結(jié)合FPGA與DSP實現(xiàn)對高速中頻采樣信號處理平臺的設(shè)計詳解

現(xiàn)代社會正向數(shù)字化、信息化方向高速發(fā)展，在這一過程中，往往需要高速信號的實時性數(shù)字化處理。例如，隨著科技的進(jìn)步，現(xiàn)代雷達(dá)等應(yīng)用信號的數(shù)字化處理上有了長足的發(fā)展，但也帶來了新的問題，這些應(yīng)用的數(shù)字信號處理具有海量運行需求的應(yīng)用背景，如巡航導(dǎo)彈末制導(dǎo)雷達(dá)地形匹配、合成孔徑雷達(dá)的成像處理、相控陣?yán)走_(dá)的時空二維濾波處理等領(lǐng)域。目前，單片DSP難以勝任許多信號處理系統(tǒng)的要求。而常見的解決方案也是高速A／D采樣與信號處理功能是在多塊不同的板卡上實現(xiàn)，這給實際應(yīng)用帶來很多不便。

鑒于上述現(xiàn)有技術(shù)所存在的問題，本設(shè)計平臺的目的是：

（1）實現(xiàn)高速中頻信號（如雷達(dá)信號）的數(shù)字化處理并進(jìn)行實時傳輸數(shù)據(jù)或進(jìn)行數(shù)據(jù)的實時計算，并能通過輸出電路進(jìn)行結(jié)果顯示；

（2）自定義控制總線可以實現(xiàn)對高速中頻信號處理板進(jìn)行靈活控制，具有較強的可配置性和豐富的靈活性；

（3）高速A／D采樣與D／A回放及數(shù)據(jù)處理單元集成在一塊板上，在集成度高的同時也降低了高速信號在傳輸過程中出現(xiàn)差錯的概率。

1 平臺設(shè)計方案

高速中頻采樣信號處理平臺由主控制電路、高速A／D與D／A電路、信號處理單元電路、光纖通道電路、時鐘管理電路、存儲單元和外部接口電路組成，其總體框圖如圖1所示。

在實際應(yīng)用過程中，四路A／D通道可以接收不同的信號源的信號，D／A通路可以對外進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示等多種功能，時鐘管理電路管理內(nèi)外時鐘的使用及對板上系統(tǒng)供給工作時鐘，兩路光纖通道可以與其他高速設(shè)備相連接，自定義總線可以與CPU或主控制器相連接對平臺進(jìn)行有效靈活的控制。

1．1 高速A／D與D／A設(shè)計

四路高速A／D采樣通道采用兩片NS公司的ADC081000實現(xiàn)，每片有兩個A／D通道，相比多片A／D器件的通道間相位恒定設(shè)計是一個難點而言，單片A／D器件可以更容易實現(xiàn)兩路通道間的相位恒定。ADC081000是一款高性能的A／D采集芯片，單通道8 b采樣頻率為1 GHz。本平臺中A／D通道間采樣數(shù)據(jù)的相位恒定是利用采樣時鐘相位間的恒定來實現(xiàn)的。在設(shè)計時，使時鐘芯片到兩片A／D器件間的時鐘線等長，兩片A ／D器件到FPGA間的時鐘線與數(shù)據(jù)線也分別等長，并且還利用一片F(xiàn)PGA設(shè)計了對兩片A／D器件的軟啟動控制，這就更保證了四路通道間采樣時鐘的相位恒定。

兩路高速D／A通道采用兩片AD公司的AD9736實現(xiàn)，AD9736單通道14 b，采樣頻率可達(dá)1 200 MSPS。兩路高速D／A通路也利用一片F(xiàn)PGA作控制，實現(xiàn)通道間相位差的恒定。

1．2 信號處理單元設(shè)計

信號處理單元包括FPGA和DSP兩大部分。

FPGA部分主要由四片Virtex-4 SX55組成，四片F(xiàn)PGA間實現(xiàn)有串行連接和相隔間的連接。FPGA電路主要是實現(xiàn)對高速A／D采集數(shù)據(jù)的預(yù)處理和高速D／A回放數(shù)據(jù)處理，并且控制高速A／D電路采樣時鐘的相位恒定與高速D／A電路采樣時鐘的相位恒定，同時也根據(jù)需要與相應(yīng)的DSP進(jìn)行數(shù)據(jù)交換或傳遞。FPGA電路上連接的光接口電路也可以實現(xiàn)與其他系統(tǒng)進(jìn)行高速、實時的數(shù)據(jù)交換。

A／D采樣之后的數(shù)字信號速率非常高，要從這些高速信號中得到有用的基帶信號，需要有效地對其進(jìn)行數(shù)字下變頻、抽取、濾波等處理，這些功能都可以通過FPGA來實現(xiàn)。FPGA具有較高的處理速度和較高的穩(wěn)定性，同時又具有設(shè)計靈活、易于修改和維護(hù)的優(yōu)點，可以適應(yīng)不同系統(tǒng)的要求，提高了系統(tǒng)的適用性及可擴展性。

DSP電路是本平臺信號處理的核心，完成大部分的數(shù)據(jù)處理工作，由四片ADSP TS201組成，四片DSP間實現(xiàn)了兩兩間的Link口互連，構(gòu)成了分布式并行系統(tǒng)，可以把復(fù)雜的算法分割成小的任務(wù)給各處理器完成，從而減少任務(wù)的執(zhí)行時間。

根據(jù)設(shè)計需要，平臺數(shù)據(jù)的傳輸量很大，多DSP之間的數(shù)據(jù)傳輸速度尤為重要，采用Link口來傳輸數(shù)據(jù)，可以在不增加輔助電路的前提下，DSP間的直接互聯(lián)。而且，基于Link口的數(shù)據(jù)傳輸采用專門的數(shù)據(jù)通道，不占有系統(tǒng)總線資源，消除了傳輸過程中的總線仲裁，減少了網(wǎng)絡(luò)延遲帶來的不確定因素。四片DSP間Link口的傳遞數(shù)據(jù)能力高達(dá)600 MB／s。

DSP主要是通過軟件設(shè)計來實現(xiàn)數(shù)字基帶信號處理以及比特流控制、編碼解碼等高速的數(shù)據(jù)交換和處理功能。對DSP開發(fā)的軟件工具是ADI公司的VisualDSF++4．0，它是TigerSHARC系列DSP的集成開發(fā)環(huán)境，支持匯編語言、C語言、C++等開發(fā)語言，能讓程序員使用這些工具編寫出相對于特定DSP的高性能應(yīng)用程序，發(fā)揮強大的處理能力。在本平臺中，每片DSP的地位都是對等的，能夠根據(jù)不同的要求，硬件結(jié)構(gòu)不用改變，只須在DSP的軟件算法中稍加改動，系統(tǒng)就能實現(xiàn)新的功能。

1．3 主控制電路設(shè)計

主控制電路與信號處理單元電路和外部接口電路相連，其核心是一片規(guī)模較小的FPGA。它主要是控制信號處理單元的同步復(fù)位及工作控制，可以將從外部主機接收到信號傳遞給信號處理單元，也可將信號處理單元的有關(guān)信息傳遞到外部主機中。

1．4 其他主要電路設(shè)計

時鐘管理電路主要是負(fù)責(zé)板上FPGA、DSP、光口、高速A／D與D／A等正常工作所需要時鐘生成與配置。外部存儲電路是FPGA與DSP正常工作時所需要的外部RAM空間大小的設(shè)計。外部接口電路是本平臺與其他設(shè)備進(jìn)行連接的控制接口。光纖通道電路由兩路光纖通道組成，每路可以工作在2．5 Gb／s，可以與其他系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

2 性能測試

決定平臺性能的指標(biāo)有多個，選取最主要的三個進(jìn)行測試，結(jié)果如下。

2．1 A／D采樣的有效位數(shù)

有效位數(shù)是用來表述A／D器件的一項總體指標(biāo)，對精確評價系統(tǒng)性能非常重要。對于A／D采樣有效位的測試，采用A／D器件的最大量程輸入，在FPGA中取得數(shù)據(jù)，用Matlab來對數(shù)據(jù)處理進(jìn)行計算得到的。四路A／D采樣通道有效位的測試數(shù)據(jù)如表1所示。

2．2 A／D通道間相位恒定

A／D通道間的相位恒定指標(biāo)直接測試比較困難，在平臺設(shè)計中已經(jīng)保證了同一芯片兩路A／D通道間的相位差是恒定的，只要測試兩片A ／D芯片輸出時鐘相位差是否恒定即可判定。表1中也顯示了兩片A／D器件輸出時鐘的相位差測試結(jié)果。

2．3 DSP運算速度

DSP的運算速度和精度決定著系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理能力，同時也會對整個系統(tǒng)的性能和結(jié)構(gòu)產(chǎn)生重要的影響。DSP的處理能力可以用1 024點的復(fù)數(shù)FFT計算時間進(jìn)行比較。Link口傳遞速度的測試，可以將Link口的工作時鐘設(shè)定在600 MHz，按4 b進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞，如果接收到數(shù)據(jù)沒有錯誤，即可認(rèn)定Link口的工作速率可以達(dá)到600 MB／s。經(jīng)過測試，在工作頻率為600 MHz，按4 b進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞的情況下，各個Link均通過測試，也就是說每個Link口工作速率都可以達(dá)到600 MB／s。經(jīng)過測試，平臺上兩個光口的傳輸速度均達(dá)到了2．5 Gb／s。DSP運算速度測試結(jié)果見表2。

3 結(jié)語

通過上述測試結(jié)果可以看出，本平臺設(shè)計合理，F(xiàn)PGA與DSP的結(jié)合使用，能充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢，實現(xiàn)對高速、多路、海量信號的實時處理。另外，高度集成化設(shè)計，大大減少了平臺所占用的空間體積，也使功耗大大減小。平臺在兵器某所項目驗證中，接入實際雷達(dá)信號進(jìn)行測試，各項指標(biāo)均達(dá)到了設(shè)計要求。