摘 要: 軟件無線電是未來移動(dòng)通信的一個(gè)重要研究方向,。系統(tǒng)地介紹了軟件無線電的特點(diǎn)及其體系結(jié)構(gòu),并結(jié)合DSP芯片TMS320C541分析了它的一種應(yīng)用模式,。
關(guān)鍵詞: 軟件無線電 數(shù)字信號(hào)處理器(DSP) VME(Virtual Machine Environment)總線
軟件無線電是基于同一硬件平臺(tái)上,,安裝不同的軟件來靈活實(shí)現(xiàn)多通信功能多頻段的無線電臺(tái),,它可進(jìn)一步擴(kuò)展至有線領(lǐng)域[1]。其主要特點(diǎn)如下:
·系統(tǒng)功能軟件化:軟件無線電將A/D變換盡量向射頻端靠攏,,將中頻以下全部進(jìn)行數(shù)字化處理,,以使通信功能由軟件來控制,系統(tǒng)的更新?lián)Q代變成軟件版本的升級(jí),,開發(fā)周期與費(fèi)用大為降低,。
·系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)模塊化:采用模塊化設(shè)計(jì),模塊的物理和電氣接口技術(shù)指標(biāo)符合開放標(biāo)準(zhǔn),。同類模塊通用性好,,通過更換或升級(jí)某模塊就可實(shí)現(xiàn)新的通信功能。
·利于互換:不同的通信系統(tǒng)都基于相同標(biāo)準(zhǔn)的硬件平臺(tái),,只要加載相應(yīng)的軟件就可完成不同的電臺(tái)與不同系統(tǒng)之間的互聯(lián),。
·系統(tǒng)監(jiān)控方便:由于軟件無線電至少在中頻以后進(jìn)行數(shù)字化處理,,通過軟件就可很方便地完成寬帶天線監(jiān)控、系統(tǒng)頻帶調(diào)整,、信道監(jiān)測與自適應(yīng)選擇,、信號(hào)波形在線編程、調(diào)制解調(diào)方式控制及信源編碼與加密處理,。
軟件無線電通信隨著DSP技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用的成熟,,特別是低功耗DSP芯片的出現(xiàn),使軟件無線電的應(yīng)用研究成為熱點(diǎn),。國外軟件無線電的發(fā)展較早,,美國ARPA早已提出了其相關(guān)的計(jì)劃作為美陸海空的共用通信系統(tǒng),,其中多頻段多模式電臺(tái)(MBMMR)是該計(jì)劃的主要組成部分,。國內(nèi)也有一些相應(yīng)產(chǎn)品出現(xiàn),但都采用浮點(diǎn)DSP芯片TMS320C40來實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)交換與處理,。而’C40功耗較大,,目前應(yīng)用還需改進(jìn)與完善。本文就軟件無線電的體系結(jié)構(gòu)以DSP芯片TMS320C541構(gòu)成模式為基礎(chǔ)對其作一分析和探討,。
1 軟件無線電的體系結(jié)構(gòu)
軟件無線電具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)通用,、功能實(shí)現(xiàn)軟件化和互操作性好等一系列優(yōu)點(diǎn)。其體系結(jié)構(gòu)由電源,、天線,、多帶射頻轉(zhuǎn)換器和A/D/A變換器與DSP組成,。與用戶端相連的是窄帶話音傳真A/D與D/A變換器,,完成信源編解碼功能。與此不同,,基站在信源端直接與PSTN相連,,完成接入和遠(yuǎn)端信源編碼,也包括接口之間的協(xié)議處理[2],。
在軟件無線電體系結(jié)構(gòu)中,,寬帶A/D/A轉(zhuǎn)換器的位置盡可能地靠近天線端,對整個(gè)頻帶系統(tǒng)進(jìn)行采樣,,即從中頻(甚至射頻)開始就進(jìn)行數(shù)字化處理,。軟件無線電的關(guān)鍵步聚是以可編程能力強(qiáng)的DSP來代替專用的數(shù)字電路,使系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)與功能相對獨(dú)立,。這樣就可基于一相對通用的硬件平臺(tái),,通過軟件實(shí)現(xiàn)不同的通信功能,并可對工作頻率,、系統(tǒng)頻寬,、調(diào)制方式和信源編碼等進(jìn)行編程控制,,系統(tǒng)的靈活性大大加強(qiáng)了。圖1是一種典型的軟件無線電系統(tǒng)結(jié)構(gòu),。
2 軟件無線電的模塊化分析
軟件無線電的硬件平臺(tái)采用模塊化設(shè)計(jì),,是一個(gè)開放的通信平臺(tái),與PC系統(tǒng)很相似,??梢韵胂螅谝粋€(gè)相對通用的硬件平臺(tái),,通過加載不同的軟件(需要時(shí)可更換插卡)來實(shí)現(xiàn)不同的硬件功能,。但軟件無線電的硬件平臺(tái)比PC要求高得多,它需要寬帶射頻前端,、寬帶A/D,、D/A轉(zhuǎn)換器和高速DSP,工作頻率高達(dá)幾至幾十MHz,,信號(hào)干擾很嚴(yán)重,。所以,它必須由多個(gè)CPU并行工作才能滿足系統(tǒng)處理速度的要求,;其次,,DSP處理數(shù)據(jù)要求高速轉(zhuǎn)換,系統(tǒng)總線必須具有極高的I/O傳輸速率,。在符合要求的系統(tǒng)總線中,,VME技術(shù)最成熟,通用性最好,。它可提供多CPU并行處理,,支持獨(dú)立的32位數(shù)據(jù)和地址總線,總線的速率達(dá)到40Mbps,,基本滿足了軟件無線電要求,。基于VME總線的軟件無線電模塊包括硬件和軟件兩大部分,。
其硬件模塊有:
·寬帶A/D/A變換,。它將A/D變換盡可能靠近天線,至少對中頻進(jìn)行A/D變換,。評(píng)價(jià)A/D變換器性能參數(shù)包括信噪比,,無寄生動(dòng)態(tài)范圍(SFDR),互調(diào)失真(IMD),,采樣速率和采樣精度等,。其中主要是采樣速率和精度,SNR可用下式計(jì)算:
SNR=6.02B+1.76+10λg10(fs/2fmax) (dB)
其中B為ADC位數(shù),fs為采樣頻率,,fmax為輸入模擬信號(hào)的最高頻率,。對于一個(gè)70MHz的中頻信號(hào),若要求采樣精度達(dá)到12位,,SNR等于80dB,,可以算出采樣速率為558Mbps。
·數(shù)字中頻濾波變換,。由于經(jīng)過寬帶A/D變換的數(shù)據(jù)流速率常在幾十到上Mbps,,對數(shù)字中頻進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理需很大的運(yùn)算資源和I/O帶寬,所以,,通常采用數(shù)字下變頻器來完成數(shù)字濾波和變頻等;
·并行DSP處理模塊,。采用4塊并行的DSP芯片完成單路、多路基帶,、比特流,、信源編解碼;
·控制與接口模塊。完成對射頻前端及電臺(tái)功能的控制,,實(shí)現(xiàn)窄帶A/D/A變換,,并提供用戶各種模擬或數(shù)字接口。
其軟件模塊包括:
·系統(tǒng)軟件包,。完成系統(tǒng)的初始化,、軟件功能的流向處理;
·功能軟件包。完成系統(tǒng)的通信規(guī)約,、界面和實(shí)時(shí)控制;
·通信功能控制軟件包,。主要是通信功能庫模塊;中斷響應(yīng)程序模塊,;實(shí)時(shí)信號(hào)流控制模塊;
·通信庫函數(shù)軟件包,。主要是DSP指令和函數(shù)庫;信號(hào)流變換庫,;調(diào)制解調(diào)算法庫,;信道糾錯(cuò)編碼算法庫,;信源編碼算法庫等,。
由以上模塊組成的基于VME總線的軟件無線電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。
3 軟件無線電中的一種DSP模式分析
軟件無線電是對整個(gè)工作頻段(25MHz左右)進(jìn)行數(shù)字化,,中頻和基帶處理采用數(shù)字信號(hào)處理方式,。所以,DSP技術(shù)是軟件無線電技術(shù)的工作重心,。本文采用定點(diǎn)DSP芯片’C541作為數(shù)據(jù)處理的核心,。
3.1 TMS320C541簡介[3]
TMS320C541是TI公司一種定點(diǎn)高性能的數(shù)字處理芯片。它具有改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)、高并行結(jié)構(gòu)CPU,、片內(nèi)存儲(chǔ)器,、在片外圍接口及一套高效的指令集。其主要特征包括:
·CPU特征:三條獨(dú)立的16位數(shù)據(jù)總線和一條程序總線,;40位算術(shù)邏輯單元(ALU),,包括一個(gè)40位桶形移位器和兩個(gè)獨(dú)立的40位累加器;17位并行乘法器與一個(gè)專用40位加法器聯(lián)合以執(zhí)行單指令周期乘/加(MAC)操作,;用于Viterbi操作加/比較選擇的比較,、選擇和存儲(chǔ)單元(CSSU);指數(shù)編碼器以計(jì)算40位累加器中數(shù)值的指數(shù)部分,;兩個(gè)地址發(fā)生器,,包括8個(gè)輔助寄存器和2個(gè)輔助寄存器算術(shù)單元。
·存儲(chǔ)器:192K字(16位)最大可尋址存儲(chǔ)空間,,包括64K字程序空間,、64K字?jǐn)?shù)據(jù)空間和64K字I/O空間;28K字單口片內(nèi)ROM,,其中8K字既可定義為程序空間也可定義為數(shù)據(jù)空間,;5K字雙口片內(nèi)RAM。
·指令集:單指令重復(fù)和塊重復(fù)操作,;內(nèi)存塊移動(dòng)指令,;32位指令字;2或3個(gè)操作數(shù)讀取指令,;可并行存儲(chǔ)和讀取算術(shù)指令,;條件存儲(chǔ)指令;中斷快速返回指令,。
·外圍接口:軟件可編程等待狀態(tài)發(fā)生器,;可編程空插入操作;片內(nèi)鎖相環(huán)時(shí)鐘發(fā)生器,;兩個(gè)可支持8位和16位傳送的全雙工標(biāo)準(zhǔn)串行口:一個(gè)16位定時(shí)器,;外部總線斷開控制;數(shù)據(jù)總線保持器,。
·其它:功耗控制指令如IDLE1,、IDLE2、IDLE3,,可使芯片運(yùn)行于不同的低功耗狀態(tài),;IEEE標(biāo)準(zhǔn)1149.1JTAG2仿真測試端口;指令周期為25ns,。
由于TMS320541有兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)串行口,,實(shí)現(xiàn)中可將串口1接A/D轉(zhuǎn)換器,,以接收或發(fā)送模擬信號(hào)。串口0用以傳送和接收已壓縮的碼流,。模擬界面A/D轉(zhuǎn)換器選用TI公司的TLC32AC01,,由’C541對它進(jìn)行初始化,其時(shí)鐘由片外頻率為10.368MHz的石英振蕩器提供,?!疌541串口1的幀接收和發(fā)送的同步信號(hào)(FSR和FSX)由TLC320AC01提供。
3.2 ’C541構(gòu)成軟件無線電中一種模式分析
采用專門的可編程芯片,,將中頻下變頻,,然后再進(jìn)行DSP處理,數(shù)字下變頻器(DDC)可完成從寬帶信號(hào)中提取有用信號(hào)的功能,,其最大輸入速率為75Mbps(16bit),,通過編程可以控制速率和輸出格式。圖3為’C541和DDC組成的一種軟件無線電系統(tǒng)模式,。
圖中’C541可選用多個(gè)進(jìn)行并行處理工作,。其軟件實(shí)現(xiàn)中的幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)包括:
·數(shù)據(jù)格式:由于’C541是16位定點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器,為了實(shí)現(xiàn)過去’C40浮點(diǎn)運(yùn)算的數(shù)據(jù)處理格式,,這里必須用定點(diǎn)數(shù)來表示浮點(diǎn)數(shù),,這樣盡管提高了速度卻很可能導(dǎo)致運(yùn)算精度不夠。在實(shí)現(xiàn)時(shí)采用下述幾種方法:對精度過高的地方,,將計(jì)算的中間變量采用32位來表示,;對有些幅度變化較大的數(shù)值,采用適當(dāng)?shù)姆椒▉頊p小幅度變化,,從而在同樣的數(shù)據(jù)格式下提供較高的精度,。
·存儲(chǔ)器空間分配:’C541片內(nèi)存儲(chǔ)區(qū)包括5K雙口RAM和28K單口ROM。在一般應(yīng)用中只使用RAM,。若RAM不夠,,可通過外接RAM或選用其它’C54x來解決。當(dāng)處理的數(shù)據(jù)量較大時(shí)也可以采用多個(gè)’C541芯片并行處理的方法,。處理時(shí),,可將存儲(chǔ)區(qū)分成不同的段,以存放程序,、已初始化數(shù)據(jù)和未初始化數(shù)據(jù),,并為’C541重新設(shè)置了堆棧和中斷向量表。
·多片DSP互連技術(shù),。DSP多片互連技術(shù)有基于直接存儲(chǔ)器存儲(chǔ)的多處理器互連,、基于全局和局部存儲(chǔ)器的多處理器互連以及基于高速緩沖通道的多處理器互連技術(shù)?;跐M足高速處理和軟件重構(gòu)雙重要求的多頻段多功能電臺(tái)必須采用基于全局和局部存儲(chǔ)器的多處理器互連技術(shù)[4]。這是因?yàn)槠溥B接鏈路加快了數(shù)據(jù)流的速度,同時(shí)統(tǒng)一的地址空間和專用的控制操作簡化了存儲(chǔ)器的訪問與處理過程,,而內(nèi)部的存儲(chǔ)器簡化了I/O的數(shù)據(jù)流量從而減輕了總線的瓶頸效應(yīng),。其互連模式如圖4所示。
在具體應(yīng)用’C541設(shè)計(jì)軟件無線電系統(tǒng)時(shí)還會(huì)有許多問題出現(xiàn),,如信號(hào)幅度的有效控制,、系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析以及MIPS(每秒執(zhí)行百萬條指令)的分配和多個(gè)DSP系統(tǒng)中的總線仲裁等還需要進(jìn)一步的研究分析。
總之,,軟件無線電中DSP技術(shù)起著舉足輕重的作用,,DSP技術(shù)的優(yōu)化應(yīng)用直接決定了軟件無線電系統(tǒng)的性能價(jià)格比。在目前的DSP中,,’C541是一種較好選擇,,尤其是其靈活的低功耗指令設(shè)置,使軟件無線電的應(yīng)用會(huì)更加廣泛,,從而加速新一代無線通信技術(shù)的飛速發(fā)展,。
參考文獻(xiàn)
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