嵌入式計算機在軟件無線電方面的應(yīng)用

摘要：介紹了嵌入式計算機的特點及分類。然后討論了DSP技術(shù)在軟件無線電中面臨的挑戰(zhàn)及如何應(yīng)用DSP技術(shù)進行軟件設(shè)計。并給出了一 種基于TMS320C5402的軟件無線系統(tǒng)模式。

關(guān)鍵詞：嵌入式計算機；嵌入式系統(tǒng)；DSP；軟件無線電

引言

嵌入式計算機通常指埋藏在宿主設(shè)備中的微處理機系統(tǒng)，此類計

算機一般不被設(shè)備使用者注意，亦稱埋藏式計算機，典型機種如微控 制器、微處理器和數(shù)字信號處理器（DSP）等。嵌入式系統(tǒng)的出現(xiàn)至 今有三十多年了，嵌入式技術(shù)也歷經(jīng)了幾個發(fā)展階段。近十年來，以 計算機和軟件為核心的數(shù)字化技術(shù)迅猛發(fā)展，不僅廣泛滲透到社會經(jīng)濟、軍事、交通、通信等相關(guān)行業(yè)，而且深入到家電、娛樂、藝術(shù)、 社會文化等各個領(lǐng)域，掀起了一場數(shù)字化技術(shù)革命。隨著移動通信與 互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用迅速普及，消費電子、計算機、通信（3C）一體化趨勢 日趨明顯，嵌入式技術(shù)的研究掀起了新的高潮。

隨著DSP技術(shù)的逐步發(fā)展，相信將會使軟件無線電的發(fā)展更加迅 速，從而也推動無線通信的進一步發(fā)展。

1. 嵌入式計算機

嵌入式計算機是嵌入應(yīng)用系統(tǒng)中的計算機。例如：嵌入到醫(yī)療儀

器、工業(yè)機器人、高級音響、通訊設(shè)備、潛艇等系統(tǒng)中的計算機都是 嵌入式計算機。嵌入式微處理器和通用微處理器最大的不同就是嵌入 式微處理器多數(shù)工作在用戶自己設(shè)計的系統(tǒng)中。

以往我們按照計算機的體系結(jié)構(gòu)、運算速度、結(jié)構(gòu)規(guī)模、所適 用的領(lǐng)域，對計算機進行分類。隨著計算機技術(shù)和產(chǎn)品對其它行業(yè)的 廣泛滲透，以應(yīng)用為中心的分類方法變得更為切合實際，也就是按計算機的嵌入式應(yīng)用和非嵌入式應(yīng)用將其分為嵌入式計算機和通用計算 機。通用計算機具有計算機標準形態(tài)，通過裝配不同的應(yīng)用軟件，以 類同面目出現(xiàn)并應(yīng)用在社會的各個方面，其典型產(chǎn)品為PC。而嵌入式 計算機則是以嵌入式系統(tǒng)的形式隱藏在各種裝置、產(chǎn)品和系統(tǒng)中。

嵌入式系統(tǒng)的核心部件是各種類型的嵌入式處理器，據(jù)不完全統(tǒng) 計，全世界嵌入式處理器的品種總量已超過1000多種，流行的體系結(jié)構(gòu)有30幾個系列，其中8051體系的占有多半。嵌入式處理器的尋址空間一 般從64KB~16MB，處理速度從0.1MIPS到2000MIPS，常用封裝從8個引 腳到144個引腳。根據(jù)其現(xiàn)狀，嵌入式計算機可分為以下幾類。

（1）嵌入式微處理器(Embedded Microprocessor Unit ，EMPU) 嵌入式微處理器的基礎(chǔ)是通用計算機中的CPU。在應(yīng)用中，將 微處理器裝配在專門設(shè)計的電路板上，只保留和嵌入式應(yīng)用有關(guān)的母 板功能,這樣可以大幅度減小系統(tǒng)體積和功耗。為了滿足嵌入式應(yīng)用 的特殊要求，嵌入式微處理器雖然在功能上和標準微處理器基本是一 樣的，但在工作溫度、抗電磁干擾、可靠性等方面一般都做了各種增強，和工業(yè)控制計算機相比，嵌入式微處理器具有體積小、重量輕、 成本低、可靠性高的優(yōu)點，但是在電路板上必須包括ROM、RAM、

總線接口、各種外設(shè)等器件，從而降低了系統(tǒng)的可靠性，技術(shù)保密性 也較差。嵌入式微處理器及其存儲器、總線、外設(shè)等安裝在一塊電 路板上，稱為單板計算機。如STD-BUS、PC104等。近年來，德國、 日本的一些公司又開發(fā)出了類似“火柴盒”式名片大小的嵌入式計 算機系列OEM產(chǎn)品。嵌入式處理器目前主要有Am186/88、386EX、 SC-400、PowerPC、68000、MIPS、ARM系列等。

（2）嵌入式微控制器(Microcontroller Unit，MCU) 嵌入式微控制器又稱單片機，顧名思義，就是將整個計算機系

統(tǒng)集成到一塊芯片中。嵌入式微控制器一般以某一種微處理器內(nèi)核 為核心，芯片內(nèi)部集成ROM/EPROM、RAM、總線、總線邏輯、定 時/計數(shù)器、WatchDog、I/O、串行口、脈寬調(diào)制輸出、A/D、D/A、 FlashRAM、EEPROM等各種必要功能和外設(shè).為適應(yīng)不同的應(yīng)用需 求，一般一個系列的單片機具有多種衍生產(chǎn)品，每種衍生產(chǎn)品的處理器內(nèi)核都是一樣的，不同的是存儲器和外設(shè)的配置及封裝。這樣可以 使單片機最大限度地和應(yīng)用需求相匹配，功能不多不少，從而減少功 耗和成本。

SoC可以分為通用和專用兩類。通用系列包括Infineon(Siemens) 的TriCore，Motorola的M-Core，某些ARM系列器件，Echelon和 Motorola聯(lián)合研制的Neuron芯片等。專用SoC一般專用于某個或某 類系統(tǒng)中，不為一般用戶所知。一個有代表性的產(chǎn)品是Philips的 SmartXA，它將XA單片機內(nèi)核和支持超過2048位復雜RSA算法的 CCU單元制作在一塊硅片上，形成一個可加載JAVA或C語言的專用的 SoC，可用于公眾互聯(lián)網(wǎng)如Internet安全方面。

2. 軟件無線電概述

軟件無線電（Software Radios，簡稱SWR）技術(shù)是近年來提出的

一種實現(xiàn)無線通信的新的體系結(jié)構(gòu)。它是針對現(xiàn)有無線通信領(lǐng)域存在 的如多種通信體系共存、各種標準競爭激烈、頻率資源緊張等等一些 問題，尤其是個人無線通信系統(tǒng)的發(fā)展，使得新的系統(tǒng)層出不窮，產(chǎn)品生存周期越來越短，原有的以硬件為主的無線通信體制難以適應(yīng)新 形勢的需要運用而生的。

軟件無線電技術(shù)通過構(gòu)造一個具有開放性、標準化、模塊化的通 用硬件平臺，將各種功能，如工作頻段、調(diào)制解調(diào)類型、數(shù)據(jù)格式、 加密模式、通信協(xié)議等用軟件來完成，并使寬帶模數(shù)（A/D）和數(shù)模

（D/A）轉(zhuǎn)換器盡可能靠近天線，以研制出具有高度靈活性和開放性 的新一代無線通信系統(tǒng)。其主要特點有：

靈活性強，可以通過增加軟件模塊來增加新的功能； 集中性較強，多個信道享有共同的射頻前端與寬帶A/D/A轉(zhuǎn)換器

以獲取每一信道的相對廉價的信號處理性能； 開放性較強，具有標準化、模塊化的結(jié)構(gòu)，硬件可以更新或擴

展，軟件可以隨需要而不斷升級。 軟件無線電的宗旨就是將寬帶A/D和D/A的變換盡可能地靠近天

線，對數(shù)字化后的信號采用數(shù)字信號處理（DSP）技術(shù)，在可編程控 制的硬件平臺上，利用軟件來實現(xiàn)無線電的各部分功能，即整個無線 電臺從高頻、中頻、基帶直到控制協(xié)議部分全由軟件編程來實現(xiàn)。

理想軟件無線電的結(jié)構(gòu)如（圖1）所示。主要由天線、射頻 前端、寬帶A/D-D/A轉(zhuǎn)換器、通用和專用數(shù)字信號處理器以及各

一組程序總線和三組數(shù)據(jù)總線，高度并行的算術(shù)邏輯單元ALU，專用 硬件邏輯，片內(nèi)存儲器，片內(nèi)外設(shè)和高度專業(yè)化的指令集，使該芯片 速度更快，操作更靈活。