基于dsp软件无线电系统的设计与实现硕士论文(编辑修改稿)

基于dsp软件无线电系统的设计与实现硕士论文(编辑修改稿)内容摘要：

性能和特性备受业界关注。 当设计师努力使DSP处理器每MIPS成本降到了适合于商用的低于10美元范围时，DSP在军事、工业和商业的应用中获得不断的成功。 到1991年，TI推出价格可与16位微处理器不相上下的DSP芯片，首次实现批量单价低于5美元，但是所能提供的性能却只是其5至10倍。 到90年代，多家公司跻身DSP领域与TI进行市场竞争。 到90年代中期，这种可编程的DSP器件已经被广泛应用到数据通信、海量存储、语音处理、汽车电子、消费类音频和视频产品等产品中去，其中最为辉煌的就是在数字蜂窝电话中的成功应用。 这一时段，DSP业务也一跃成为TI最大的业务，这个阶段DSP每MIPS的价格已降到10美分到1美元的范围。 到21世纪，DSP发展进入第三个阶段，市场竞争的激烈进行，使得TI及时调整DSP发展战略全局的规划，并且以全面的产品规划和完善的解决方案，加之全新的开发理念，深化了整个产业化的进程。 成就这一进展的前提条件就是DSP每MIPS价格目标已设定为几个美分或更低。 此外，较大的市场目前的移动通信，移动通信和调制解调器也有大量的语音压缩采用DSP芯片。 近年来，DSP芯片，应用软件和系统发展非常迅速，年均增长率高达40%。 其市场驱动力主要是互联网，无线通信，硬盘驱动器，视频电话和视频会议，以及其他消费电子产品。 换句话说，DSP产业依赖于通信技术和通信市场。 随着新的通信系统中，传输模式和多媒体智能终端的快速发展，需要在实践中的不断发展，改进和优化算法，标准和程序。 DSP编程的灵活性和计算能力的不断增加，同时又将使通信技术向更高层次迈进。 目前，市场上已有各种系列的 DSP 产品涌现出来，这些 DSP 芯片可以按照如下三种方式分类：（1）定点 DSP 芯片与浮点 DSP 芯片按照 DSP 芯片工作的数据格式可分为定点与浮点两类芯片。 数据以定点格式工作的 DSP 芯片称为定点 DSP 芯片。 其结构相对比较简单、乘法－累加（MAC）运算速度快，但受其字长限制运算精度低、动态范围小。 在市场中具有价格低的优势。 数据以浮点格式工作的 DSP 芯片成为浮点DSP 芯片。 浮点 DSP 芯片动态范围大，运算精度高，在高性能实时信号处理系统中有广泛应用。 （2）通用 DSP 芯片和专用 DSP 芯片按照用途分，前者适用普通的数字信号处理，TI 公司的 TMS320 系列 DSP 芯片即为通用 DSP 芯片。 后者是为特定的 DSP 运算专门设计的，特别适合某些特点的数字信号处理，如数字滤波、卷积和 FFT 等。 （3）静态 DSP 芯片和一致性 DSP 芯片这是根据 DSP 芯片的工作时钟和指令类型进行划分的。 若在时钟频率范围内的任何时钟频率上 DSP 芯片都能正常工作，只有计算速度的变化而没有性能的下降，则为静态 DSP 芯片。 若有多种 DSP 芯片的指令集和相应的机器代码及管脚结构相互兼容，则为一致性 DSP 芯片。 进行 DSP 应用系统的设计，选择 DSP 芯片是一个非常重要的环节。 只有选定了 DSP 芯片才能进而设计系统的其它外围电路。 （1）芯片的运算速度和精度运算速度是 DSP 芯片的一个最重要的性能指标，也是选择芯片时所要考的一个主要因素。 运算速度可以通过指令周期、MAC 时间、FFT 执行时间、MIPS 等一些性能指标来衡量。 一般的定点 DSP 芯片字长为 16 位，浮点芯片的字长为 32 位。 （2）芯片的价格价格也是选择芯片时的一个重要方面。 如果选用价格昂贵的 DSP 芯片，即使性能再高，其应用范围也会受到限制，尤其是民用产品。 （3）芯片的硬件资源不同的 DSP 芯片所提供的硬件资源也不尽相同，如片内 RAM、ROM 的数量，可扩展的外部存储空间，总线接口、I/O 接口等，可以适应不同的具体需求。 （4）芯片的开发工具开发工具在 DSP 系统的开发过程中是必不可少的。 如果没有开发工具的支持，是不可能开发出复杂的 DSP 系统的。 如果有功能强大的开发工具，如 C 语言支持，则会大大缩短开发周期。 因此，在选择 DSP 芯片的同时还必须考虑其包括软件和硬件的开发工具。 DPS芯片TMS320DM642本论文所采用的TMS320DM642是TI公司C6000系列DSP中最新的定点DSP，其核心是一个高性能的数字信号处理器，具有强大的处理性能，高灵活性和可编程性，集成外设非常完整的音频，视频和网络通信设备和接口，特别适用于机器视觉，医疗成像，视频监控，数字广播基于数字视频/图像处理的消费类电子产品，如高速DSP应用。 以TMS320DM642型DSP为核心处理器的多路视频采集兼压缩处理PCI板卡[13]，并将其应用于构建高稳定性、多媒体数字监控系统，取得了良好的社会效益和经济效益。 TMS320DM642采用第二代高性能、先进的超长指令字veloci ，使得此款DSP成为数字媒体解决方案的突出产品，它不仅拥有高速控制器的操作灵活性，而且还具有阵列处理器的数字处理的能力，TMS320DM642的外围集成了非常完整的音频、视频和网络通信的接口[14]。 3个可配置的视频端口（VPORT0－2）能够与通用的视频编、解码器实现无缝连接，支持多种视频分辨率及视频标准，支持RAW视频输入/输出，传输流模式； 1个10/100Mb/s以太网接口（EMAC），符合IEEE ； 1个多通道带缓冲音频串行端口（McASP），支持I2S，DIT，S/PDIF，IEC60958－1，AES－CP－430等音频格式； 2个多通道带缓冲串行端口（McBSP），采用RS232电平驱动； 1个VCXO内插控制单元（VIC），支持音/视频同步； 1个32位、66M赫兹； 1个用户可配置的16/32主机接口（HPI）； 1个16位通用输入/输出端口（GPIO）； 1个64位外部存储器接口（EMIF），能够与大多数异步存储器（SRAM、EPROM）及同步存储器（SDRAM，SBSRAM，ZBT SRAM，FIFO）无缝连接，最大可寻址外部存储器空间为1024MB； 1个具有64路独立通道的增强型直接内存访问控制器（EDMA）； 1个数据管理输入/输出模块（MDIO）； 1个I2C总线模块； 3个32位通用定时器； 1个符合IEEE。 L1高速缓存16kBC64xDSP内核SDRAML2高速缓冲存储器 256kB增强型的DMA控制器视频端口0L1数据缓冲区16kB视频端口2视频端口1MCASP10/100Mbit/s 以太网66MHz PCIEMIF DM642结构示意图、软件实现的选择标准的软件无线电采用模块化结构的宽带A/D和D/A及高速DSP来建立VME公共硬件平台,支持并行、流水线及异种多处理机；将射频、中频、基带和比特流部分组装在一个VME系统中,来完成无线电系统的基本的功能；用工作站将用户接口、研究工具、开发工具和本地信源编码/解码等都集成在一起,提供对系统的软件支持。 天线、VME分系统和工作站构成一个完整的软件无线电系统结构。 软件无线电系统的硬件平台的实现方案主要有四种:DSP方案、FPGA方案、ASIC方案以及计算机工作站方案。 计算机工作站功能是最多的,开发工具也非常多,系统扩展性和现场可编程性都非常强,但是尺寸和成本却太高； FPGA现场可编程性和系统扩展性很好,但是功能较少；ASIC虽然系统扩展性强，但是功能却一般,且无现场可编程性；DSP功能和现场可编程性都比较强,尺寸和成本以及系统扩展性也相当适中,所以一般都采用基于DSP硬件平台来设计的方案。 从上面的分析我们可以得出,现在DSP运算能力仍然非常有限,如果只用DSP来实现软件无线电是基本不可能的,有些处理，例如解调解扩都可以放到FPGA上,FPGA的芯片容量效率较高,它的规模取决于匹配滤波器的带宽和性能、同步算法的复杂性、相关处理的复杂性等。 实施不同的调制和解调，在DSP的主要区别在于在其软件实现，编程就行了主程序调用相应的软件模块。 这也是软件无线电技术多模块实现思想的具体体现。 滤波器ADCFPGAFIFODSP系统天线FIFODAC麦克风 一种基于DSP的软件无线电硬件平台在这里DSP系统可以包含单个或者多个通用DSP,例如可以用2片TMS320DM642, FIFO可以自动存储转换结果,DSP芯片也可以有外部资源。 另外,用可配置的数字ASIC加上DSP来实现软件无线电的灵活性,还可以使用多用途调制解调芯片(MMC)[15],它包括了由ASIC所实现的调制解调函数、先进的功率管理、一个可编程的DSP核心,以及一些个输入输出的接口逻辑。 可以做到的窄带干扰抑制的MMC卡，数字到数字的转换，调制和解调，电源管理等，它们是由可编程DSP核心控制ASIC电路来完成。 因此,为减小DSP的工作压力可以采用专用的、高编程的硬件来完成高速的滤波和处理,当然，这些专用的可编程硬件是常见的，这种混合的DSP的软件无线电结构仍能满足设计要求。 基于DSP的硬件设计是日前可以具体实现的设计,通用性、灵活性都非常好,也相对开发较容易,性能较好。 软件无线电的软件结构可以采用基于OSI参考模型的分层软件体系,支持开放式的模块化设计。 软件无线电是整体可编程的，包括无线电频段，信道接入方式和信道调制。 但也与使用软件控制的数字无线通信之间的重要区别。 凡DSP需要处理与信道编码，正交数字上变频和多速率信号处理，在这里特定的DSP编程不再赘述。 DSP编程语言C和汇编语言，软件编程相对简单，但它的编程通常是串行处理，而不是平行的，它仅仅是在芯片之间的平行，但FPGA可以实现高性能并行，这就是为什么我们介绍FPGA的一个重要原因。 出于同样的算法，使用不同的编程效率是不同的，人工用高级语言编程效率比汇编语言编写的命令级，高级语言程序比通过软件工具自动生成的算法编程和高效率。 选择什么样的编程取决于对系统资源的紧张程度。 灵活应用软件无线电的基本硬软件模块,可使软件无线电设备对传播条件具有多种自适应能力，多种抗干扰能力，灵活可变的多址方式，用户需要的多种业务及多种组网与接口能力等。 实现软件无线电的硬件平台主要包括以下四类：数字信号处理器（DSP）方案、专用集成芯片(ASIC)方案、现场可编程逻辑器件(FPGA)方案以及计算机工作站方案。 下面对这四种方案的优缺点作一个系统比较。 表 四种硬件平台方案特点比较性能方案 功能尺寸成本现场可编程性系统扩张性开发难度通用DSP多适中较低强好一般ASIC一般大高无好较难FPGA少小较高强较好难计算机工作站很多很大很高强很好很难考虑到 DSP 的通用性、灵活性和开发调试方便容易等特点，所以本系统选用以DSP 为核心的硬件系统作为软件无线电系统的设计研究平台。 本系统是一个单通道通信系统，DSP芯片作为数字信号处理部分的硬件核心，系统的核心结构采用DSP+A/D+D/A。 在系统的发送端，A/D将采样的基带信息送至DSP，经DSP。