基于OMAP軟件無線電平臺設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

摘要：文章根據(jù)軟件無線電的基本原理，使用OMAP3530處理器和FPGA，設(shè)計了一個新型的軟件無線電平臺，以滿足高性能、低功耗和便攜性的需求。
關(guān)鍵詞：軟件無線電；SoC；OMAP；FPGA

0 前言
    SoC技術(shù)已獲得IC產(chǎn)業(yè)的廣泛關(guān)注。IC供應(yīng)商還推出基于SoC的芯片，如TI的OMAP(TM)系列處理器的概念。系列處理器與ARM的I-DSP雙核結(jié)構(gòu)，集成了傳統(tǒng)的嵌入式控制芯片和DSP信號處理芯片的電源。OMAP(TM)的處理器，是理想的便攜式、低功耗和高性能的，對應(yīng)用程序有很高的要求。
    OMAP(TM)的3系列處理器的上市時間較短暫，系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)和軟件的概念相對較新，但適應(yīng)于絕大多數(shù)的系統(tǒng)開發(fā)。本文研究OMAP(TM)的處理器，對軟件無線電理論進(jìn)行有益的探索，設(shè)計了一個新的平臺，具有低功耗和便攜的特點(diǎn)。

1 OMAP技術(shù)概述
    開放式多媒體應(yīng)用平臺(Open Multimedia Application Platform，簡稱OMAP)是美國德州儀器公司推出的以第三代移動通信發(fā)展為導(dǎo)向的處理器平臺。OMAP已成為一個事實(shí)上的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，大量的IT設(shè)備制造商基于OMAP平臺來開發(fā)下一代通信設(shè)備。
    OMAP技術(shù)具有以下特點(diǎn)：1)低功耗；2)可移植性；3)打開。

2 OMAP多核軟件無線電平臺設(shè)計
    OMAP多核心的軟件定義無線電平臺，主要設(shè)計目標(biāo)是支持短波和調(diào)頻廣播電臺為1M～110M信號頻帶的性能測試，包括：
    ·支持寬帶固定頻率和跳頻測試；
    ·支持全州無線電測試；
    ·支持無線電頻道的模擬環(huán)境測試。
2．1 中頻-基帶信號處理
    當(dāng)前的無線通信技術(shù)和制度的差異被劃分在不同的頻率范圍。如短波通信使用1M～30M波段，超高頻通信使用30M到500M頻段，GSM使用900M和1800M頻段，TD-SCDMA使用2．3G～2．4G頻段。
    由于短波通信頻率較低，一般采用直接低通采樣數(shù)字。超短波、GSM和3G等頻率較高的通信模式，直接低通采樣不僅對ADC的采樣率和有效帶寬等指標(biāo)提出了較高要求，而且對后續(xù)的數(shù)字信號處理器件和算法提出了極高的要求，這對于目前的IC設(shè)計水平來說是不現(xiàn)實(shí)的。在實(shí)際系統(tǒng)中，模擬電路更高頻率的射頻信號移動，那么用AD轉(zhuǎn)換器，數(shù)字信號處理。實(shí)際通信系統(tǒng)可分為兩部分：模擬前端和IF基頻處理器。
2．2 軟硬件協(xié)同仿真
    通信理論與傳統(tǒng)的模擬軟件的算法性能評價(如MATLAB)協(xié)助完成。業(yè)內(nèi)人士提出了軟件和硬件協(xié)同仿真的概念。OMAP軟件無線電平臺，也考慮到這樣的功能設(shè)計。OMAP平臺可以通過網(wǎng)絡(luò)與計算機(jī)連接，和OMAP平臺可以互相連接。因此，算法仿真任務(wù)可以劃分成多個平行單位完成網(wǎng)絡(luò)上的OMAP處理器的一部分。
    主要應(yīng)用的OMAP多核心的軟件定義無線電平臺的短波和調(diào)頻收音機(jī)的性能測試，包括發(fā)射機(jī)的測量和接收機(jī)測量。

3 系統(tǒng)架構(gòu)
    該系統(tǒng)采用FPGA+OMAP結(jié)構(gòu)。為了提高輸入信號功率的動態(tài)范圍，模擬信號處理模塊的系統(tǒng)設(shè)計主要包括兩個數(shù)字控制衰減器芯片的輸入和輸出的射頻信號功率控制。即使沒有連接到模擬前端，通過射頻電纜，建立短波和超短波通信的一部分。
    無線電路徑和音頻路徑：這兩個信號通路的硬件平臺，射頻信號和音頻信號通過ADC進(jìn)行模擬到數(shù)字的轉(zhuǎn)換，然后將數(shù)字前端處理在FPGA做后續(xù)OMAP算術(shù)運(yùn)算。根據(jù)功能，硬件系統(tǒng)分為五個部分：1)模擬信號處理單元；2)模擬到數(shù)字／數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換裝置；3)數(shù)字前端的單元；4)控制／數(shù)字信號處理單元；5)其他。

4 多核軟件無線電平臺軟件設(shè)計
    根據(jù)功能需求，基于平臺FPGA+OMAP數(shù)字信號處理架構(gòu)，開發(fā)了一個軟件平臺和描述的軟件平臺來實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵要素。
    OMAP初始化步驟如下：
    (1)內(nèi)部ROM指令執(zhí)行的基本配置和初始化。
    (2)創(chuàng)建一個引導(dǎo)設(shè)備列表。根據(jù)系統(tǒng)啟動的狀態(tài)引腳，創(chuàng)建列表，包含設(shè)備的代碼，可以查詢到啟動程序映像。
    (3)啟動程序，逐一檢查設(shè)備在引導(dǎo)列表中的表示，一旦設(shè)備存在，并獲得正確的命令，從設(shè)備開始。
    (4)如從內(nèi)存中讀取數(shù)據(jù)存儲設(shè)備。
    (5)運(yùn)行的圖像文件。
4．1 軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計
    這個系統(tǒng)分為遠(yuǎn)程管理，顯示控制和信號處理三部分，遠(yuǎn)程管理由PC主機(jī)和OMAP實(shí)現(xiàn)，顯示控制部分由OMAP的MPU子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，數(shù)字信號處理部分由FPGA和OMAP的IVA子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。該軟件系統(tǒng)包括以下子模塊：1)遠(yuǎn)程管理；2)顯示控制；3)算法。
    遠(yuǎn)程控制軟件在PC機(jī)上運(yùn)行，使用Visual Studio 2005進(jìn)行開發(fā)，通過Socket接口與OMAP平臺進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信。OMAP平臺ARM端使用嵌入式操作系統(tǒng)，在該操作系統(tǒng)上建立應(yīng)用程序，包括文字界面應(yīng)用程序和UI界面應(yīng)用程序。OMAP平臺DSP端使用DSPBIOS操作系統(tǒng)，與ARM端通過DSP Link進(jìn)行通信。
4．2 OMAP35x DVEVM軟件開發(fā)環(huán)境移植
    OMAP系統(tǒng)由兩部分主機(jī)子系統(tǒng)和IVA子系統(tǒng)、主機(jī)子系統(tǒng)完整的控制系統(tǒng)、IVA部子系統(tǒng)聯(lián)合FPGA來完成軟件無線電算法。
4．3 OMAP軟件框架程序設(shè)計
    該系統(tǒng)采用了Codec Engine框架進(jìn)行MPU子系統(tǒng)和IVA子系統(tǒng)之間的通信。從GPP端的應(yīng)用程序開發(fā)的角度來看，Codec Engine是一系列的APT。
4．4 FPGA SelectMAP驅(qū)動程序設(shè)計
    OMAP系統(tǒng)直接配置FPGA，從SelectMAP配置模式，根據(jù)時序要求設(shè)計和編寫代碼和編譯驅(qū)動程序模塊，使用write()系統(tǒng)函數(shù)調(diào)用加載模塊，F(xiàn)PGA配置是成功的，需要約3s時間。
4．5 OMAP與FPGA接口程序設(shè)計
    FPGA被視為在這個系統(tǒng)中的外設(shè)存儲器。OMAP使用GPMC接口接入到FPGA的內(nèi)部共享空間。
    GPMC中的OMAP地址空間的共8個選區(qū)(CS)片，其中NAND快閃記憶體和CS3的網(wǎng)絡(luò)接口。該系統(tǒng)采用FPGA芯片選擇信號CS4中。

5 OMAP多核軟件無線電平臺驗證
    為了測試系統(tǒng)的完整性和正確性，需要按表1所列項目進(jìn)行測試和驗證。

    在此基礎(chǔ)上編寫了基于OMAP多核軟件無線電平臺的射頻頻率測量和FM信號源程序，從而驗證該平臺功能達(dá)到了設(shè)計目標(biāo)。