基于OMAP软件无线电平台设计与实现

摘要：文章根据软件无线电的基本原理，使用OMAP3530处理器和FPGA，设计了一个新型的软件无线电平台，以满足高性能、低功耗和便携性的需求。
关键词：软件无线电；SoC；OMAP；FPGA

0 前言
    SoC技术已获得IC产业的广泛关注。IC供应商还推出基于SoC的芯片，如TI的OMAP(TM)系列处理器的概念。系列处理器与ARM的I-DSP双核结构，集成了传统的嵌入式控制芯片和DSP信号处理芯片的电源。OMAP(TM)的处理器，是理想的便携式、低功耗和高性能的，对应用程序有很高的要求。
    OMAP(TM)的3系列处理器的上市时间较短暂，系统的体系结构和软件的概念相对较新，但适应于绝大多数的系统开发。本文研究OMAP(TM)的处理器，对软件无线电理论进行有益的探索，设计了一个新的平台，具有低功耗和便携的特点。

1 OMAP技术概述
    开放式多媒体应用平台(Open Multimedia Application Platform，简称OMAP)是美国德州仪器公司推出的以第三代移动通信发展为导向的处理器平台。OMAP已成为一个事实上的行业标准，大量的IT设备制造商基于OMAP平台来开发下一代通信设备。
    OMAP技术具有以下特点：1)低功耗；2)可移植性；3)打开。

2 OMAP多核软件无线电平台设计
    OMAP多核心的软件定义无线电平台，主要设计目标是支持短波和调频广播电台为1M～110M信号频带的性能测试，包括：
    ·支持宽带固定频率和跳频测试；
    ·支持全州无线电测试；
    ·支持无线电频道的模拟环境测试。
2．1 中频-基带信号处理
    当前的无线通信技术和制度的差异被划分在不同的频率范围。如短波通信使用1M～30M波段，超高频通信使用30M到500M频段，GSM使用900M和1800M频段，TD-SCDMA使用2．3G～2．4G频段。
    由于短波通信频率较低，一般采用直接低通采样数字。超短波、GSM和3G等频率较高的通信模式，直接低通采样不仅对ADC的采样率和有效带宽等指标提出了较高要求，而且对后续的数字信号处理器件和算法提出了极高的要求，这对于目前的IC设计水平来说是不现实的。在实际系统中，模拟电路更高频率的射频信号移动，那么用AD转换器，数字信号处理。实际通信系统可分为两部分：模拟前端和IF基频处理器。
2．2 软硬件协同仿真
    通信理论与传统的模拟软件的算法性能评价(如MATLAB)协助完成。业内人士提出了软件和硬件协同仿真的概念。OMAP软件无线电平台，也考虑到这样的功能设计。OMAP平台可以通过网络与计算机连接，和OMAP平台可以互相连接。因此，算法仿真任务可以划分成多个平行单位完成网络上的OMAP处理器的一部分。
    主要应用的OMAP多核心的软件定义无线电平台的短波和调频收音机的性能测试，包括发射机的测量和接收机测量。

3 系统架构
    该系统采用FPGA+OMAP结构。为了提高输入信号功率的动态范围，模拟信号处理模块的系统设计主要包括两个数字控制衰减器芯片的输入和输出的射频信号功率控制。即使没有连接到模拟前端，通过射频电缆，建立短波和超短波通信的一部分。
    无线电路径和音频路径：这两个信号通路的硬件平台，射频信号和音频信号通过ADC进行模拟到数字的转换，然后将数字前端处理在FPGA做后续OMAP算术运算。根据功能，硬件系统分为五个部分：1)模拟信号处理单元；2)模拟到数字／数字模拟转换装置；3)数字前端的单元；4)控制／数字信号处理单元；5)其他。

4 多核软件无线电平台软件设计
    根据功能需求，基于平台FPGA+OMAP数字信号处理架构，开发了一个软件平台和描述的软件平台来实现关键要素。
    OMAP初始化步骤如下：
    (1)内部ROM指令执行的基本配置和初始化。
    (2)创建一个引导设备列表。根据系统启动的状态引脚，创建列表，包含设备的代码，可以查询到启动程序映像。
    (3)启动程序，逐一检查设备在引导列表中的表示，一旦设备存在，并获得正确的命令，从设备开始。
    (4)如从内存中读取数据存储设备。
    (5)运行的图像文件。
4．1 软件系统结构设计
    这个系统分为远程管理，显示控制和信号处理三部分，远程管理由PC主机和OMAP实现，显示控制部分由OMAP的MPU子系统实现，数字信号处理部分由FPGA和OMAP的IVA子系统实现。该软件系统包括以下子模块：1)远程管理；2)显示控制；3)算法。
    远程控制软件在PC机上运行，使用Visual Studio 2005进行开发，通过Socket接口与OMAP平台进行网络通信。OMAP平台ARM端使用嵌入式操作系统，在该操作系统上建立应用程序，包括文字界面应用程序和UI界面应用程序。OMAP平台DSP端使用DSPBIOS操作系统，与ARM端通过DSP Link进行通信。
4．2 OMAP35x DVEVM软件开发环境移植
    OMAP系统由两部分主机子系统和IVA子系统、主机子系统完整的控制系统、IVA部子系统联合FPGA来完成软件无线电算法。
4．3 OMAP软件框架程序设计
    该系统采用了Codec Engine框架进行MPU子系统和IVA子系统之间的通信。从GPP端的应用程序开发的角度来看，Codec Engine是一系列的APT。
4．4 FPGA SelectMAP驱动程序设计
    OMAP系统直接配置FPGA，从SelectMAP配置模式，根据时序要求设计和编写代码和编译驱动程序模块，使用write()系统函数调用加载模块，FPGA配置是成功的，需要约3s时间。
4．5 OMAP与FPGA接口程序设计
    FPGA被视为在这个系统中的外设存储器。OMAP使用GPMC接口接入到FPGA的内部共享空间。
    GPMC中的OMAP地址空间的共8个选区(CS)片，其中NAND快闪记忆体和CS3的网络接口。该系统采用FPGA芯片选择信号CS4中。

5 OMAP多核软件无线电平台验证
    为了测试系统的完整性和正确性，需要按表1所列项目进行测试和验证。

    在此基础上编写了基于OMAP多核软件无线电平台的射频频率测量和FM信号源程序，从而验证该平台功能达到了设计目标。