软件无线电中DSP应用模式的分析

    摘 要： 软件无线电是未来移动通信的一个重要研究方向。系统地介绍了软件无线电的特点及其体系结构，并结合DSP芯片TMS320C541分析了它的一种应用模式。

    关键词： 软件无线电 数字信号处理器（DSP）VME（Virtual Machine Environment)总线    

    软件无线电是基于同一硬件平台上，安装不同的软件来灵活实现多通信功能多频段的无线电台，它可进一步扩展至有线领域。其主要特点如下：

    ·系统功能软件化：软件无线电将A/D变换尽量向射频端靠拢，将中频以下全部进行数字化处理，以使通信功能由软件来控制，系统的更新换代变成软件版本的升级，开发周期与费用大为降低。

    ·系统结构实现模块化：采用模块化设计，模块的物理和电气接口技术指标符合开放标准。同类模块通用性好，通过更换或升级某模块就可实现新的通信功能。

    ·利于互换：不同的通信系统都基于相同标准的硬件平台，只要加载相应的软件就可完成不同的电台与不同系统之间的互联。

    ·系统监控方便：由于软件无线电至少在中频以后进行数字化处理，通过软件就可很方便地完成宽带天线监控、系统频带调整、信道监测与自适应选择、信号波形在线编程、调制解调方式控制及信源编码与加密处理。

    软件无线电通信随着DSP技术的发展和应用的成熟，特别是低功耗DSP芯片的出现，使软件无线电的应用研究成为热点。国外软件无线电的发展较早，美国ARPA早已提出了其相关的计划作为美陆海空的共用通信系统，其中多频段多模式电台（MBMMR）是该计划的主要组成部分。国内也有一些相应产品出现，但都采用浮点DSP芯片TMS320C40来实现高速数据交换与处理。而’C40功耗较大，目前应用还需改进与完善。本文就软件无线电的体系结构以DSP芯片TMS320C541构成模式为基础对其作一分析和探讨。

    １ 软件无线电的体系结构

    软件无线电具有系统结构通用、功能实现软件化和互操作性好等一系列优点。其体系结构由电源、天线、多带射频转换器和A/D/A变换器与DSP组成。与用户端相连的是窄带话音传真A/D与D/A变换器，完成信源编解码功能。与此不同，基站在信源端直接与PSTN相连，完成接入和远端信源编码，也包括接口之间的协议处理。

    在软件无线电体系结构中，宽带A/D/A转换器的位置尽可能地靠近天线端，对整个频带系统进行采样，即从中频（甚至射频）开始就进行数字化处理。软件无线电的关键步聚是以可编程能力强的DSP来代替专用的数字电路，使系统硬件结构与功能相对独立。这样就可基于一相对通用的硬件平台，通过软件实现不同的通信功能，并可对工作频率、系统频宽、调制方式和信源编码等进行编程控制，系统的灵活性大大加强了。图１是一种典型的软件无线电系统结构。

    ２ 软件无线电的模块化分析

    软件无线电的硬件平台采用模块化设计，是一个开放的通信平台，与PC系统很相似。可以想象，基于一个相对通用的硬件平台，通过加载不同的软件（需要时可更换插卡）来实现不同的硬件功能。但软件无线电的硬件平台比PC要求高得多，它需要宽带射频前端、宽带A/D、D/A转换器和高速DSP，工作频率高达几至几十MHz，信号干扰很严重。所以，它必须由多个CPU并行工作才能满足系统处理速度的要求；其次，DSP处理数据要求高速转换，系统总线必须具有极高的I/O传输速率。在符合要求的系统总线中，VME技术最成熟，通用性最好。它可提供多CPU并行处理，支持独立的32位数据和地址总线，总线的速率达到40Mbps，基本满足了软件无线电要求。基于VME总线的软件无线电模块包括硬件和软件两大部分。

    其硬件模块有：

    ·宽带A/D/A变换。它将A/D变换尽可能靠近天线，至少对中频进行A/D变换。评价A/D变换器性能参数包括信噪比，无寄生动态范围（SFDR），互调失真（IMD），采样速率和采样精度等。其中主要是采样速率和精度，SNR可用下式计算：

    其中B为ADC位数，为采样频率，为输入模拟信号的最高频率。对于一个70MHz的中频信号，若要求采样精度达到12位，SNR等于80dB，可以算出采样速率为558Mbps。

    ·数字中频滤波变换。由于经过宽带A/D变换的数据流速率常在几十到上Mbps，对数字中频进行数字信号处理需很大的运算资源和I/O带宽，所以，通常采用数字下变频器来完成数字滤波和变频等

    ·并行DSP处理模块。采用4块并行的DSP芯片完成单路、多路基带、比特流、信源编解码

    ·控制与接口模块。完成对射频前端及电台功能的控制，实现窄带A/D/A变换，并提供用户各种模拟或数字接口。

    其软件模块包括：

    ·系统软件包。完成系统的初始化、软件功能的流向处理

    ·功能软件包。完成系统的通信规约、界面和实时控制

    ·通信功能控制软件包。主要是通信功能库模块；中断响应程序模块；实时信号流控制模块

    ·通信库函数软件包。主要是DSP指令和函数库；信号流变换库；调制解调算法库；信道纠错编码算法库；信源编码算法库等。

    由以上模块组成的基于VME总线的软件无线电系统结构如图2所示。

    ３ 软件无线电中的一种DSP模式分析

    软件无线电是对整个工作频段（25MHz左右）进行数字化，中频和基带处理采用数字信号处理方式。所以，DSP技术是软件无线电技术的工作重心。本文采用定点DSP芯片’C541作为数据处理的核心。

    3.1 TMS320C541简介

    TMS320C541是TI公司一种定点高性能的数字处理芯片。它具有改进的哈佛结构、高并行结构CPU、片内存储器、在片外围接口及一套高效的指令集。其主要特征包括：

    ·CPU特征：三条独立的16位数据总线和一条程序总线；40位算术逻辑单元（ALU），包括一个40位桶形移位器和两个独立的40位累加器；17位并行乘法器与一个专用40位加法器联合以执行单指令周期乘／加（MAC）操作；用于Viterbi操作加／比较选择的比较、选择和存储单元（CSSU）；指数编码器以计算40位累加器中数值的指数部分；两个地址发生器，包括8个辅助寄存器和2个辅助寄存器算术单元。

    ·存储器：192K字（16位）最大可寻址存储空间，包括64K字程序空间、64K字数据空间和64K字I/O空间；28KＫ字单口片内ROM，其中8K字既可定义为程序空间也可定义为数据空间；5K字双口片内RAM。

    ·指令集：单指令重复和块重复操作；内存块移动指令；32位指令字；2或3个操作数读取指令；可并行存储和读取算术指令；条件存储指令；中断快速返回指令。

    ·外围接口：软件可编程等待状态发生器；可编程空插入操作；片内锁相环时钟发生器；两个可支持8位和16位传送的全双工标准串行口：一个16位定时器；外部总线断开控制；数据总线保持器。

    ·其它：功耗控制指令如IDLE１、IDLE２、IDLE３，可使芯片运行于不同的低功耗状态；IEEE标准1149．1JTAG2仿真测试端口；指令周期为25ns。

    由于TMS320541有两个标准串行口，实现中可将串口１接A/D转换器，以接收或发送模拟信号。串口０用以传送和接收已压缩的码流。模拟界面A/D转换器选用TI公司的TLC32AC01，由’C541对它进行初始化，其时钟由片外频率为10.36MHz的石英振荡器提供。’C541串口１的帧接收和发送的同步信号（FSR和FSX）由TLC320AC01提供。

    3.2 ’C541构成软件无线电中一种模式分析

    采用专门的可编程芯片，将中频下变频，然后再进行DSP处理，数字下变频器（DDC）可完成从宽带信号中提取有用信号的功能，其最大输入速率为75Mbps(16bit)，通过编程可以控制速率和输出格式。图３为’C541和DDC组成的一种软件无线电系统模式。

    图中’C541可选用多个进行并行处理工作。其软件实现中的几个关键技术包括：

    ·数据格式：由于’C541是16位定点数字信号处理器，为了实现过去’C40浮点运算的数据处理格式，这里必须用定点数来表示浮点数，这样尽管提高了速度却很可能导致运算精度不够。在实现时采用下述几种方法：对精度过高的地方，将计算的中间变量采用32位来表示；对有些幅度变化较大的数值，采用适当的方法来减小幅度变化，从而在同样的数据格式下提供较高的精度。

    ·存储器空间分配：’C541片内存储区包括5K双口RAM和28K单口ROM。在一般应用中只使用RAM。若RAM不够，可通过外接RAM或选用其它’C54x来解决。当处理的数据量较大时也可以采用多个’C541芯片并行处理的方法。处理时，可将存储区分成不同的段，以存放程序、已初始化数据和未初始化数据，并为’C541重新设置了堆栈和中断向量表。

    ·多片DSP互连技术。DSP多片互连技术有基于直接存储器存储的多处理器互连、基于全局和局部存储器的多处理器互连以及基于高速缓冲通道的多处理器互连技术。基于满足高速处理和软件重构双重要求的多频段多功能电台必须采用基于全局和局部存储器的多处理器互连技术。这是因为其连接链路加快了数据流的速度，同时统一的地址空间和专用的控制操作简化了存储器的访问与处理过程，而内部的存储器简化了I/O的数据流量从而减轻了总线的瓶颈效应。其互连模式如图４所示。

    在具体应用’C541设计软件无线电系统时还会有许多问题出现，如信号幅度的有效控制、系统的稳定性分析以及MIPS（每秒执行百万条指令）的分配和多个DSP系统中的总线仲裁等还需要进一步的研究分析。

    总之，软件无线电中DSP技术起着举足轻重的作用，DSP技术的优化应用直接决定了软件无线电系统的性能价格比。在目前的DSP中，’C541是一种较好选择，尤其是其灵活的低功耗指令设置，使软件无线电的应用会更加广泛，从而加速新一代无线通信技术的飞速发展。