基于ADSP-BF533的數(shù)字通信信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

0  引言

在通信對(duì)抗的研究中，要想模擬出真實(shí)數(shù)字通信信號(hào)場(chǎng)景，數(shù)字通信信號(hào)發(fā)生器是不可或缺的儀器。而市面上的通信信號(hào)發(fā)生器價(jià)格十分昂貴，功能也比較簡(jiǎn)單。而且這類通信信號(hào)發(fā)生器的輸出碼元不可控，信噪比及干信比也不能動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，因此無(wú)法模擬多種調(diào)制類型通信信號(hào)的混合環(huán)境，用作通信對(duì)抗系統(tǒng)的性能測(cè)試信號(hào)源極為不便。所以開(kāi)展高精度通信信號(hào)及噪聲干擾波形的重構(gòu)方法研究工作，具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。

1  ADSP-BF533芯片簡(jiǎn)介

ADSP-BF533是Blackfin系列的中高性能產(chǎn)品，專門(mén)針對(duì)多媒體(特別是視頻處理)和通信方面的各種應(yīng)用。其內(nèi)部包含2個(gè)乘／累加器(MAC)，2個(gè)40位的ALU，4個(gè)視頻ALU和1個(gè)40位移位器。BF533內(nèi)核工作時(shí)鐘可高達(dá)600 MHz。運(yùn)算單元處理來(lái)自寄存器組的8位、16位或者32位數(shù)據(jù)。

BF533的每個(gè)MAC每周期可完成一個(gè)16位乘16位的乘法運(yùn)算，并可把結(jié)果累加到40位的累加器中，同時(shí)可提供8位的精度擴(kuò)展。其ALU單元執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)的算術(shù)和邏輯運(yùn)算，兩個(gè)ALU可處理16或32位的數(shù)據(jù)，運(yùn)算單元具有很大的靈活性．因此可以滿足各種應(yīng)用中信號(hào)處理的要求。

ADSP-BF533把存儲(chǔ)器視為一個(gè)統(tǒng)一的4GBytes的地址空間。所有的資源，包括內(nèi)部存儲(chǔ)器、外部存儲(chǔ)器和I／O控制寄存器，都占據(jù)公共地址空間中相應(yīng)的部分，并且相互獨(dú)立。此地址空間的各部分存儲(chǔ)器按分級(jí)結(jié)構(gòu)排列，以提供高性能價(jià)格比。高速、低延遲、小容量的存儲(chǔ)器(如CACHE或SRAM)的位置非常接近處理器，而低速、高延遲、大容量、低成本的存儲(chǔ)器(如SDRAM或Flash)遠(yuǎn)離處理器。

BF533內(nèi)的L1存儲(chǔ)器是內(nèi)核中性能最高最重要的存儲(chǔ)器；L2存儲(chǔ)器用以提供額外的存儲(chǔ)能力，性能較低：片外存儲(chǔ)系統(tǒng)通過(guò)外部總線接口單元(EBIU)進(jìn)行訪問(wèn)；異步存儲(chǔ)器單元可以連接4個(gè)異步存儲(chǔ)器bank或IO接口，每個(gè)bank可支持最大1MBytes物理尋址空問(wèn)；同步存儲(chǔ)器單元可以由SDRAM進(jìn)行擴(kuò)展，可以訪問(wèn)多達(dá)128MBytes的物理存儲(chǔ)空間；存儲(chǔ)器的DMA控制器提供高帶寬的數(shù)據(jù)傳輸能力，能夠在內(nèi)部L1／L2存儲(chǔ)器和外部存儲(chǔ)器空間之間完成代碼或數(shù)據(jù)的塊傳輸。

另外，ADSP-BF533還提供一個(gè)可直接與并行A／D和D／A轉(zhuǎn)換器、符合ITU-656標(biāo)準(zhǔn)的視頻編碼和解碼器以及其它通用外設(shè)連接的并行接口(PPI)。PPI包括一個(gè)專用時(shí)鐘引腳、多達(dá)3個(gè)幀同步引腳和多達(dá)16個(gè)數(shù)據(jù)引腳。PPI的通用模式分為4種主要的工作方式，即：內(nèi)部產(chǎn)生幀同步中信號(hào)的數(shù)據(jù)接收，外部產(chǎn)生幀同步信號(hào)的數(shù)據(jù)接收，內(nèi)部產(chǎn)生幀同步信號(hào)的數(shù)據(jù)發(fā)送，外部產(chǎn)生幀同步信號(hào)的數(shù)據(jù)發(fā)送。每種每個(gè)PPI_CLK時(shí)鐘周期可傳送高達(dá)16 bits的數(shù)據(jù)，廣泛應(yīng)用于各種數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)傳輸?shù)膱?chǎng)合。

2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

數(shù)字通信信號(hào)發(fā)生器系統(tǒng)分為兩大模塊：微型計(jì)算機(jī)模塊和波形產(chǎn)生模塊。其中微型計(jì)算機(jī)為通用計(jì)算機(jī)或PC，波形發(fā)生模塊為設(shè)計(jì)的信號(hào)發(fā)生板卡。圖1所示為系統(tǒng)總體框圖。



通用微型計(jì)算機(jī)首先根據(jù)用戶輸入的參數(shù)．分別產(chǎn)生各種類型的數(shù)字調(diào)制信號(hào)和高斯窄帶白噪聲及各種類型的干擾信號(hào)，然后將數(shù)據(jù)通過(guò)USB接口傳送到信號(hào)發(fā)生板卡。信號(hào)發(fā)生板卡再通過(guò)波形產(chǎn)生控制器循環(huán)取出通信波形存儲(chǔ)器和干擾／噪聲存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)，最后通過(guò)DAC產(chǎn)生連續(xù)的數(shù)字通信信號(hào)波形。圖2所示為系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)框圖。

硬件設(shè)計(jì)中的DSP1為整個(gè)系統(tǒng)的核心，可直接和微型計(jì)算機(jī)通信，并且控制著DSP2的加載和運(yùn)行。DSP1的加載方式為BMODE 01方式，從外部Flash加載；DSP2為BMODE 10方式，通過(guò)SlaveSPI接口加載。

DSP1首先接收微型計(jì)算機(jī)通過(guò)USB接口傳送的波形數(shù)據(jù)包，并將數(shù)據(jù)包中的通信波形或通信環(huán)境波形數(shù)據(jù)以MDMA方式傳送到通信／通信信號(hào)環(huán)境波形數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(SDRAM1)。同時(shí)將噪聲數(shù)據(jù)以SPI MDA方式傳送到DSP2的內(nèi)部RAM中，然后在DSP2接收后，將噪聲／干擾數(shù)據(jù)以MDMA方式分別存儲(chǔ)到噪聲／干擾數(shù)據(jù)存儲(chǔ)段(SDRAM2)內(nèi)。DSP1通過(guò)SPI非DMA方式傳送信噪比／干信比參數(shù)到DSP2的內(nèi)部RAM中。其中通信數(shù)據(jù)的高位(D15)為基帶碼流數(shù)據(jù)，D14為同步信號(hào)，用于測(cè)試基帶碼流。

系統(tǒng)中，所有波形參數(shù)的采樣頻率為10MHz，數(shù)據(jù)容量為16 M×16位，可存儲(chǔ)1.5秒鐘的波形數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)有效位數(shù)為14位。DSP1通過(guò)PPIDMA方式直接從SDRAM1中循環(huán)讀取通信波形數(shù)據(jù)傳送給DAC1，產(chǎn)生通信波形。DSP2利用程序產(chǎn)生隨機(jī)地址，得到MDAM0的起始地址，然后將存儲(chǔ)的噪聲波形數(shù)據(jù)從SDRAM2中讀入DSP2內(nèi)部RAM中，并且根據(jù)信噪比在內(nèi)部RAM中進(jìn)行幅度加權(quán)，然后通過(guò)PPI DMA傳送給DAC2，產(chǎn)生噪聲波形。若包含干擾信號(hào)，DSP2需要通過(guò)MD-MAl將干擾數(shù)據(jù)讀入內(nèi)部RAM，并根據(jù)干信比在內(nèi)部RAM中進(jìn)行幅度加權(quán)，然后和噪聲疊加，再通過(guò)PPI DMA輸出到DAC2來(lái)產(chǎn)生干擾與噪聲的混合波形。其中PPI時(shí)鐘PPI_CLK信號(hào)均由各DSP的定時(shí)器產(chǎn)生。

兩個(gè)DAC的位數(shù)是14位，并且設(shè)置為4倍插值方式，即DAC輸入數(shù)據(jù)率為10MSPS，輸出轉(zhuǎn)換速率為40MSPS。DAC轉(zhuǎn)換需要的時(shí)鐘與PPI_CLK共用，DAC連接在BF533PPI總線的低14位PPI13～PPI0?；鶐Тa流通過(guò)DSPl的PPI15引腳輸出，同步信號(hào)通過(guò)DSP1的PPI14引腳輸出，經(jīng)過(guò)74AC11244驅(qū)動(dòng)輸出波形。

DAC輸出的模擬信號(hào)后經(jīng)過(guò)AD8054緩沖放大，再經(jīng)信號(hào)和噪聲合成后分為兩路，可作為測(cè)試波形和信號(hào)源。

若需要模擬通信信號(hào)環(huán)境，需要在微型計(jì)算機(jī)中計(jì)算多種信號(hào)的疊加數(shù)據(jù)，然后傳送到通信／通信信號(hào)環(huán)境數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(SDRAM1)中，其它過(guò)程均與通信方式相同。此模式下不能測(cè)試基帶碼流，但仍可測(cè)試同步信號(hào)。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)中的微型計(jì)算機(jī)采用Windows 2000／XP操作系統(tǒng)，其USB驅(qū)動(dòng)程序由DDK開(kāi)發(fā)，控制應(yīng)用程序可通過(guò)VS2005進(jìn)行開(kāi)發(fā)。計(jì)算機(jī)可根據(jù)用戶的輸入?yún)?shù)產(chǎn)生2ASK、2FSK、8FSK、2PSK、2DPSK、QPSK、QDPSK等通信信號(hào)或者它們幾種混合的通信環(huán)境信號(hào)，窄帶高斯白噪聲和噪聲干擾、局部頻帶干擾、梳狀干擾、相關(guān)干擾信號(hào)．并可將數(shù)據(jù)打包后通過(guò)USB接口發(fā)送到信號(hào)發(fā)生板卡。隨后由計(jì)算機(jī)通過(guò)發(fā)送控制命令字的方式來(lái)處理數(shù)據(jù)，主要是開(kāi)始輸出波形、停止輸出波形，更新波形數(shù)據(jù)，更新通信信號(hào)環(huán)境波形數(shù)據(jù)，更新干擾／噪聲數(shù)據(jù)，更新信噪比或干信比。

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要是針對(duì)BF533進(jìn)行編程。Blackfin系列DSP在軟件方面支持C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言，同時(shí)支持二者的混合編程。C語(yǔ)言程序結(jié)構(gòu)好、可讀性強(qiáng)、易移植，但對(duì)于中斷的處理速度慢。匯編語(yǔ)言處理速度快但可讀性差，不易調(diào)試。C和匯編混合編程結(jié)合了各自的優(yōu)勢(shì)，能構(gòu)造出結(jié)構(gòu)好且執(zhí)行速度快的程序。本系統(tǒng)的軟件程序流程圖如圖3所示。另外，在編程過(guò)程中主要注意以下事項(xiàng)：

(1)無(wú)論用C還是匯編，系統(tǒng)中只有一組相同的寄存器可供使用，因此要使用這些寄存器，子函數(shù)必須先保存，返回之前恢復(fù)。

(2)要嚴(yán)格按照寄存器的類型來(lái)使用，不同類型的寄存器不可混用。

(3)盡量節(jié)省寄存器資源。

(4)為了提高代碼運(yùn)行的速度，要善于使用并行指令。

在本系統(tǒng)中，中斷與DMA方式運(yùn)用較多，主要用到了PF中斷、MDMA中斷、SPI DMA中斷和PPI DMA中斷，系統(tǒng)中斷控制器可控制所有的系統(tǒng)中斷，并且管理他們的優(yōu)先級(jí)。DMA不需要內(nèi)核參入，在DMA運(yùn)行中內(nèi)核可以用于計(jì)算也可以響應(yīng)中斷。

系統(tǒng)上電后，DSP1先從Flash中讀取自身的加載代碼，然后再?gòu)腇lash中讀取DSP2的加載代碼通過(guò)SPI接口傳送到DSP2加載DSP2，最后再初始化系統(tǒng)時(shí)鐘、SDRAM、NET2272USB控制芯片，進(jìn)入等待微機(jī)用戶指令狀態(tài)。4

4  結(jié)束語(yǔ)

該數(shù)字通信信號(hào)發(fā)生器只需要在通用微機(jī)或者PC機(jī)上安裝軟件即可實(shí)現(xiàn)，其成本低，效率高，實(shí)時(shí)性好，特別是在通信對(duì)抗信號(hào)源模擬方面，更是顯示了無(wú)可比擬的優(yōu)越性。