DSP完成的實(shí)時(shí)信號(hào)模擬器

?? 前言

　　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?？梢岳矛F(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?？梢詫?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是美國國家半導(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,8b

its并口訪問方式,訪問簡單讀取速度比較快。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,FPGA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。