嵌入式計(jì)算機(jī)在軟件無線電方面的應(yīng)用

摘要：介紹了嵌入式計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)及分類。然后討論了DSP技術(shù)在軟件無線電中面臨的挑戰(zhàn)及如何應(yīng)用DSP技術(shù)進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)。并給出了一 種基于TMS320C5402的軟件無線系統(tǒng)模式。

關(guān)鍵詞：嵌入式計(jì)算機(jī)；嵌入式系統(tǒng)；DSP；軟件無線電

引言

嵌入式計(jì)算機(jī)通常指埋藏在宿主設(shè)備中的微處理機(jī)系統(tǒng)，此類計(jì)

算機(jī)一般不被設(shè)備使用者注意，亦稱埋藏式計(jì)算機(jī)，典型機(jī)種如微控 制器、微處理器和數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）等。嵌入式系統(tǒng)的出現(xiàn)至 今有三十多年了，嵌入式技術(shù)也歷經(jīng)了幾個(gè)發(fā)展階段。近十年來，以 計(jì)算機(jī)和軟件為核心的數(shù)字化技術(shù)迅猛發(fā)展，不僅廣泛滲透到社會(huì)經(jīng)濟(jì)、軍事、交通、通信等相關(guān)行業(yè)，而且深入到家電、娛樂、藝術(shù)、 社會(huì)文化等各個(gè)領(lǐng)域，掀起了一場(chǎng)數(shù)字化技術(shù)革命。隨著移動(dòng)通信與 互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用迅速普及，消費(fèi)電子、計(jì)算機(jī)、通信（3C）一體化趨勢(shì) 日趨明顯，嵌入式技術(shù)的研究掀起了新的高潮。

隨著DSP技術(shù)的逐步發(fā)展，相信將會(huì)使軟件無線電的發(fā)展更加迅 速，從而也推動(dòng)無線通信的進(jìn)一步發(fā)展。

1. 嵌入式計(jì)算機(jī)

嵌入式計(jì)算機(jī)是嵌入應(yīng)用系統(tǒng)中的計(jì)算機(jī)。例如：嵌入到醫(yī)療儀

器、工業(yè)機(jī)器人、高級(jí)音響、通訊設(shè)備、潛艇等系統(tǒng)中的計(jì)算機(jī)都是 嵌入式計(jì)算機(jī)。嵌入式微處理器和通用微處理器最大的不同就是嵌入 式微處理器多數(shù)工作在用戶自己設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中。

以往我們按照計(jì)算機(jī)的體系結(jié)構(gòu)、運(yùn)算速度、結(jié)構(gòu)規(guī)模、所適 用的領(lǐng)域，對(duì)計(jì)算機(jī)進(jìn)行分類。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和產(chǎn)品對(duì)其它行業(yè)的 廣泛滲透，以應(yīng)用為中心的分類方法變得更為切合實(shí)際，也就是按計(jì)算機(jī)的嵌入式應(yīng)用和非嵌入式應(yīng)用將其分為嵌入式計(jì)算機(jī)和通用計(jì)算 機(jī)。通用計(jì)算機(jī)具有計(jì)算機(jī)標(biāo)準(zhǔn)形態(tài)，通過裝配不同的應(yīng)用軟件，以 類同面目出現(xiàn)并應(yīng)用在社會(huì)的各個(gè)方面，其典型產(chǎn)品為PC。而嵌入式 計(jì)算機(jī)則是以嵌入式系統(tǒng)的形式隱藏在各種裝置、產(chǎn)品和系統(tǒng)中。

嵌入式系統(tǒng)的核心部件是各種類型的嵌入式處理器，據(jù)不完全統(tǒng) 計(jì)，全世界嵌入式處理器的品種總量已超過1000多種，流行的體系結(jié)構(gòu)有30幾個(gè)系列，其中8051體系的占有多半。嵌入式處理器的尋址空間一 般從64KB~16MB，處理速度從0.1MIPS到2000MIPS，常用封裝從8個(gè)引 腳到144個(gè)引腳。根據(jù)其現(xiàn)狀，嵌入式計(jì)算機(jī)可分為以下幾類。

（1）嵌入式微處理器(Embedded Microprocessor Unit ，EMPU) 嵌入式微處理器的基礎(chǔ)是通用計(jì)算機(jī)中的CPU。在應(yīng)用中，將 微處理器裝配在專門設(shè)計(jì)的電路板上，只保留和嵌入式應(yīng)用有關(guān)的母 板功能,這樣可以大幅度減小系統(tǒng)體積和功耗。為了滿足嵌入式應(yīng)用 的特殊要求，嵌入式微處理器雖然在功能上和標(biāo)準(zhǔn)微處理器基本是一 樣的，但在工作溫度、抗電磁干擾、可靠性等方面一般都做了各種增強(qiáng)，和工業(yè)控制計(jì)算機(jī)相比，嵌入式微處理器具有體積小、重量輕、 成本低、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)，但是在電路板上必須包括ROM、RAM、

總線接口、各種外設(shè)等器件，從而降低了系統(tǒng)的可靠性，技術(shù)保密性 也較差。嵌入式微處理器及其存儲(chǔ)器、總線、外設(shè)等安裝在一塊電 路板上，稱為單板計(jì)算機(jī)。如STD-BUS、PC104等。近年來，德國、 日本的一些公司又開發(fā)出了類似“火柴盒”式名片大小的嵌入式計(jì) 算機(jī)系列OEM產(chǎn)品。嵌入式處理器目前主要有Am186/88、386EX、 SC-400、PowerPC、68000、MIPS、ARM系列等。

（2）嵌入式微控制器(Microcontroller Unit，MCU) 嵌入式微控制器又稱單片機(jī)，顧名思義，就是將整個(gè)計(jì)算機(jī)系

統(tǒng)集成到一塊芯片中。嵌入式微控制器一般以某一種微處理器內(nèi)核 為核心，芯片內(nèi)部集成ROM/EPROM、RAM、總線、總線邏輯、定 時(shí)/計(jì)數(shù)器、WatchDog、I/O、串行口、脈寬調(diào)制輸出、A/D、D/A、 FlashRAM、EEPROM等各種必要功能和外設(shè).為適應(yīng)不同的應(yīng)用需 求，一般一個(gè)系列的單片機(jī)具有多種衍生產(chǎn)品，每種衍生產(chǎn)品的處理器內(nèi)核都是一樣的，不同的是存儲(chǔ)器和外設(shè)的配置及封裝。這樣可以 使單片機(jī)最大限度地和應(yīng)用需求相匹配，功能不多不少，從而減少功 耗和成本。

SoC可以分為通用和專用兩類。通用系列包括Infineon(Siemens) 的TriCore，Motorola的M-Core，某些ARM系列器件，Echelon和 Motorola聯(lián)合研制的Neuron芯片等。專用SoC一般專用于某個(gè)或某 類系統(tǒng)中，不為一般用戶所知。一個(gè)有代表性的產(chǎn)品是Philips的 SmartXA，它將XA單片機(jī)內(nèi)核和支持超過2048位復(fù)雜RSA算法的 CCU單元制作在一塊硅片上，形成一個(gè)可加載JAVA或C語言的專用的 SoC，可用于公眾互聯(lián)網(wǎng)如Internet安全方面。

2. 軟件無線電概述

軟件無線電（Software Radios，簡稱SWR）技術(shù)是近年來提出的

一種實(shí)現(xiàn)無線通信的新的體系結(jié)構(gòu)。它是針對(duì)現(xiàn)有無線通信領(lǐng)域存在 的如多種通信體系共存、各種標(biāo)準(zhǔn)競爭激烈、頻率資源緊張等等一些 問題，尤其是個(gè)人無線通信系統(tǒng)的發(fā)展，使得新的系統(tǒng)層出不窮，產(chǎn)品生存周期越來越短，原有的以硬件為主的無線通信體制難以適應(yīng)新 形勢(shì)的需要運(yùn)用而生的。

軟件無線電技術(shù)通過構(gòu)造一個(gè)具有開放性、標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的通 用硬件平臺(tái)，將各種功能，如工作頻段、調(diào)制解調(diào)類型、數(shù)據(jù)格式、 加密模式、通信協(xié)議等用軟件來完成，并使寬帶模數(shù)（A/D）和數(shù)模

（D/A）轉(zhuǎn)換器盡可能靠近天線，以研制出具有高度靈活性和開放性 的新一代無線通信系統(tǒng)。其主要特點(diǎn)有：

靈活性強(qiáng)，可以通過增加軟件模塊來增加新的功能； 集中性較強(qiáng)，多個(gè)信道享有共同的射頻前端與寬帶A/D/A轉(zhuǎn)換器

以獲取每一信道的相對(duì)廉價(jià)的信號(hào)處理性能； 開放性較強(qiáng)，具有標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的結(jié)構(gòu)，硬件可以更新或擴(kuò)

展，軟件可以隨需要而不斷升級(jí)。 軟件無線電的宗旨就是將寬帶A/D和D/A的變換盡可能地靠近天

線，對(duì)數(shù)字化后的信號(hào)采用數(shù)字信號(hào)處理（DSP）技術(shù)，在可編程控 制的硬件平臺(tái)上，利用軟件來實(shí)現(xiàn)無線電的各部分功能，即整個(gè)無線 電臺(tái)從高頻、中頻、基帶直到控制協(xié)議部分全由軟件編程來實(shí)現(xiàn)。

理想軟件無線電的結(jié)構(gòu)如（圖1）所示。主要由天線、射頻 前端、寬帶A/D-D/A轉(zhuǎn)換器、通用和專用數(shù)字信號(hào)處理器以及各

一組程序總線和三組數(shù)據(jù)總線，高度并行的算術(shù)邏輯單元ALU，專用 硬件邏輯，片內(nèi)存儲(chǔ)器，片內(nèi)外設(shè)和高度專業(yè)化的指令集，使該芯片 速度更快，操作更靈活。

程序和數(shù)據(jù)空間分開允許同時(shí)對(duì)程序指令和數(shù)據(jù)進(jìn)行訪問，提供 了很高的并行度?？梢栽谝粋€(gè)周期完成兩個(gè)讀和一個(gè)寫操作。因此，并行存儲(chǔ)指令和專用指令可以在這種結(jié)構(gòu)中得到充分的利用。另外， 數(shù)據(jù)可以在數(shù)據(jù)空間和程序空間之間傳送。并行性支持一系列算術(shù)、 邏輯和位處理運(yùn)算，它們都能在一個(gè)機(jī)器周期里完成。另外，C54X 具有管理中斷、循環(huán)運(yùn)算和功能調(diào)用的控制結(jié)構(gòu)。

4.2  由TMS32005402構(gòu)成的一種軟件無線電系統(tǒng)模式 在以上模式中可選用多個(gè)C5402對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行并行處理。而在其軟

件實(shí)現(xiàn)中應(yīng)注意以下幾個(gè)問題：

（1）數(shù)據(jù)格式：

TMS320C5402是16位定點(diǎn)DSP，在進(jìn)行復(fù)點(diǎn)運(yùn)算時(shí)，必須用定 點(diǎn)數(shù)來表示復(fù)點(diǎn)數(shù)，這

種軟件組成。軟件無線電的天線一般要覆蓋比較寬的頻段，例如

1MHZ~2GHZ，要求每個(gè)頻段的特性均勻，以滿足各種業(yè)務(wù)的需要。 射頻前端在發(fā)射時(shí)主要完成上變頻、濾波、功率放大等任務(wù)。接

受實(shí)現(xiàn)濾波、放大、下變頻等功能。模擬信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化后的處理任 務(wù)完全由DSP軟件完成。為了減輕通用DSP的處理壓力，通常把A/D 轉(zhuǎn)換器傳來的數(shù)字信號(hào)，經(jīng)過專用的數(shù)字信事情處理器件（如數(shù)字下 變頻器DDC）處理，降低數(shù)據(jù)流速率，并把信號(hào)變至基帶后，再把數(shù)

樣做盡管提高了運(yùn)算速

度卻很可能會(huì)使精度不 夠。實(shí)現(xiàn)時(shí)采用以下幾種方法：對(duì)精度過高的 地方，將計(jì)算的中間變 量采用32 位來表示；對(duì) 有些幅度變化較大的數(shù)

據(jù)傳給通用DSP進(jìn)行處理。通用DSP主要完成數(shù)據(jù)率相對(duì)較低的基帶 信號(hào)的處理。

3. DSP技術(shù)在軟件無線電中的應(yīng)用

3.1  DSP的特點(diǎn)及在軟件無線電中面臨的挑戰(zhàn)

數(shù)字信號(hào)處理器是整個(gè)軟件無線電方案的靈魂和核心所在。軟 件無線電的靈活性、開放性、兼容性等特點(diǎn)主要是通過數(shù)字信號(hào)處理 器為中心的硬件通用平臺(tái)及DSP軟件來實(shí)現(xiàn)的。軟件無線電的發(fā)展使 DSP技術(shù)不斷面對(duì)新的挑戰(zhàn)。

在軟件無線電中，經(jīng)過寬帶A/D（模/數(shù)轉(zhuǎn)換器）后的數(shù)據(jù)流速率 高達(dá)幾十甚至幾百兆MBPS，對(duì)數(shù)字中頻進(jìn)行數(shù)字濾波、數(shù)字變頻、 數(shù)字頻率合成往往需要幾十甚至上百M(fèi)OPS運(yùn)算資源和幾十甚至幾百 MBPS的I/O速度。而基帶部分主要完成各種同步數(shù)字的處理，每路 需要幾兆，幾十兆甚至幾百兆MOPS的處理能力；比特流處理主要完 成信道編解碼，復(fù)分接或分接、信令、控制、操作、管理或加接密等 功能，也需要100 MOPS以下的處理能力。另外信源編解碼部分為完 成話音、圖象的編解碼算法同樣需要幾十兆甚至幾百兆BPS的DSP運(yùn) 算能力，外加管理所需的開銷，所以軟件無線電要求DSP能達(dá)到每秒 千兆指令數(shù)的數(shù)字處理能力。

3.2  DSP系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)

（1）硬件設(shè)計(jì)主要是根據(jù)所運(yùn)用DSP芯片的性能、結(jié)構(gòu)與封 裝，按照系統(tǒng)的性能要求完成DSP芯片外圍電路的設(shè)計(jì)，如A/D轉(zhuǎn) 換、時(shí)鐘電路和外存儲(chǔ)器電路等。軟件設(shè)計(jì)主要是根據(jù)系統(tǒng)要求和選 用的DSP芯片編寫相應(yīng)的匯編源程序，若系統(tǒng)的運(yùn)算量不大且高級(jí)語 言編譯器支持，也可用高級(jí)語言（如C語言）編程。但由于用高級(jí)語 言編寫的代碼，其最終的執(zhí)行效率比手工編寫的匯編的執(zhí)行效率要 低，因此在實(shí)際系統(tǒng)中，通常采用高級(jí)語言和匯編語言混合編程的方 法，在運(yùn)算量大時(shí)，采用匯編語言完成，運(yùn)算量不大時(shí)則采用高級(jí)語言完成。采用這種方法，既可縮短軟件開發(fā)周期，提高編程的可讀性 和可移植性，又能滿足系統(tǒng)實(shí)時(shí)性運(yùn)算的要求。

4. 一種軟件無線電中DSP應(yīng)用模式

4.1  TMS320C54X的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

TMS320C54X是16 bit定點(diǎn)DSP，采用改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)。C54X有

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)格式下提高

精度。

（2）存儲(chǔ)器空間的分配：

TMS320C5402片內(nèi)存儲(chǔ)區(qū)包括10  K的RAM和2 K的ROM。若 RAM不夠，可以通過外接RAM或選用其它芯片來解決。當(dāng)處理的數(shù) 據(jù)量較大時(shí)也可以采用多個(gè)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)，并重 新設(shè)置堆棧和中斷向量表。

（3）DSP的互連技術(shù)： 當(dāng)要求滿足高速處理和軟件重構(gòu)等要求的多功能電臺(tái)時(shí)，則必

須采用基于全局和局部存儲(chǔ)器的多處理器互連技術(shù)。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)。

5. 結(jié)束語

嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展主要體現(xiàn)在芯片技術(shù)的進(jìn)步上，以及在芯片

技術(shù)限制下的算法與軟件的進(jìn)步上。隨著數(shù)字化的急速進(jìn)程，DSP技 術(shù)的地位將會(huì)更加突顯。因?yàn)閿?shù)字化的基礎(chǔ)技術(shù)就是數(shù)字信號(hào)處理， 而數(shù)字信號(hào)處理的任務(wù)，主要是由通用的或?qū)Ｓ玫腄SP處理器來完成 的。因此，隨著DSP技術(shù)的逐步發(fā)展，相信將會(huì)使軟件無線電的發(fā)展 更加迅速，從而也推動(dòng)無線通信的進(jìn)一步發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]金礪. 面向21世紀(jì)的嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)及應(yīng)用. 太原師范學(xué)院學(xué)

報(bào),2004,(2)

[2]彭啟琮,李玉柏，管慶. DSP技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用. 北京: 高等教育出 版社,2002.9.

[3]王濤,王瑜坤. 軟件無線電技術(shù)在無線通信系統(tǒng)中的應(yīng)用. 現(xiàn)代電 信科技,2003,(6):38~40.

[4]孫增友,司德廣. 一種軟件無線電中DSP技術(shù)的應(yīng)用. 東北電力學(xué) 院學(xué)報(bào),2004,(2):51~53.