采用DSP實(shí)現(xiàn)軟件無(wú)線電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、文章編號(hào):1672-4291(2007 Sup. -0140-03收稿日期:2007-05-30基金項(xiàng)目:陜西省科技廳資助項(xiàng)目(2006K08-G22 ; 陜西科技大學(xué)自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(ZX05-39 作者簡(jiǎn)介:王明偉, 博士, 研究方向?yàn)镈SP 與軟件無(wú)線電.基于DSP 的軟件無(wú)線電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)王明偉1, 李秦君1, 姚 展2(1陜西科技大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院, 陜西西安710021;2咸陽(yáng)師范學(xué)院物理學(xué)系, 陜西咸陽(yáng)712000摘 要:在對(duì)軟件無(wú)線電系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)分析的基礎(chǔ)上, 采用DSP 處理器并運(yùn)用快速原型法實(shí)現(xiàn)了的射頻直接帶通采樣軟件無(wú)線電的系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn), 實(shí)現(xiàn)信號(hào)的變換與處理

2、. 關(guān)鍵詞:軟件無(wú)線電; 數(shù)字信號(hào)處; 快速原型技術(shù)中圖分類號(hào):TN911. 3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:ADesign and realization of the software radio system based on DSPWANG M ing -w ei 1, LI Qin -jun 1, YAO Zhan 2(College of Electronics and Electrical Eng ineering , Shaanxi U niversity ofScience &Technology, Xi c an 710021, Shaanx i, China;Department

3、 of Physics, Xianyan Normal U niversity, Xianyang 712000, Shaanx i, ChinaAbstract:In addition to analyzing the architecture of SR, this paper completes the design of SR system w ith the radio frequency band -pass sam pling architecture and uses rapid system prototype method to realize it w ith DSP.

4、This method of SR research is the innov ation to realize the processing or transforming of signals.Key words:software radio; DSP; rapid prototype 目前, 基于DSP 硬件的設(shè)計(jì)是可實(shí)現(xiàn)的一種設(shè)計(jì), 它的設(shè)計(jì)通用性、靈活性比較好, 開(kāi)發(fā)比較容易, 性能也較好.本文對(duì)軟件無(wú)線電系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析, 并應(yīng)用快速原型技術(shù)開(kāi)發(fā)了基于DSP 硬件平臺(tái)的軟件無(wú)線電系統(tǒng).1 體系結(jié)構(gòu)考慮到DSP 的通用性、靈活性和開(kāi)發(fā)調(diào)試比較容易等特點(diǎn), 使用目前商品化的通用數(shù)

5、字信號(hào)處理器作為完成信號(hào)軟件處理的硬件核心, 所有的軟件處理是通過(guò)對(duì)DSP 編程完成的. 這一方案的核心結(jié)構(gòu)是A/D/A 十DSP 系統(tǒng). 其中, DSP 系統(tǒng)包含單個(gè)或多個(gè)通用數(shù)字信號(hào)處理器. 系統(tǒng)工作時(shí), 在發(fā)射通道上, 信源或者基帶數(shù)字信號(hào)流入DSP 系統(tǒng), 通過(guò)DSP 系統(tǒng)的處理, 輸出期望的信號(hào). 而在接收通道上, 流入的是射頻或者中頻的信號(hào), 經(jīng)過(guò)DSP 系統(tǒng)的處理, 得到基帶數(shù)字信號(hào)或者最終的數(shù)據(jù)輸出. 圖1是軟件無(wú)線電系統(tǒng)的原理框圖, 圖2是采用DSP 平臺(tái)的系統(tǒng)框圖 .圖1 軟件無(wú)線電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖第35卷 專 輯陜西師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版Vol. 35 Sup. 2007年

6、11月Journal of Shaanxi Normal U niversity (Natural Science Edition Nov. 2007 圖2 基于DSP 的軟件無(wú)線電系統(tǒng)框圖2 軟件無(wú)線電系統(tǒng)中DS P 器件選擇采用的DSP 芯片TM S320C6711是美國(guó)德州儀器公司(T I 的TM S320C6000系列中較高性價(jià)比的一款浮點(diǎn)DSP, 具有優(yōu)秀的性能價(jià)格比. 是現(xiàn)有DSP 芯片中運(yùn)算數(shù)度最高的芯片之一. 該芯片在軟件無(wú)線電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)中主要優(yōu)勢(shì)有:(1 高速. T MS320C6711在150MHz 主時(shí)鐘下具有高達(dá)900M FLOS 的峰值處理能力. 這是由于其內(nèi)部具

7、有8個(gè)并行的執(zhí)行單元, 在單時(shí)鐘周期內(nèi)可以并行執(zhí)行8條32位指令. 另外, C6x 處理器指令支持偽操作而且每個(gè)指令都可以是條件指令, 這也加強(qiáng)了它在通信系統(tǒng)應(yīng)用中的表現(xiàn). (2 無(wú)縫的外存儲(chǔ)器接口. C6x 系列處理器不需要附加任何外部邏輯就可以直接連接幾乎所有類型的存儲(chǔ)器. (3 豐富的外設(shè)支持. C6x 系列處理器內(nèi)部有多個(gè)DM A 控制器、多通道串(4 Matlab 的支持, 使得軟件設(shè)計(jì)易于實(shí)現(xiàn).數(shù)字下變頻器(DDC 一般具有三大功能:下變頻、采樣率壓縮(抽取 和低通濾波, 其結(jié)構(gòu)也主要由數(shù)字混頻器、數(shù)字本振和低通濾波器組成. 本系統(tǒng)采用的是H arris 公司可編程數(shù)字下變頻器(P

8、DC HSP50214B. HSP50214B 的主要功能有三個(gè):一是變頻; 二是低通濾波, 其可編程FIR 濾波器還能設(shè)計(jì)成匹配濾波器; 三是采樣速率轉(zhuǎn)換. 大抽取因子范圍提供了可設(shè)計(jì)成寬帶或窄帶數(shù)字信道的能力, 還提供了高的處理增益.3 調(diào)制解調(diào)及DSP 實(shí)現(xiàn)方法雖然通信信號(hào)的種類很多, 但是從理論上來(lái)說(shuō), 各種通信信號(hào)都可以用正交調(diào)制的方法加以實(shí)現(xiàn). 已調(diào)信號(hào)的時(shí)域表達(dá)式為S (t =I (t cos (X c t +Q (t sin (X c t ,X t 是角頻率. 調(diào)制信號(hào)的信息包含在I (t 和Q(t 內(nèi). 在數(shù)字域內(nèi)實(shí)現(xiàn)時(shí)要對(duì)上式進(jìn)行數(shù)字化, 即 I ( cos (n X c

9、/s +Q (n sin (n X c /X s ,X s 為采樣頻率的角頻率. 本設(shè)計(jì)中發(fā)射機(jī)發(fā)射頻率范圍為0. 5500MHz. 為了便于實(shí)現(xiàn), 把所要輸出的信號(hào)分為兩種情況加以處理:當(dāng)載波頻率低于20MHz 時(shí), 由上變頻產(chǎn)生所需要的信號(hào), 輸出經(jīng)過(guò)D/A , 濾波和放大后直接發(fā)射出去. 當(dāng)載波頻率大于20MHz 時(shí), 經(jīng)兩次變頻后輸出, 先把上變頻輸出信號(hào)的載波固定在某個(gè)頻率上(20MHz , 經(jīng)過(guò)D/A, 濾波、放大后與1480MH z 的一本振相混, 得到二中頻(1500MHz , 然后將二中頻信號(hào)與二本振(15202000MH z 相混, 輸出所需要的頻率.4 開(kāi)發(fā)流程基于DSP

10、 硬件平臺(tái)時(shí), 開(kāi)發(fā)環(huán)境代碼與硬件系統(tǒng)的關(guān)系示意如圖3所示. 在快速原型軟件無(wú)線電系統(tǒng)開(kāi)發(fā)方案中, 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)處理的軟件代碼是根據(jù)環(huán)境對(duì)模塊的定義生成的. 開(kāi)發(fā)者需要干預(yù)軟件的生成過(guò)程, 在開(kāi)發(fā)環(huán)境對(duì)模塊的定義中, 引入軟件無(wú)線電的新算法、新思想, 并創(chuàng)建新模塊. 快速原型開(kāi)發(fā)的一般流程是將一般的開(kāi)發(fā)環(huán)節(jié)和流程與軟件無(wú)線電技術(shù)的特點(diǎn)及M atlab 的各類工具應(yīng)用方式相結(jié)合, 得到具體開(kāi)發(fā)流程, 包括軟件設(shè)計(jì)、硬件設(shè)計(jì)環(huán)節(jié).圖3 基于DSP 硬件平臺(tái)的開(kāi)發(fā)環(huán)境代碼與硬件系統(tǒng)關(guān)系示意圖4. 1 軟件設(shè)計(jì)本文利用Matlab 軟件首先對(duì)系統(tǒng)做出分析, 然后按照功能和信號(hào)流向?qū)⑾到y(tǒng)功能拆分為各

11、個(gè)功能模塊. 在模塊拆分好后, 采用Simulink 進(jìn)行系統(tǒng)的建模. 對(duì)于Simulink 中存在的模塊, 直接加以應(yīng)用; Sim 專 輯王明偉等:基于DSP 的軟件無(wú)線電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)141的模塊, 采用S 函數(shù)模塊表達(dá). 在系統(tǒng)模型構(gòu)建的同時(shí), 對(duì)于S 函數(shù)模塊, 需要進(jìn)行算法研究, 然后通過(guò)編寫S 函數(shù)源文件, 完成對(duì)算法的描述. 系統(tǒng)建模和S 函數(shù)算法描述一起構(gòu)成了說(shuō)明環(huán)節(jié). 系統(tǒng)的軟仿真工作是在Simulink 中完成的, 通過(guò)軟仿真工作, 可以初步分析算法性能和時(shí)間上的消耗. 但是與一般的快速原型流程不同, Matlab 中的軟仿真是軟件仿真, 只能完成算法的驗(yàn)證, 與硬件結(jié)構(gòu)沒(méi)

12、有發(fā)生聯(lián)系. M atlab 中進(jìn)行軟件無(wú)線電系統(tǒng)快速原型化開(kāi)發(fā)的軟件設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)如圖4所示 .圖4 Matlab 環(huán)境下的軟件開(kāi)發(fā)4. 2 硬件設(shè)計(jì)在完成軟仿真工作后, 系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)進(jìn)入硬件環(huán)節(jié). 硬件環(huán)節(jié)主要完成系統(tǒng)的代碼生成、硬仿真、調(diào)試等工作. 在硬件環(huán)節(jié)中, 也會(huì)發(fā)現(xiàn)軟件環(huán)節(jié)中的錯(cuò)誤和不足, 還會(huì)出于性能考慮, 重新修改軟件環(huán)節(jié). 根據(jù)硬件平臺(tái)的不同, 在M atlab 環(huán)境中進(jìn)行開(kāi)發(fā)所需要應(yīng)用的工具與工作流程也存在差異. 采用基于DSP 的硬件平臺(tái)時(shí), 由DSP 來(lái)完成信號(hào)處理與比特流處理的任務(wù), 快速原型工作的任務(wù)是DSP 軟件的快速生成和外圍可編程器件輔助電路的快速生成. 如果目標(biāo)系

13、統(tǒng)所采用的硬件平臺(tái), 還沒(méi)有得到M atlab 的直接支持, 那么, 開(kāi)發(fā)者應(yīng)當(dāng)按照上述流程, 首先編寫. tlc 文件和. tmf 文件, 規(guī)定代碼生成的風(fēng)格, 實(shí)現(xiàn)對(duì)硬件平臺(tái)的描述. 隨后, 運(yùn)行RTW, 并在其中指定所應(yīng)用锝. tlc 文件和. tmf 文件, 生成代碼. 生成代碼后的硬仿真有兩種方式L441, 其一是將RT W 生成的代碼下載到目標(biāo)系統(tǒng)硬件平臺(tái)中, 在應(yīng)用環(huán)境中進(jìn)行仿真, 采用硬件平臺(tái)所提供的測(cè)試工具進(jìn)行測(cè)試; 其二是采用Simulink 和RT W 相結(jié)合的外模式仿真, 在RTW 運(yùn)行前, 指定外模式并 , 成的代碼下載到目標(biāo)系統(tǒng), 然后將仿真結(jié)果反饋到Sim uli

14、nk 和Matlab 環(huán)境中進(jìn)行觀測(cè), 并在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)調(diào)整一些系統(tǒng)模型中的參數(shù), 立即觀察參數(shù)變化的效果. 開(kāi)發(fā)流程的軟件環(huán)節(jié)與圖4所示相同, 而硬件設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)包括硬件描述、代碼生成、硬件仿真等部分, 如圖5所示.圖5 基于DSP 硬件平臺(tái)的硬件設(shè)計(jì)5 結(jié)論在介紹了軟件無(wú)線電的體系結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵技術(shù)和實(shí)現(xiàn)難點(diǎn)的基礎(chǔ)上, 提出了運(yùn)用快速原型法實(shí)現(xiàn)基于DSP 硬件平臺(tái)的射頻直接帶通采樣軟件無(wú)線電的系統(tǒng)設(shè)計(jì), 在設(shè)計(jì)中結(jié)合Matlab 中的, M athWorks 公司與TI 公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)的工具包一M atlab link for CCS Development Tools 和Embedded Target for the T I TM S320C6000TM DSP Platform 的使用. 將快速原型的思想引入到了軟件無(wú)線電的系統(tǒng)設(shè)計(jì), 設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)基于DSP 硬件平臺(tái)的軟件無(wú)線電系統(tǒng). 參考文獻(xiàn):1魏崢. 基于高性能DSP 的軟件無(wú)線電平臺(tái)設(shè)計(jì)J. 微計(jì)算機(jī)信息, 2007(1/2 :198-200.2武曉光, 丁新宇. 利用M atlab 和Simulink 對(duì)DSP 進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)的