DSP在實(shí)時(shí)信號(hào)模擬器中的應(yīng)用
英飛凌汽車電子生態(tài)圈
在通信、雷達(dá)等數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，信號(hào)模擬器發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。模擬器用來模擬實(shí)際工作過程中信號(hào)處理系統(tǒng)的各種輸入信號(hào)，從而方便了系統(tǒng)調(diào)試。可以利用現(xiàn)有儀器模擬這些信號(hào)，也可以設(shè)計(jì)專門的模擬器。這兩種方法各有特點(diǎn)：儀器模擬省去了模擬器的設(shè)計(jì)和調(diào)試過程，比較方便；但有時(shí)現(xiàn)有儀器并不能完全滿足系統(tǒng)測(cè)試的要求，另外有些儀器的價(jià)格相當(dāng)昂貴（專用的信道仿真設(shè)備一般在24000到500000美元之間[1]）。因此，在信號(hào)模擬的方法上應(yīng)視實(shí)際情況而定：對(duì)于ADC這樣輸入信號(hào)比較簡(jiǎn)單的的系統(tǒng)，可以利用任意波形發(fā)生器這些測(cè)試儀器進(jìn)行測(cè)試；而對(duì)需要多輸入或輸入信號(hào)種類比較多的系統(tǒng)一般需要設(shè)計(jì)專用的模擬器。一般來說，能用容易得到儀器完成的信號(hào)模擬不需要設(shè)計(jì)專用模擬器。
近年來，隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，DSP、FPGA的性能得到很大提高的同時(shí)，其價(jià)格也在下降。因而，使DSP、FPGA得到了廣泛的應(yīng)用。另外，支持即插即用的USB總線技術(shù)，可以方便地完成與計(jì)算機(jī)的連接。本文利用DSP、FPGA完成了一個(gè)基于USB總線的
可編程信號(hào)模擬器，該模擬器可以應(yīng)用到雷達(dá)、通信等領(lǐng)域，尤其是無線個(gè)人網(wǎng)（WPAN）方面。本文首先介紹模擬器所能完成的功能；接下來將對(duì)該模擬器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行介紹；在第三部分，詳細(xì)介紹各部分硬件的功能；在第四部分，介紹各部分軟件結(jié)構(gòu)；最后各該模擬系統(tǒng)的性能指標(biāo)，以及模擬WPAN信號(hào)的方法。
1 模擬器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能
本模擬器的核心處理芯片采用TI的TMS320VC5402，該芯片是一款性價(jià)比較高的16bits定點(diǎn)DSP處理器。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。
該模擬器由4個(gè)外部接口：USB接口、雙路模擬輸出接口、數(shù)字量輸出接口、用戶可編程輸出接口等。其中USB接口負(fù)責(zé)模擬器與計(jì)算機(jī)之間的通信，接收PC發(fā)送來的命令，向PC發(fā)送模擬器狀態(tài)等；雙路模擬/數(shù)字量輸出接口以不同的方式將模擬結(jié)果送出系統(tǒng)；用戶可根據(jù)自己的需要編程產(chǎn)生一些自定義數(shù)字量/PWM等信號(hào)經(jīng)過用戶可編程接口輸出。該模擬器可以由PC機(jī)控制，產(chǎn)生I/Q兩路信號(hào)進(jìn)行模擬和數(shù)字量輸出。預(yù)留有用戶可編程接口，方便用戶和其它系統(tǒng)進(jìn)行無縫連接，如：RF模塊等。
2 模擬器硬件組成
2.1 DSP處理器
該模擬器用到2個(gè)DSP處理器（TMS320VC5402），其處理能力可達(dá)100MIPS。其中DSP1負(fù)責(zé)控制USB接口芯片，與PC進(jìn)行通信。并將接收到的數(shù)據(jù)和命令進(jìn)行處理后，經(jīng)FIFO或多緩沖同步串口（McBSP）與DSP2進(jìn)行通信。DSP2進(jìn)行最后的處理，產(chǎn)生相應(yīng)的波形送給FIFO；同時(shí)向FPGA發(fā)送相應(yīng)命令。FPGA根據(jù)命令控制DAC、及各輸出接口，將波形數(shù)據(jù)輸出。從而實(shí)時(shí)產(chǎn)生模擬數(shù)據(jù)和波形。
TMS320VC5402片內(nèi)有16Kⅹ16bitsDARAM可以滿足一般系統(tǒng)的處理要求，但考慮到系統(tǒng)擴(kuò)展，在本系統(tǒng)中預(yù)留有外部RAM。該外部RAM可以分配為數(shù)據(jù)空間或程序空間，進(jìn)行不同空間的大小擴(kuò)展。
從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖中可以看出，模擬器的數(shù)據(jù)流是單向的。DSP的數(shù)據(jù)總線為16bits寬，利用兩片8bits異步單向FIFO（IDT72v01）進(jìn)行寬度擴(kuò)展，組成一個(gè)16bits的單向FIFO進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。可以將數(shù)據(jù)從DSP1傳送到DSP2，由DSP2傳送到各輸出接口。另外，我們利用兩個(gè)DSP的McBSP進(jìn)行一些關(guān)鍵參數(shù)、及需要進(jìn)行雙向傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行通信傳輸。FIFO通信時(shí)，將其空/滿標(biāo)志經(jīng)過譯碼連接到對(duì)應(yīng)DSP的READY信號(hào)上。這樣DSP在進(jìn)行FIFO讀寫時(shí)，不會(huì)出現(xiàn)空讀、和漏讀現(xiàn)象。從而可以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院蛯?shí)時(shí)性。
2.2 USB總線接口
USB總線是一種通用的計(jì)算機(jī)串行接口總線標(biāo)準(zhǔn)，可以連接多個(gè)設(shè)備。USB總線標(biāo)準(zhǔn)目前有：1.0、1.1和2.0多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。其中：1.0、1.1標(biāo)準(zhǔn)最高提供12Mbps的傳輸速率；2.0標(biāo)準(zhǔn)最高提供480Mbps的傳輸速率。在該模擬器中，采用1.1標(biāo)準(zhǔn)的USB接口芯片USBN9602/3。
USBN9602/3是美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的一款支持USB1.1標(biāo)準(zhǔn)的接口芯片。該芯片提供多種數(shù)據(jù)接口方式（8bits并口、并口復(fù)用、和MICROWIRE/PLUS），方便與控制器進(jìn)行連接。相對(duì)來說，8bits并口訪問方式，訪問簡(jiǎn)單讀取速度比較快。該模擬器利用DSP對(duì)USBN9602/3進(jìn)行控制，其數(shù)據(jù)線和地址線訪問比較方便，因此采用8bits并口訪問方式。USBN9602/3中斷信號(hào)通知DSP進(jìn)行時(shí)間處理。
2.3 可編程邏輯器件
本模擬器中兩個(gè)DSP的外圍器件的譯碼由一片CPLD完成。該CPLD根據(jù)DSP的PS、DS、IS、MSTROB、IOSTROB、WR、以及地址線譯碼得到外圍器件（USBN9602/3、FIFO、RAM）的片選、讀寫等信號(hào)。
輸出接口部分的FPGA負(fù)責(zé)完成對(duì)DAC、及FIFO的控制，產(chǎn)生他們需要的片選、讀寫、時(shí)鐘等信號(hào)。模擬器中采用alteral公司的FPGA，在該器件中設(shè)計(jì)了多個(gè)PWM輸出控制器、多個(gè)數(shù)字量輸出控制寄存器。DSP2可以按照訪問USBN9602/3的方式訪問FPGA，對(duì)FPGA內(nèi)部的寄存器進(jìn)行操作。從而進(jìn)行PWM和數(shù)字量輸出。此外用和還可以根據(jù)自己的要求設(shè)計(jì)相應(yīng)的功能，以滿足不同用戶的要求。alteral公司的FPGA由多種在線可編程方式，為了方便用戶升級(jí)，我們采用8位并行加載方式。用戶生成的下載文件經(jīng)USB口傳送給DSP1，由DSP1經(jīng)過其總線下載
導(dǎo)FPGA中。從而減少了利用EPROM、JTAG等其他方式加載時(shí)，對(duì)硬件進(jìn)行的EPROM燒寫、插拔等其他操作。對(duì)編程時(shí)FPGA和模擬器正常使用時(shí)一樣，無需對(duì)硬件進(jìn)行操作，做到了完全在線編程。2.4 DAC模擬輸出
本模擬器采用AD公司的8-Bit雙路發(fā)射機(jī)用DAC AD9709作為數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片。該芯片的最大轉(zhuǎn)換速率可達(dá)125MSPS，可以應(yīng)用到通信、基站、數(shù)字合成、三維超聲等領(lǐng)域。AD9709的數(shù)字輸入端有雙路并行、交織輸入兩種模式。我們采用能充分利用數(shù)據(jù)帶寬的雙路并行輸入方式。AD9709模擬輸出為兩路差分信號(hào)，運(yùn)放AD8041完成差分轉(zhuǎn)單端。其功能框圖如下：
3 軟件結(jié)構(gòu)
本模擬器的軟件包括DSP和FPGA兩部分。DSP1軟件包括：USB控制，數(shù)據(jù)接收、處理、傳輸，F(xiàn)PGA配置，DSP2的引導(dǎo)等工作。DSP2軟件相對(duì)較少，DSP1送來的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，將處理后的數(shù)據(jù)送到各接口處，并控制各接口的工作狀態(tài)。FPGA完成數(shù)字、模擬各接口的具體控制。圖3為兩個(gè)DSP的程序流程。
圖3 兩個(gè)DSP的程序流程
系統(tǒng)引導(dǎo)方式（Bootloader）。TMS320VC5402本身提供多種引導(dǎo)方式：HPI、串行EEPROM、并口、標(biāo)準(zhǔn)串口（McBSP0、McBSP1）、及IO引導(dǎo)方式等。該系統(tǒng)的程序存放在FLASH中，該FLASH由DSP1訪問。因此，DSP1采用并口引導(dǎo)，DSP2采用McBSP0引導(dǎo)。在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，首先DSP1從并口將FLASH中的對(duì)應(yīng)程序引導(dǎo)到DSP1的程序存儲(chǔ)空間中，并執(zhí)行相應(yīng)程序。接著，DSP1從FLASH中讀取DSP2的程序，將該數(shù)據(jù)經(jīng)McBSP口傳送給DSP2的McBSP0，對(duì)DSP2進(jìn)行引導(dǎo)。在兩片DSP引導(dǎo)、及運(yùn)行過程中，利用BIO和XF引腳進(jìn)行握手，從而對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行進(jìn)行同步和協(xié)調(diào)。
DSP1的處理流程如圖3中左圖所示，DSP1完成除了完成上面提到的兩個(gè)DSP的引導(dǎo)外。還要完成USB控制、控制FPGA、處理數(shù)據(jù)、向DSP2傳輸數(shù)據(jù)。DSP1根據(jù)USBN9602/3的中斷信號(hào)，讀取USB的狀態(tài)，判斷，進(jìn)行相應(yīng)的控制（其中自然包括USB的枚舉過程）。兩個(gè)DSP之間由BIO和XF引腳進(jìn)行握手，是并行系統(tǒng)的握手信號(hào)，對(duì)整個(gè)程序的協(xié)調(diào)執(zhí)行進(jìn)行同步。
DSP2根據(jù)DSP1發(fā)送的命令，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)處理，并向FPGA發(fā)送控制字，調(diào)整FPGA的狀態(tài)。由FPGA控制DAC、數(shù)字、PWM等接口的工作。
4 應(yīng)用
綜上所述，該模擬器具有數(shù)字模擬輸出接口，可以方便地和PC及進(jìn)行連接控制。其性能較高，最高輸出帶寬可達(dá)50MHz。該模擬器經(jīng)編程可以滿足雷達(dá)、通信等領(lǐng)域應(yīng)用的要求。下面以其在信道實(shí)時(shí)仿真中的應(yīng)用，說明其應(yīng)用過程。
信道仿真在通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)中必不可少的，因此設(shè)計(jì)一個(gè)WPAN信道實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)具有一定的實(shí)用價(jià)值。WPAN有著廣闊的前景，目前802.15.4標(biāo)準(zhǔn)尚未確定，商用設(shè)備沒有出現(xiàn)。尚處于開發(fā)研制階段，而對(duì)于系統(tǒng)性能的調(diào)試、測(cè)試來說，信道實(shí)時(shí)仿真至關(guān)重要。我們知道，WPAN的數(shù)據(jù)率一般不大，在Kbps量級(jí)，也就是說信道仿真系統(tǒng)的數(shù)據(jù)吞吐率和數(shù)據(jù)處理量將不會(huì)太大。
該模擬器DSP1通過USB接收PC機(jī)發(fā)送來的MAC數(shù)據(jù)，DSP1種的發(fā)射機(jī)程序完成對(duì)數(shù)據(jù)的編碼調(diào)制，產(chǎn)生相應(yīng)的波形數(shù)據(jù)；該數(shù)據(jù)經(jīng)過FIFO傳送到DSP2，DSP2的信道模型程序模擬WSSUS信道處理數(shù)據(jù)，并向FPGA發(fā)送控制字，調(diào)整DAC的工作狀態(tài)，經(jīng)FIFO將波形數(shù)據(jù)送到模擬和數(shù)字輸出接口。另外，用戶自定義接口，模擬用戶的特定的信號(hào)，可以和一些其他電路模塊進(jìn)行連接，以滿足其他需要。例如，連接上RF模塊就可以將波形數(shù)據(jù)發(fā)送到對(duì)應(yīng)的無線信道等等。
5 結(jié)論
利用DSP+FPGA完成的模擬器具有良好的實(shí)用性和可編程性，適合雷達(dá)、通信等不同領(lǐng)域的應(yīng)用。USB接口，可以利用PC機(jī)方便地進(jìn)行通信和數(shù)據(jù)分析。多種輸出接口模擬、數(shù)字、用戶自定義接口更加擴(kuò)展了應(yīng)用領(lǐng)域。
評(píng)論