)傳送，可以進一步釋放DSP資源，將DSP周期用于更加重要的工作。在OMAP-L1x平臺中加入ARM處理器后，便可使用嵌入式Linux提供通信基礎設施，來管理系統(tǒng)中的用戶界面和所有的內(nèi)務處理功能。此外，使用SD卡、USB驅(qū)動器或者以太網(wǎng)連接，可以對系統(tǒng)軟件(ARM、DSP和FPGA)進行現(xiàn)場升級。因此，SDR系統(tǒng)的靈活性可以充分滿足處理算法的發(fā)展要求。David A. Rice技術總監(jiān)Critical LinkJoseph Coombs應用工程師德州儀器