第三章软件无线电的DSP技术

第三章软件无线电的DSP技术实现软件无线电需要一个坚实的硬件基础，这个硬件基础是以先进的可编程处理器的形式出现的，软件无线电实用化最大的一个障碍是当时的硬件水平。随着超大规模集成技术的发展，高速并行数字信号处理器（DSP）器件的进步，软件无线电的实现成为现实。本章主要介绍内容：数字实现部分及其器件；研究现状及实现趋势；§３.1软件无线电对数字处理的需求对单一信道，使用宽带A/D，DSP和通用CPU的软件无线电比传统的使用硬件技术要昂贵得多。硬件集成的接收机比较便宜而且适应用于日常的生活，如家用无线电、蜂窝移动手机等等。然而，软件实现的方法对某些系统来说其诱惑力是不可抗拒的，即它的灵活性和集中性。软件无线电的灵活性灵活性体现在它可以任意改变频道、改变调制方式和接收不同类型的信号。这种能力在军事上是非常有价值的。如美军开发Speakeasy系统。软件无线电在民用移动通信方面已经引起了巨大的关注，如不同的新体制、新标准和多变的应用环境，如用户数量的动态变化和信道利用率的动态变化等。利用软件无线电可以适应新的体制和协议。软件无线电的集中性射频段接收机中频段接收机ADC-IADC-QDSP信道１射频段接收机中频段接收机ADC-IADC-QDSP信道２射频段接收机中频段接收机ADC-IADC-QDSP信道n话音信号图传统的窄带数字接收机传统的窄带数字接收系统，每个信道配备一个射频接收机和中频接收机，射频接收机将信号转换为中频，而中频接收机将信号降到基带。信号在基带被采样后，由每信道独立的DSP进行处理，产生话音信号。射频段接收机宽带ADCDSP信道１数字滤波器（信道选择）DSP信道2DSP信道n数字滤波器（信道选择）数字滤波器（信道选择）话音信号图共用前端的软件实现方法共用前端的软件实现方法采用多个信道共用一射频接收机，然后将中频信号用宽带ADC采样，采样后的信道包含多个信道的数字中频信号。进入每一独立的数字信号处理器中，从中进行信道选择，降低为基带信号，产生话音信号。可见，多信道共用无线电的前端使成本降低。对传统的窄带数字接收机而言，DSP所处理的信号为基带数字信号处理，通常为几十到几百KHz（AMPS/30KHz,GSM/200KHz，CDMA/1.23MHz)，它对DSP的信号处理压力不大，DSP主要完成基带信号的处理（调制解调、信道编译码和信源编译码）。传统窄带数字接收机工作模式软件无线电接收机工作模式软件无线电在中频进行采样，将通信系统的整个频谱搬移到中频后，用宽带ADC将整个频段数字化），然而用数字完成中频处理，比如滤出每信道的窄带信号并搬移到基带处理。GSM/25M，Airnet/5M，其采集速率达２.5,倍，每秒几十M的样后，DSP必须进行快速处理。提取所需信道，并将信道搬移到基带，需500MPIS~10GFLOPS，同时还要考虑后续的比特流部分、管理和控制部分。DSP压力很大§３.1.1解决中频处理的问题一个一般的可编程DSP通常可提供200MIPS或50MFLOPS的处理能力。对用中频采样后的信号，需要信道选择滤波器选择需要的某一窄带信号，而一个好的FIR或IIR信道选择滤波器需要每一采样点100次操作，对于300Msps的采样率，即需要3000MIPS完成每一信道的数字下变频。粗略计算，需要几十个DSP完成每一个信道的数字下变频。放弃软件无线电？采用专用具有高可编程性的硬件来完成高速滤波和处理，可减轻对DSP的压力。并且只要这些专用硬件是通用的而且可由软件控制。器件制造商处理能力/时钟片内存储器数据宽度ADSP21062ADI40MFLOP/120MPIS/40MHz32K字RAM32bit浮点TMS320C32TI40MFLOP/20MPIS/40MHz512K字RAM32bit浮点TMS320C40TI50MFLOP/25MPIS/50MHz2K字RAM32bit定点TMS320C80TI理论值2GOPS12K字RAM32bit点DSP96002Motorola60MFLOP/20MPIS/40MHz2K程序存储器2x512字数据存储器32bit浮点DSP32CAT&T25MFLOP/12.5MPIS/50MHz1.5K字RAM32bit表过去几种商用DSPFIR(LPF)FIR(LPF)抽取抽取逻辑SIN/COS采样时钟滤波器参数　可编程　抽取器输出图HSP50016数字下变频（DDC)Harris公司的HSP50016，这个芯片包括一个合成器，一对正交的数字乘法器完成信号的混频，还有一些滤波器可以实现低通和抽取。这个器件能够从一个宽带数字输入中提取出窄带基带信号。信号中频被数字化后，通过数字下次混频，然后用正交滤波提取出相应的频段，最后通过可编程的抽取器将采样率降低到适合于基带信号的采样率。总线宽度BPFBPFBPFADCDDCDDCDDC采样时钟(如41Msps)采样频率（滤波器参数）射频输入（如1.9GHz)LOLO第一级中频（如250MHz)第二级中频（如70MHz)宽带信号（如10MHz)图使用数字下变频的接收机示意图将一个1.9G的射频无线电信号通过DDC的接收机转化为可进行基带处理的信号。射频部分包括两个混频器和相应的模拟滤波器，第一个混频器之前的滤波器是将带外信号滤掉，选择所需而去掉不用的信号。在第二中频上，它被采样。§3.1.2使用DSP进行频谱监控频谱监控的必要性：动态地监控信道的质量，动态分配信道。判断接收的信号标准，协议进行FFT变换，区别出不同的信道，确定信号的强度。进行功率谱的计算，可确定信号受到噪声干扰的强度个人通信系统(PCS)一般说法为无论任何人在世界任何地方，任何时间都可与其它任何人进行通信。为达到这一目的，必须建有由陆上、海上、空中（航空飞行物）、外层空间（航天飞行物）的由有线、无线通信设备组成的智能网络综合体。从通信业务内容来看也将是需求不断提高技术不断进步，从话音到高速数据和电视图像。由于终端必须满足快速移动的要求。因此3G以及未来更高级的移动系统将是PCS的重要组成部份。在新的PCS系统中，用户密集的城市基地台可以使用动态的频谱分配，分配的原则是基于最优化效率和最小噪声。根据用户信号的频谱，可以帮助基地台确定使用的哪一种协议。每一种通信标准都有自已的信道宽度、调制方式、频谱密度。因此，基地台需要判断正在接收的是什么信号，协议、带宽等，涉及到信号的检测。高速DSP使用的必要性：实现频谱监控，要不断进行FFT和功率谱的计算；要从接收的信号中判别信号的协议，调制方式；完成常规的基带处理部分的功能；§3.1.3多处理器的过去和现在随着移动通信的不断拓展和深化，客户在享受数字信号处理技术带来的优势的同时也面临着三方面的挑战。第一，越来越多的系统需要在低功耗的系统下运行，但是在保持低功耗运行的同时，并不能减少系统的高性能，如何兼顾系统的低功耗和高性能；第二，移动通信系统需要提供很高的数字信号处理能力，以支持多种媒体类型，包括音频、视频、通讯以及图象处理等，如何兼顾复杂的控制和高性能的数字处理;第三，随着移动通信系统在外设以及连接性方面的要求越来越高，如何在实现包括以太网接口、USB接口、CAN接口等多种多样接口的同时不增加甚至降低芯片的占板空间。多处理器的发展1.CPU+DSP新的通信处理器-68356，它包括一个通用微处理器和一个56000系列的DSP。这种通用CPU+DSP的技术解决了大量需要通信操作（如管理、控制函数）和DSP的应用。2.ASIC＋DSP专用集成芯片和DSP集成，ASIC解决一些计算量的通用处理，如中频处理或译码算法。３.多DSP系统的并行处理理论讲N个DSP提供N倍的处理能力，但是要实现此最高极限，在算法设计上要会出很大的代价。代价如下：①算法并行分解，分解时要根据硬件的并行结构考虑。②算法的分解要考虑到处理器的交换，并且适合多个DSP同时实现的算法，使得数据换尽可能少和尽可能快。４.多核DSP系统德州仪器(Tl)公司近期推出一款可显著降低成本和功耗，并节省板级空间的全新高性能多核DSPTMS320C6474，该处理器在单芯片上集成了三个１GHz的C64x+内核，可实现3GHz的DSP性能。于是，设计人员不必在电路板上集成多个DSP就能完成诸如同时执行多通道处理任务。、5.DSP和SOC的融合SOC是指把一个系统集成在一块芯片上。这个系统包括DSP和系统接口软件等。6.DSP和FPGA的融合FPGA是现场可编程门阵列器件。它和DSP集成在一块芯片上，可实现宽带信号处理，大大提高信号处理速度。7.实时操作系统RTOS与DSP的结合随着DSP处理能力的增强，DSP系统越来越复杂，使得软件的规模越来越大，往往需要运行多个任务，各任务间的通信、同步等问题就变得非常突出。随着DSP性能和功能的日益增强，对DSP应用提供RTOS的支持已成为必然的结果。DSP/BIOS是一个简易的嵌入式操作系统，主要是为需要实时调度、同步以及主机-目标系统通讯和实时监测的应用而设计的DSP/BIOS集成在CCS中，不需要额外的费用，但不提供源码，它是TI公司倡导的eXpressDSP技术的重要组成部分。DSP/BIOS本身只占用很少的资源，而且是可裁减的，它只把直接或间接调用的模块和API连接到目标文件中，最多为6500字，因此在多数应用中是可以接受的。它提供底层的应用程序接口，支持系统实时分析、线程管理、调用软件中断、周期函数与后台运行函数（idel函数）以及外部硬件中断与多种外设的管理。高速数字信号处理器•典型DSP器件•目前主要DSP生产商包括TI，ADI，Motorola，Lucent和Zilog等，其中TI占有最大市场份额。作为第一片DSP产品TMS32010的生产商和DSP行业的领头者，TI公司的产品包括从低端的低成本低速度DSP到高端大运算量的DSP产品。1．AD公司定点DSP：ADSP21xx系列16bit40MIPS；浮点DSP：ADSP21020系列32bit25MIPS；并行浮点DSP：ADSP2106x系列32bit40MIPS；超高性能DSP：ADSP21160系列32bit100MIPS。2．AT&T公司定点DSP：DSP16系列16bit40MIPS；浮点DSP：DSP32系列32bit12.5MIPS。3．Motorola公司定点DSP：DSP56000系列24bit16MIPS；浮点DSP：DSP96000系列32bit27MIPS。4．NEC公司定点DSP：PD77Cxx系列16bit；PD770xx系列16bit；PD772xx系列24bit或32bit。5．TI公司该公司自1982年推出第一款定点DSP芯片以来，相继推出定点、浮点和多处理器三类运算特性不同的DSP芯片，共计已发展了七代产品。其中，定点运算单处理器的DSP有七个系列，浮点运算单处理器的DSP有三个系列，多处理器的DSP有一个系列。主要按照DSP的处理速度、运算精度和并行处理能力分类，每一类产品的结构相同，只是片内存储器和片内外设配置不同。5．TI公司定点DSP：①TMS320C1x系列16bit第一代1982年前后；②TMS320C2x系列16bit第二代1987年前后；③TMS320C5x系列16bit第五代1993年；④TMS320C54x系列16bit第七代1996年；⑤TMS320C24x系列16bit第七代1996年；⑥TMS320C6x系列32bit第七代1997年；⑦TMS320C55x系列16bit第七代2000年。浮点DSP：①TMS320C3x系列32bit第三代1990年；②TMS320C4x系列32bit第四代1990年；③TMS320C67x系列64bit第七代1998年。多处理器DSP：①TMS320C8x系列32bit第六代1994年。C2x、C24x称为C2000系列，主要用于数字控制系统；C54x、C55x称为C5000系列，主要用于功耗低、便于携带的通信终端；C62x、C64x和C67x称为C6000系列