【文章內(nèi)容簡介】 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(jìn)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(jìn)入第三個階段，市場競爭的激烈進(jìn)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(jìn)程。成就這一進(jìn)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(dá)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(jìn)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(jìn)。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(jìn)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(jī)器代碼及管腳結(jié)構(gòu)相互兼容，則為一致性 DSP 芯片。進(jìn)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(jìn)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(kuò)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(qiáng)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(qiáng)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(jī)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(jì)效益。TMS320DM642采用第二代高性能、先進(jìn)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(jī)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個具有64路獨立通道的增強(qiáng)型直接內(nèi)存訪問控制器（EDMA）； 1個數(shù)據(jù)管理輸入/輸出模塊（MDIO）； 1個I2C總線模塊； 3個32位通用定時器； 1個符合IEEE 。L1高速緩存16kBC64xDSP內(nèi)核SDRAML2高速緩沖存儲器 256kB增強(qiáng)型的DMA控制器視頻端口0L1數(shù)據(jù)緩沖區(qū)16kB視頻端口2視頻端口1MCASP10/100Mbit/s 以太網(wǎng)66MHz PCIEMIF DM642結(jié)構(gòu)示意圖、軟件實現(xiàn)的選擇標(biāo)準(zhǔn)的軟件無線電采用模塊化結(jié)構(gòu)的寬帶A/D和D/A及高速DSP來建立VME公共硬件平臺,支持并行、流水線及異種多處理機(jī)；將射頻、中頻、基帶和比特流部分組裝在一個VME系統(tǒng)中,來完成無線電系統(tǒng)的基本的功能；用工作站將用戶接口、研究工具、開發(fā)工具和本地信源編碼/解碼等都集成在一起,提供對系統(tǒng)的軟件支持。天線、VME分系統(tǒng)和工作站構(gòu)成一個完整的軟件無線電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。軟件無線電系統(tǒng)的硬件平臺的實現(xiàn)方案主要有四種:DSP方案、FPGA方案、ASIC方案以及計算機(jī)工作站方案。計算機(jī)工作站功能是最多的,開發(fā)工具也非常多,系統(tǒng)擴(kuò)展性和現(xiàn)場可編程性都非常強(qiáng),但是尺寸和成本卻太高； FPGA現(xiàn)場可編程性和系統(tǒng)擴(kuò)展性很好,但是功能較少；ASIC雖然系統(tǒng)擴(kuò)展性強(qiáng)，但是功能卻一般,且無現(xiàn)場可編程性；DSP功能和現(xiàn)場可編程性都比較強(qiáng),尺寸和成本以及系統(tǒng)擴(kuò)展性也相當(dāng)適中,所以一般都采用基于DSP硬件平臺來設(shè)計的方案。從上面的分析我們可以得出,現(xiàn)在DSP運算能力仍然非常有限,如果只用DSP來實現(xiàn)軟件無線電是基本不可能的,有些處理，例如解調(diào)解擴(kuò)都可以放到FPGA上,FPGA的芯片容量效率較高,它的規(guī)模取決于匹配濾波器的帶寬和性能、同步算法的復(fù)雜性、相關(guān)處理的復(fù)雜性等。實施不同的調(diào)制和解調(diào)，在DSP的主要區(qū)別在于在其軟件實現(xiàn)，編程就行了主程序調(diào)用相應(yīng)的軟件模塊。這也是軟件無線電技術(shù)多模塊實現(xiàn)思想的具體體現(xiàn)。濾波器ADCFPGAFIFODSP系統(tǒng)天線FIFODAC麥克風(fēng) 一種基于DSP的軟件無線電硬件平臺在這里DSP系統(tǒng)可以包含單個或者多個通用DSP,例如可以用2片TMS320DM642, FIFO可以自動存儲轉(zhuǎn)換結(jié)果,DSP芯片也可以有外部資源。另外,用可配置的數(shù)字ASIC加上DSP來實現(xiàn)軟件無線電的靈活性,還可以使用多用途調(diào)制解調(diào)芯片(MMC)[15],它包括了由ASIC所實現(xiàn)的調(diào)制解調(diào)函數(shù)、先進(jìn)的功率管理、一個可編程的DSP核心,以及一些個輸入輸出的接口邏輯。可以做到的窄帶干擾抑制的MMC卡，數(shù)字到數(shù)字的轉(zhuǎn)換，調(diào)制和解調(diào)，電源管理等，它們是由可編程DSP核心控制ASIC電路來完成。因此,為減小DSP的工作壓力可以采用專用的、高編程的硬件來完成高速的濾波和處理,當(dāng)然，這些專用的可編程硬件是常見的，這種混合的DSP的軟件無線電結(jié)構(gòu)仍能滿足設(shè)計要求。基于DSP的硬件設(shè)計是日前可以具體實現(xiàn)的設(shè)計,通用性、靈活性都非常好,也相對開發(fā)較容易,性能較好。軟件無線電的軟件結(jié)構(gòu)可以采用基于OSI參考模型的分層軟件體系,支持開放式的模塊化設(shè)計。軟件無線電是整體可編程的，包括無線電頻段，信道接入方式和信道調(diào)制。但也與使用軟件控制的數(shù)字無線通信之間的重要區(qū)別。凡DSP需要處理與信道編碼，正交數(shù)字上變頻和多速率信號處理，在這里特定的DSP編程不再贅述。DSP編程語言C和匯編語言，軟件編程相對簡單，但它的編程通常是串行處理，而不是平行的，它僅僅是在芯片之間的平行，但FPGA可以實現(xiàn)高性能并行，這就是為什么我們介紹FPGA的一個重要原因。出于同樣的算法，使用不同的編程效率是不同的，人工用高級語言編程效率比匯編語言編寫的命令級，高級語言程序比通過軟件工具自動生成的算法編程和高效率。選擇什么樣的編程取決于對系統(tǒng)資源的緊張程度。靈活應(yīng)用軟件無線電的基本硬軟件模塊,可使軟件無線電設(shè)備對傳播條件具有多種自適應(yīng)能力，多種抗干擾能力，靈活可變的多址方式，用戶需要的多種業(yè)務(wù)及多種組網(wǎng)與接口能力等。實現(xiàn)軟件無線電的硬件平臺主要包括以下四類：數(shù)字信號處理器（DSP）方案、專用集成芯片(ASIC)方案、現(xiàn)場可編程邏輯器件(FPGA)方案以及計算機(jī)工作站方案。下面對這四種方案的優(yōu)缺點作一個系統(tǒng)比較。表 四種硬件平臺方案特點比較性能方案 功能尺寸成本現(xiàn)場可編程性系統(tǒng)擴(kuò)張性開發(fā)難度通用DSP多適中較低強(qiáng)好一般ASIC一般大高無好較難FPGA少小較高強(qiáng)較好難計算機(jī)工作站很多很大很高強(qiáng)很好很難考慮到 DSP 的通用性、靈活性和開發(fā)調(diào)試方便容易等特點，所以本系統(tǒng)選用以DSP 為核心的硬件系統(tǒng)作為軟件無線電系統(tǒng)的設(shè)計研究平臺。本系統(tǒng)是一個單通道通信系統(tǒng)，DSP芯片作為數(shù)字信號處理部分的硬件核心，系統(tǒng)的核心結(jié)構(gòu)采用DSP+A/D+D/A。在系統(tǒng)的發(fā)送端，A/D將采樣的基帶信息送至DSP，經(jīng)DSP