基于DSP和赛灵思Spartan-6的SDR系统设计与实现

Critical Link公司的某客户需要针对多个应用开发一个扩频无线电收发器。该客户已经开发出一套算法，准备用于对信号进行调制和解调，但他们却缺少构建完整系统的资源和专业知识。客户希望利用软件定义无线电(SDR)系统的灵活性优势。本文将探讨如何基于德州仪器(TI)的OMAP-L138 DSP+ARM处理器与FPGA来实现该系统。平台Critical Link选择其MityDSP-L138F嵌入式系统模块作为SDR的基础，因为该模块不仅具有很强的处理能力，而且可以为客户节省大量的预先设计成本。MityDSP-L138F模块具有一个TI的OMAP-L138DSP+ARM处理器，该处理器集成了一个456MHz ARM9处理内核和一个456MHz TMS320C674x DSP内核。此外，该模块还包含了Xilinx公司的Spartan-6 LX16 FPGA、NAND和NOR闪存以及DDR2存储器。出于原型考虑，该设计使用了TI针对无线电的高速ADC与DAC评估套件。此外，它还需要能够在60MHz采样频率转换的数据转换器。针对A/D转换器，该设计选用了TI的ADS5562。该转换器具有16位精度，可以以80Msps采样速率进行转换。因为扩频无线电需要将信号从背景噪声中抽离，所以高动态范围对于这种无线电来说非常重要。对于DAC，该平台选用了TI的THS5671。这是一款14位125Msps差分电流输出DAC。负责本项目的客户为该系统提供的前端设计如图所示。 [[wysiwyg_imageupload:454:]]图：客户提供的前端设计。数据传送问题许多基于DSP的应用要求具有高速数据传输功能，以使系统能够采集和处理数据，或者将数据传送到外设。通常，数字信号处理器都包含了异步地址/数据总线，以使处理器能够读写外设。这些接口可以满足低速传送数据的要求，但是在高速情况下却会成为瓶颈。OMAP-L138 DSP+ARM处理器具有一个称为外部存储器接口A(EMIFA)的地址/数据总线。EMIFA允许对外部存储器或设备进行异步寻址，并含有若干控制引脚，以满足不同等待状态和传输宽度等等要求。因为该接口具有很强的通用性，所以每次事务处理都可以利用多个时钟周期来完成。例如，最小的读取周期需要每16位3个周期。在100MHz下运行EMIFA，假设总线上没有其他数据，可得到的数据传输速率最大为66MB/s。在总线上进行交错读写会显著地降低传输速率，因为这必须增加额外的转换周期。OMAP-L138处理器还包括了一个更为专用的接口，即通用并行端口(uPP)。该接口专门用来将大量数据连续送入处理器内存或从其中读出。uPP的传输速率为每时钟周期1个数据字(8位或16位)；或者针对双数据速率为每时钟周期2个数据字，但是时钟速率必须减半。uPP时钟速率可以高达处理器时钟速率的一半。对于在300MHz下运行的OMAP-L138处理器，uPP时钟可以达到75MHz。这使吞吐量可以达到150MB/s。OMAP-L138处理器实际包括2个uPP接口，每个都可以单独配置。这允许我们为应用建立一个传输端口和一个接收端口，从而消除单一总线上的资源争用问题。从硬件角度看，uPP接口是一种非常简单的同步数据接口。它包含一个时钟引脚、数据引脚和若干控制引脚，用于指明有效数据和起始/等待条件。事实上，该接口可以与一些并行ADC和DAC实现无缝连接。架构因为我们的SDR需要与DSP之间进行高速数据传送，所以我们选择使用uPP端口来实现FPGA接口。我们使用一个端口作为接口的发送端，使用另一端口作为接收端。事实上，该处理系统可以同时进行发送和接收，尽管这并非系统要求。这个功能的优势在于，它允许我们在发送器和接收器之间建立循环，以进行大量的测试和调试工作。对于一个10MHz载波来说，这种调制所需的处理特性，使系统过多地将全部处理任务在OMAP-L138处理器的DSP中完成。在速度较慢的应用中，DSP可以单独满足数据速率的要求，但由于客户要求以更高的速率发送数据，所以我们需要使用FPGA来执行部分处理任务。FPGA尤其擅长以非常高的频率执行重复任务，因此，我们选择在FPGA中执行初始解调和基带处理。这样，我们就可以大量减少DSP中的数据并降低DSP的数据速率。在发送侧，DSP可以预先计算最终的射频信号，以便将有效负载数据的编码时间降至最短。因此，FPGA仅仅将发送波形数据从uPP端口发送到DAC。事实上，不使用FPGA也可以完成这项工作，但是我们在设计系统时仍将FPGA加入，以便在需要时使用。FPGA的双端口RAM中包含一个正弦或余弦查找表，用于合成接收机的本机振荡器信号。FPGA中的乘法器/累加器用于根据要求解调信号。发送处理链当ARM微处理器上的软件向DSP发出传输消息包时，发送过程将会启动。DSP对数据进行编码，使其成为扩频调制序列，并将其编入一个预先计算的已调制正弦波查找表。然后，DSP使用uPP的内置DMA引擎建立一个DMA传输，用以将数据从DSP存储器传送到DAC。FPGA则起到中间调解作用，负责向DAC和uPP提供可编程时钟，用于设置发送采样率。接收处理链接收流程连续运行。ADC样本被同步送入FPGA——通过将输入样本与正交正弦和余弦波形相乘并积分，对数据进行基带处理，从而以较低的数据速率向DSP提供同相和正交样本。这些样本被uPP DMA引擎以DMA方式送入DSP存储器，再由DSP处理剩余的扩频解调处理步骤。一旦信号被解调，得到的数据包将使用TI的DSPLink处理器之间通信库传送回ARM处理器。ARM软件接收解码数据，并通过命令接口将数据呈现给用户。使用FPGA执行接收器初始基带处理能够释放足够的DSP处理能力，从而轻松完成剩余的解调和解码工作。如果系统中的输入信号采样率显著低于60MHz，则DSP可不借助FPGA的力量，独自执行基带处理任务。该系统的初始工作使用了一个低频段(几十或几百kHz)的载频。在初始实施过程中，FPGA仅负责将数据发送至DSP，由DSP执行所有的解调功能。这种方式很奏效，但是无法达到更高采样率应用的要求。通过在FPGA中实施基带处理，我们可以在全采样率下进行数字基带处理和滤波，从而改善系统的噪声性能：这在欠采样下是无法做到的。本文小结该项目实现的原型系统已经为多个应用实施过概念验证。与理想扩频无线电的理论性能相比，该系统的性能非常优异。TI OMAP-L138 DSP+ARM处理器与FPGA的结合，实现了具有出色性能的高性价比解决方案。将DSP的部分处理负载分配给FPGA，使系统可以使用低成本、低功耗的处理器来构建，而不是由GHz级的DSP处理所有工作。uPP接口支持简单的FPGA接口功能，并且与其他可用的DSP接口相比，具有明显的性能优势。使用uPP中的DMA进行数据传送，可以进一步释放DSP资源，将DSP周期用于更加重要的工作。在OMAP-L1x平台中加入ARM处理器后，便可使用嵌入式Linux提供通信基础设施，来管理系统中的用户界面和所有的内务处理功能。此外，使用SD卡、USB驱动器或者以太网连接，可以对系统软件(ARM、DSP和FPGA)进行现场升级。因此，SDR系统的灵活性可以充分满足处理算法的发展要求。David A. Rice技术总监Critical LinkJoseph Coombs应用工程师德州仪器