【正文】 轉(zhuǎn)換器高性能信號處理器件（DSP）軟件靈活性多模式/多頻帶/多標(biāo)準(zhǔn)自適應(yīng)性自適應(yīng)性信號處理 實現(xiàn)軟件無線電終端的技術(shù)要點軟件無線電的具有以下兩個主要特點：（1）具有很強的靈活性，軟件無線電技術(shù)的核心就是用軟件來實現(xiàn)其功能，因此可以添加軟件模塊的方式來增加新的功能?？梢酝ㄟ^數(shù)字接口與其他不同制式、頻帶的電臺進行通信，并可以作為其他電臺的射頻中繼。根據(jù)所需功能的要求，選用合適的軟件模塊。 （2）具有較強的開放性，軟件無線電在結(jié)構(gòu)上采用了標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的方式，其軟、硬件結(jié)構(gòu)可以隨著器件和技術(shù)的發(fā)展，功能和要求的提高來更新或升級。軟件定義無線電和新的系統(tǒng)不僅無線電通信，但也兼容舊系統(tǒng)的無線電。因此，實現(xiàn)了與其他通信平臺之間的無縫連接。近年來,軟件無線電技術(shù)倍受關(guān)注,被認為是未來通信乃至未來無線電技術(shù)的發(fā)展方向。它突破了傳統(tǒng)無線電臺以功能單一、可擴展性差的硬件為設(shè)計核心的局限性,強調(diào)了要使通信系統(tǒng)擺脫硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的束縛,提出了以開放性的最簡硬件為通用平臺,盡可能地用可升級、可重新配置的應(yīng)用軟件來實現(xiàn)各種無線電功能的設(shè)計新思路。國內(nèi),在軟件無線電的研究中取得了很多成果,但還處于起步階段,有很多的問題需要解決,因此,對軟件無線電技術(shù)展開研究是十分必要且有意義的。由于受到硬件性能如A/D、D/A及DSP芯片處理速度的限制,目前的軟件無線電系統(tǒng)多采用折中的實現(xiàn)方案,增加專用的數(shù)字變頻器或者運行數(shù)字變頻算法,將射頻信號變頻到中頻,然后再進行基帶信號處理,這樣的軟件無線電系統(tǒng)又被稱之為“軟件定義無線電”,它并不是真正意義上的軟件無線電。在基于DSP硬件平臺下的軟件無線電系統(tǒng)中，數(shù)字信號處理器是整個軟件無線電系統(tǒng)的靈魂和心臟。軟件無線電的靈活性、開放性、兼容性，主要是通過該中心的數(shù)字信號處理器通用的硬件平臺和軟件來實現(xiàn)。從前端接收下來的信號，或?qū)墓Ψ虐l(fā)射出去的信號都要經(jīng)過數(shù)字信號處理器處理：或進行頻譜分析、信號解調(diào)、信號類型識別，或進行信號的數(shù)字上下變頻，或進行各種樣式的數(shù)字調(diào)制、數(shù)字濾波、比特流的編碼、譯碼、同步信號的獲取等等。軟件無線電不僅可以適應(yīng)數(shù)字信號處理器處理速度快、精度高、動態(tài)范圍寬、一個大的計算量外，它也有一個高效的體系結(jié)構(gòu)和指令集，更大的內(nèi)存容量，更低的功耗等功能特點。 本論文的主要工作安排本文研究的是基于DSP的軟件無線電系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)，以 DSP 為核心，構(gòu)建一個硬件平臺，使接受的信號經(jīng)過各個模塊處理后發(fā)射出去，從而構(gòu)成一個簡單的軟件無線電通信系統(tǒng)。第一章主要介紹了軟件無線電的發(fā)展和實現(xiàn)方案。第二章主要介紹了軟件無線電系統(tǒng)的基本研究結(jié)構(gòu)和所使用的DSP的選擇。第三章主要介紹了以DSP為核心的硬件平臺和各個模塊的設(shè)計和實現(xiàn)。第四章重點介紹了軟件無線電平臺的軟件實現(xiàn)，是通過信號的 AM 調(diào)制與解調(diào)算法的實現(xiàn)，從而完成簡單的信息傳遞。第二章 軟件無線電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)介紹與DSP芯片選擇考慮到DSP的通用性、靈活性和開發(fā)調(diào)試比較容易等特點,使用目前通用的數(shù)字信號處理器作為完成信號軟件處理的硬件核心,所有的軟件處理都是通過對DSP的編程完成的。這種方案的核心結(jié)構(gòu)是A/D/A+DSP系統(tǒng)。其中,DSP系統(tǒng)包含單個或多個通用數(shù)字信號處理器。系統(tǒng)工作時,在發(fā)射通道上,信源或者基帶數(shù)字信號流入DSP系統(tǒng),通過DSP系統(tǒng)的處理,輸出期望的信號。然而在接收通道上,流入的是射頻或者中頻的信號,經(jīng)過DSP系統(tǒng)的處理,從而得到基帶數(shù)字信號或者最終的數(shù)據(jù)輸出。,。數(shù)據(jù)接口電話圖像傳真窄帶A/D/A系統(tǒng)維護與監(jiān)控寬帶A/D/A實時、準(zhǔn)實時數(shù)字信號與比特流處理軟件通用硬件單元數(shù)據(jù)射頻前端單元 軟件無線電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖DAC信號輸入DSP窄帶A/D顯示信號輸出PDCPDCADCDAC放大收發(fā)電調(diào)濾波器濾波時鐘~ 基于DSP的軟件無線電系統(tǒng)框圖一個軟件無線電收發(fā)機的理想結(jié)構(gòu)是減少模擬器件,就是將其限于天線、帶通濾波器(BPF)和低聲放大器(LNA),射頻后立即進行A/D變換。帶通濾波器低噪放大器A/D變換基帶信號處理DSP 理想的軟件無線電接收機結(jié)構(gòu),但是由于目前的一些技術(shù)原因所以很難實現(xiàn)。技術(shù)上可能解決的方案是數(shù)字無線電收發(fā)機的設(shè)計,它的結(jié)構(gòu)非常近似于寬帶收發(fā)機,射頻段完全是模擬的,數(shù)字化擴展到中頻部分。隨著通信技術(shù)數(shù)字化發(fā)展,現(xiàn)代無線系統(tǒng)越來越多的功能可以用軟件來實現(xiàn)。軟件無線電的基本理念就是把硬件作為無線通信的基本平臺,通過軟件升級就可以實現(xiàn)無線通信及個人通信的各項功能。這樣無線通信新系統(tǒng)、新產(chǎn)品[11]的開發(fā)將逐步轉(zhuǎn)到軟件上來,而無線通信產(chǎn)品的價值將越來越多地體現(xiàn)在軟件上,提高了系統(tǒng)的靈活性。近年軟件無線電有了一定的發(fā)展,但仍面臨許多技術(shù)挑戰(zhàn),比如高速A/D、數(shù)字信號處理(DSP)、射頻前端、天線技術(shù)等。DSP器件就是為了滿足數(shù)字信號處理而制造的一個簡化的最佳通用微處理器(LP)。根據(jù)設(shè)計要求，我們需要實現(xiàn)對信號進行AM的調(diào)制和解調(diào)，由于器件性能的限制以及實現(xiàn)難度的綜合考慮，決定了系統(tǒng)中DSP完成調(diào)制或解調(diào)所使用的載波頻率要小于1MHz，即在中頻頻段內(nèi)。在輸入端利用模擬的混頻器將高頻信號搬至中頻附近，在輸出端也利用模擬的混頻器將中頻信號搬至高頻段。按照 A/D與D/A轉(zhuǎn)換器的工作頻帶是位于射頻還是中頻的不同，和采樣的方式不同來區(qū)分，可以將軟件無線電分為三種結(jié)構(gòu)形式：射頻全帶寬低通采樣軟件無線電結(jié)構(gòu)、射頻直接帶通采樣無線電結(jié)構(gòu)和寬帶中頻帶通采樣軟件無線電結(jié)構(gòu)[12]。射頻低通采樣軟件無線電，其結(jié)構(gòu)最是簡潔，就是把模擬電路的數(shù)量減少到可以接受的最低程度，是一種最理想的軟件無線電結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。從天線進來的信號經(jīng)過濾波的放大后再由 A/D 進行采樣，這種結(jié)構(gòu)對于 A/D 轉(zhuǎn)換器的性能的轉(zhuǎn)換速率、工作帶寬、動態(tài)范圍等都提出了非常高的條件要求，同樣也對后續(xù) DSP 或 ASIC（專用集成塊）的處理的速度要求也是非常的高，再由Nyquist采樣定理來確定，射頻低通采樣所需的采樣頻率最少是射頻工作帶寬的兩倍。但目前來看，受器件水平的限制，要以這種結(jié)構(gòu)實現(xiàn)寬頻帶（2GHz）是不可能現(xiàn)實的，即使從長遠看實現(xiàn)的難度也是非常大的。射頻直接帶通采樣軟件無線電結(jié)構(gòu)與射頻低通采樣軟件無線電結(jié)構(gòu)的不同是：A/D 前段采用了相對較窄的帶寬濾波器，然后根據(jù)所需要處理的帶寬進行帶通采樣。這樣減小了A/D采樣速率的要求，對后面的DSP的處理速度也可以隨之大大降低。但需要指出的是：這種射頻帶通采樣軟件無線電結(jié)構(gòu)對濾波器的要求很高。寬帶中頻帶通采樣軟件無線電結(jié)構(gòu)與現(xiàn)在所采用的中頻數(shù)字化接收機的結(jié)構(gòu)是差不多的，兩者都采用了多次混頻的體制或者超外差的體制。但兩者的本質(zhì)區(qū)別就是在于中頻帶寬的不一樣，常規(guī)電臺的中頻帶寬為窄帶結(jié)構(gòu)，而軟件無線電的中頻帶寬為寬帶結(jié)構(gòu)。這種寬帶中頻結(jié)構(gòu)再配以后續(xù)的數(shù)字化處理，使其具有很好的波形適應(yīng)性，信號帶寬適應(yīng)性和可擴展性。在此結(jié)構(gòu)中與前兩者相比，這種結(jié)構(gòu)的射頻前端更為復(fù)雜，但可以把射頻信號變換為中心頻率較低、帶寬適中的寬帶中頻信號，大大減輕了后續(xù)的 A/D、D/A 變換器以及DSP的數(shù)字信號處理工作的負擔(dān)，因此這種結(jié)構(gòu)無疑是三種軟件無線電結(jié)構(gòu)中最可實現(xiàn)一種設(shè)計研究的方案。因此，決定采用寬帶中頻帶通采樣軟件無線電結(jié)構(gòu)的設(shè)計方案。 DSP的發(fā)展DSP產(chǎn)業(yè)在約40年的歷程中經(jīng)歷了三個階段：第一，DSP就是數(shù)字信號的處理，并作為一個新的理論體系廣為流行。隨著這個時代的成熟，DSP進入了發(fā)展的第二階段，在此階段內(nèi)，DSP就是數(shù)字信號處理器的代表，這些DSP器件使我們生活的許多方面都發(fā)生了巨大的變化。接下來又催生了第三階段，這是一個賦能（enablement）的時代，我們將看到DSP理論和DSP架構(gòu)都被應(yīng)用到SoC類產(chǎn)品中去。 第一階段，DSP只是意味著數(shù)字信號的處理。80年代開始了第二個階段，DSP從概念化走向了產(chǎn)品化的發(fā)展，TMS32010所實現(xiàn)的出色性能和特性備受業(yè)界關(guān)注。當(dāng)設(shè)計師努力使DSP處理器每MIPS成本降到了適合于商用的低于10美元范圍時，DSP在軍事、工業(yè)和商業(yè)的應(yīng)用中獲得不斷的成功。到1991年，TI推出價格可與16位微處理器不相上下的DSP芯片，首次實現(xiàn)批量單價低于5美元，但是所能提供的性能卻只是其5至10倍。到90年代，多家公司躋身DSP領(lǐng)域與TI進行市場競爭。到90年代中期，這種可編程的DSP器件已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到數(shù)據(jù)通信、海量存儲、語音處理、汽車電子、消費類音頻和視頻產(chǎn)品等產(chǎn)品中去，其中最為輝煌的就是在數(shù)字蜂窩電話中的成功應(yīng)用。這一時段，DSP業(yè)務(wù)也一躍成為TI最大的業(yè)務(wù)，這個階段DSP每MIPS的價格已降到10美分到1美元的范圍。到21世紀(jì)，DSP發(fā)展進入第三個階段，市場競爭的激烈進行，使得TI及時調(diào)整DSP發(fā)展戰(zhàn)略全局的規(guī)劃，并且以全面的產(chǎn)品規(guī)劃和完善的解決方案，加之全新的開發(fā)理念，深化了整個產(chǎn)業(yè)化的進程。成就這一進展的前提條件就是DSP每MIPS價格目標(biāo)已設(shè)定為幾個美分或更低。此外，較大的市場目前的移動通信，移動通信和調(diào)制解調(diào)器也有大量的語音壓縮采用DSP芯片。 近年來，DSP芯片，應(yīng)用軟件和系統(tǒng)發(fā)展非常迅速，年均增長率高達40%。其市場驅(qū)動力主要是互聯(lián)網(wǎng)，無線通信，硬盤驅(qū)動器，視頻電話和視頻會議，以及其他消費電子產(chǎn)品。換句話說，DSP產(chǎn)業(yè)依賴于通信技術(shù)和通信市場。隨著新的通信系統(tǒng)中，傳輸模式和多媒體智能終端的快速發(fā)展，需要在實踐中的不斷發(fā)展，改進和優(yōu)化算法，標(biāo)準(zhǔn)和程序。 DSP編程的靈活性和計算能力的不斷增加，同時又將使通信技術(shù)向更高層次邁進。目前，市場上已有各種系列的 DSP 產(chǎn)品涌現(xiàn)出來，這些 DSP 芯片可以按照如下三種方式分類：（1）定點 DSP 芯片與浮點 DSP 芯片按照 DSP 芯片工作的數(shù)據(jù)格式可分為定點與浮點兩類芯片。數(shù)據(jù)以定點格式工作的 DSP 芯片稱為定點 DSP 芯片。其結(jié)構(gòu)相對比較簡單、乘法－累加（MAC）運算速度快，但受其字長限制運算精度低、動態(tài)范圍小。在市場中具有價格低的優(yōu)勢。數(shù)據(jù)以浮點格式工作的 DSP 芯片成為浮點DSP 芯片。浮點 DSP 芯片動態(tài)范圍大，運算精度高，在高性能實時信號處理系統(tǒng)中有廣泛應(yīng)用。（2）通用 DSP 芯片和專用 DSP 芯片按照用途分，前者適用普通的數(shù)字信號處理，TI 公司的 TMS320 系列 DSP 芯片即為通用 DSP 芯片。后者是為特定的 DSP 運算專門設(shè)計的，特別適合某些特點的數(shù)字信號處理，如數(shù)字濾波、卷積和 FFT 等。（3）靜態(tài) DSP 芯片和一致性 DSP 芯片這是根據(jù) DSP 芯片的工作時鐘和指令類型進行劃分的。若在時鐘頻率范圍內(nèi)的任何時鐘頻率上 DSP 芯片都能正常工作，只有計算速度的變化而沒有性能的下降，則為靜態(tài) DSP 芯片。若有多種 DSP 芯片的指令集和相應(yīng)的機器代碼及管腳結(jié)構(gòu)相互兼容，則為一致性 DSP 芯片。進行 DSP 應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計，選擇 DSP 芯片是一個非常重要的環(huán)節(jié)。只有選定了 DSP 芯片才能進而設(shè)計系統(tǒng)的其它外圍電路。 （1）芯片的運算速度和精度運算速度是 DSP 芯片的一個最重要的性能指標(biāo)，也是選擇芯片時所要考的一個主要因素。運算速度可以通過指令周期、MAC 時間、FFT 執(zhí)行時間、MIPS 等一些性能指標(biāo)來衡量。一般的定點 DSP 芯片字長為 16 位，浮點芯片的字長為 32 位。（2）芯片的價格價格也是選擇芯片時的一個重要方面。如果選用價格昂貴的 DSP 芯片，即使性能再高，其應(yīng)用范圍也會受到限制，尤其是民用產(chǎn)品。（3）芯片的硬件資源不同的 DSP 芯片所提供的硬件資源也不盡相同，如片內(nèi) RAM、ROM 的數(shù)量，可擴展的外部存儲空間，總線接口、I/O 接口等，可以適應(yīng)不同的具體需求。（4）芯片的開發(fā)工具開發(fā)工具在 DSP 系統(tǒng)的開發(fā)過程中是必不可少的。如果沒有開發(fā)工具的支持，是不可能開發(fā)出復(fù)雜的 DSP 系統(tǒng)的。如果有功能強大的開發(fā)工具，如 C 語言支持，則會大大縮短開發(fā)周期。因此，在選擇 DSP 芯片的同時還必須考慮其包括軟件和硬件的開發(fā)工具。 DPS芯片TMS320DM642本論文所采用的TMS320DM642是TI公司C6000系列DSP中最新的定點DSP，其核心是一個高性能的數(shù)字信號處理器，具有強大的處理性能，高靈活性和可編程性，集成外設(shè)非常完整的音頻，視頻和網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備和接口，特別適用于機器視覺，醫(yī)療成像，視頻監(jiān)控，數(shù)字廣播基于數(shù)字視頻/圖像處理的消費類電子產(chǎn)品，如高速DSP應(yīng)用。以TMS320DM642型DSP為核心處理器的多路視頻采集兼壓縮處理PCI板卡[13]，并將其應(yīng)用于構(gòu)建高穩(wěn)定性、多媒體數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng)，取得了良好的社會效益和經(jīng)濟效益。TMS320DM642采用第二代高性能、先進的超長指令字veloci ，使得此款DSP成為數(shù)字媒體解決方案的突出產(chǎn)品，它不僅擁有高速控制器的操作靈活性，而且還具有陣列處理器的數(shù)字處理的能力，TMS320DM642的外圍集成了非常完整的音頻、視頻和網(wǎng)絡(luò)通信的接口[14]。3個可配置的視頻端口（VPORT0－2）能夠與通用的視頻編、解碼器實現(xiàn)無縫連接，支持多種視頻分辨率及視頻標(biāo)準(zhǔn)，支持RAW視頻輸入/輸出，傳輸流模式； 1個10/100Mb/s以太網(wǎng)接口（EMAC），符合IEEE ； 1個多通道帶緩沖音頻串行端口（McASP），支持I2S，DIT，S/PDIF，IEC60958－1，AES－CP－430等音頻格式； 2個多通道帶緩沖串行端口（McBSP），采用RS232電平驅(qū)動； 1個VCXO內(nèi)插控制單元（VIC），支持音/視頻同步； 1個32位、66M赫茲； 1個用戶可配置的16/32主機接口（HPI）； 1個16位通用輸入/輸出端口（GPIO）； 1個64位外部存儲器接口（EMIF），能夠與大多數(shù)異步存儲器（SRAM、EPROM）及同步存儲器（SDRAM，SBSRAM，ZBT SRAM，F(xiàn)IFO）無縫連接，最大可尋址外部存儲器空間為1024MB； 1個具