小型化低功耗數(shù)字信號處理器設計

摘要：隨著電子技術的不斷進步，一些原本只能安裝在較大平臺的通信設備通過小型化、低功耗設計已經能夠加裝在較小的平臺上，而通信設備的加裝會使這些平臺的信息化程度大幅提升，從而適應更多的應用場合。為了實現(xiàn)通信設備的小型化和低功耗，文章給出了通信信號處理器的小型化和低功耗設計方法。

關鍵詞：NCO；FPGA；DSP；數(shù)字上變頻器

0 引言

隨著各類武器平臺向信息化、網絡化的方向發(fā)展，各類小型、超小型平臺，如空空導彈、小型無人機等，對通信設備的需求日趨迫切。此類平臺由十體積小、載荷低，采用電池供電，無法承載主要由模擬部件或半數(shù)字化部件組成的結構尺寸、重最、功耗都較大的通信設備。尤其是通信信號處理器，由于受到關鍵元件技術水平的限制，其結構尺寸、功耗等往往無法實現(xiàn)小型化，因而嚴重制約了通信設備適裝超小型平臺的技術可行性。

數(shù)字電路技術的突飛猛進使得通信信號處理器的小型化成為可能。以大容量、高速FPGA以及低功耗、大位數(shù)、高采樣速率A／D轉換器為核心的新一代數(shù)字處理器技術，使原先需要大量數(shù)字元件實現(xiàn)的功能都被集成到了幾個可編程的元件中，故可使得電路的面積縮小到原先的十分之一到幾十分之一，同時整體功耗卻降低了一半以上。如擴頻通信中的核心處理部件(相關器)用模擬器件實現(xiàn)時，其體積將很大，且信號處理能力較低，無法滿足碼速率超過5 Mbps的信號速率。而以大容量FPGA為電路基礎構件的數(shù)字處理系統(tǒng)，則徹底剔出了模擬信號處理系統(tǒng)的種種缺陷。因此，只要選取合適硬件資源的FPGA，就可以將若干個數(shù)字相關器集嵌入到單一的一片F(xiàn)PGA中，而不改變任何電路面積。

高速A／D技術的進步，已經使通信信號處理器由模擬電路發(fā)展為數(shù)字中頻處理器系統(tǒng)，其中頻信號可通過A／D采樣轉換成單純的采樣數(shù)字流，從而真正實現(xiàn)信號處理算法的全數(shù)字化。

1 設計架構和部件選擇

1．1 通信信號處理器的電路構架

最小化通信處理器架構可由FPGA+DSP構建，圖1所示就是一種典型的信號處理器架構圖。其中，F(xiàn)PGA用于完成上下變頻、編譯碼、調制解調、同步捕獲等信號處理算法；DSP則用于完成信息的打包、拆包以及一些復雜協(xié)議的處理。

1．2 高集成度低功耗數(shù)字處理部件的選型

設計低功耗、小型化信號處理系統(tǒng)的關鍵是在保證系統(tǒng)性能的前提下，精簡不必要的功能，同時選擇功耗最優(yōu)的芯片來構建最優(yōu)電路配置。

(1)A／D采樣器的選擇

A／D采樣器的選擇既要考慮A／D采樣器的性能，又要滿足系統(tǒng)所要求的動態(tài)范圍和性能指標。評估A／D采樣器的性能指標主要有采樣位寬、無雜散動態(tài)范圍(SFDR)、信噪比(SNR)、轉換速率、量化靈敏度等。一般采樣寬度越寬，動態(tài)范圍越大。

凌特公司推出的14位125Msps雙通道高速模數(shù)轉換器LTC2285，其單通道功耗僅395 mW，采用9 mm×9 mm的QFN封裝，可以為高速小型化低功耗設計提供有力幫助。LTC2285與典型的14位采樣器AD6645相比，具有不可比擬的優(yōu)點。表1所列是這兩種器件的主要參數(shù)比較。

(2)數(shù)字上變頻器的選擇

AD9957內部集成有大最的硬件資源，包括正交數(shù)字上變頻器、濾波器、時鐘倍頻器、D／A轉換器、增益控制器、參數(shù)寄存器、波形存儲RAM、SPI接口控制器等。通過對AD9957內部信號參數(shù)寄存器的配置，可產生多種復雜波形。其正文輸入信號速率達250 MHz，模擬輸出信號頻率最高可達400 MHz，且相位噪聲小于125 dBc／Hz。

通過內置的8個鍵控波形存儲寄存器，可以通過控制信號對所存儲波形進行切換，以實現(xiàn)MSK、BPSK QPSK、8PSK、MFSK等多種高速率的調頻、調相信號。14 bit的D／A可實現(xiàn)84 dB輸出信號動態(tài)范圍。

(3)FPGA的選擇

FPGA是數(shù)字信號處理器的核心器件，主要負責完成編碼、調制、濾波、同步、解調、解碼等處理過程。FPGA的選型首先要滿足信號處理器的需求，同時要兼顧系統(tǒng)功耗。

ARRIA II GX系列是ALTERA公司的中檔級FPGA，具有快速收發(fā)器、LVDS和存儲器，能以低成本和低功耗實現(xiàn)豐富的功能。EP2AGX125具有124100個LE、18×18乘法器576個、高速收發(fā)器12個，而且性能適中，適合處理碼速率在20 Mbps以下、中頻載頻低于200 MHz的中頻采樣系統(tǒng)；而STRATIX系列FPGA性能比較高，它含有更多的硬件資源，但功耗過大；功耗最低的CYCLONE系列FPGA的處理能力較弱，適合于碼速率5 Mbps以下、中頻載頻70 MHz以下的中頻采樣系統(tǒng)。

(4)DSP的選擇

DSP也是通信信號處理系統(tǒng)不可缺少的硬件資源，例如數(shù)據(jù)的打包／解包、統(tǒng)計、調度、信道參數(shù)的下發(fā)、低實現(xiàn)性的信號處理算法通過DSP編程實現(xiàn)起來比較容易。同樣的處理功能，若采用FPGA邏輯電路實現(xiàn)難度極大，同時消耗的硬件資源巨大，雖然可以通過并行運算大幅提高算法速度，但由于電路復雜度過高，因而會帶來不必要的設計障礙和調試困難。尤其是對于大量浮點數(shù)據(jù)的處理，DSP相對FPGA具有較大的優(yōu)勢。

通常，DSP的選型關鍵是內核處理能力和總線吞吐能力兩個技術指標。如果需要系統(tǒng)進行浮點數(shù)據(jù)處理，還應考慮其浮點數(shù)據(jù)的處理能力。根據(jù)工程經驗，對于低功耗通信信號處理的應用場合，DSP內核應選取低于300 MHz的定點或浮點處理器，外總線位寬在32 bit以下，外總線吞吐能力高于通信碼速率5～10倍以上即可，這樣可以在每個時隙的末尾快速讀取或下發(fā)收／發(fā)數(shù)據(jù)。一般DSP內核的速率不必太高，因為大量的實時信號處理已經通過FPGA完成，DSP僅作為后端數(shù)據(jù)處理部件，因此，過高的內核時鐘會帶來不必要的功耗開銷。

綜上所述，ADI公司的ADSP 21369是較為符合以上技術特點的低功耗、高性能浮點DSP，該器件的內核時鐘最高可達333 MHz，32 bit外總線可工作在10 MHz以上速率，對于20 Mbps信道碼速率通信系統(tǒng)具有16倍的數(shù)據(jù)吞吐能力，而該芯片全速工作的功耗也不會超過1 W，是較為理想的通信信號處理器數(shù)據(jù)處理部件。

2 小型化低功耗設計

根據(jù)現(xiàn)有技術水平和信號處理器小型化、低功耗設計的技術要求，結合應用場合的實際要求，并以處理基帶碼速率為20 Mbps，以BPSK信號為調制方式的通信系統(tǒng)為例，給出以最優(yōu)數(shù)字電路配置來構建小型化、低功耗信號處理器設計方法。

本系統(tǒng)的A／D采樣器采用LTC2285。若以雙通道14 bit位寬、80 Mbps采樣速率來對輸入載波頻率為100 MHz、碼速率20 Mbps的BPSK信號進行帶通采樣，可滿足20 dB以上動態(tài)范圍的設計需要。此外，該芯片的休眠功能特別適合時分多址體制下的低功耗需求。當系統(tǒng)處于發(fā)射時隙或休止時隙時，可以關閉A／D采樣器內核，使其處于最小工作狀態(tài)，從而進一步降低功耗。另外，LTC2285采用單電源供電，外圍電路設計簡單，也對降低電路復雜度和規(guī)模幫助較大。

該數(shù)字中頻處理系統(tǒng)中的核心處理器件采用ALTERA公司的EP2AGX12515，其內部資源可滿足對兩路A／D采樣器輸入的80 MHz數(shù)據(jù)流進行相關信號處理，包括正交基帶下變頻、數(shù)字低通濾波、數(shù)字相關，正交相關峰合成、載波相位跟蹤、同步捕獲、定時點提取等數(shù)字信號處理。該FPGA內部的大量乘加器資源還可實現(xiàn)高速率、高階數(shù)的FIR濾波器。

由于大量的分布式RAM是構成數(shù)字延遲線的理想硬件資源，因此，通過RAM構建數(shù)字信號延遲線不僅可以大量節(jié)約寶貴的LE資源，同時也可以使設計軟件的布線難度大大降低、信號的傳遞延遲減小，并使系統(tǒng)信號處理速率的裕度提高，有利于滿足系統(tǒng)對工作環(huán)境的適應性要求。此外，同樣功耗下，大量采用RAM實現(xiàn)信號處理算法的效率最高。如擴頻通信系統(tǒng)中重要的數(shù)字信號處理部件——數(shù)字相關器，其主要電路構建就是數(shù)字延遲線。實現(xiàn)數(shù)字相關處理時，數(shù)字延遲線至少能夠存儲4倍擴頻碼長度的數(shù)據(jù)。以20 Mbps BPSK信號的系統(tǒng)為例，若其同步信號段采用64 bit的擴頻碼，要實現(xiàn)對每個輸入擴頻字符進行相關處理，就必須采用256級數(shù)據(jù)延遲線輸入對數(shù)據(jù)碼流進行存儲。如果輸入碼流的位寬為16 bit，則僅實現(xiàn)一條延遲線就至少消耗4 000個LE資源，對于采用正交方式的信號處理算法，實際上需要對I、Q兩路數(shù)據(jù)流進行

存儲，因而需要8 000 LE，這對于FPGA是一個不小的開銷，而采用RAM資源，則所占全部資源的比例極小。

ALTERA的ARRIA系列FPGA的另一個重要特點是其垂直可移植性非常好，同樣封裝的芯片具有較大范圍的不同容量可互換性，也就是說，在不改變任何硬件電路板的前提下，小規(guī)模芯片可直接替換大規(guī)模芯片。因此，采用該系列芯片在設計的初期可以選用規(guī)模較大的芯片，當完成設計后，可以根據(jù)實際的硬件資源消耗情況重新選擇同系列中的小容量FPGA。這種高度靈活性不但保證了信號處理器算法由于資源消耗不確定性所帶來的選型困難，同時可為最大限度地降低功耗提供一條可行的路徑。

在該數(shù)字信號處理系統(tǒng)中，數(shù)字上變頻器也是數(shù)字信號處理的一個關鍵。如果采用單純的D／A來產生100 MHz中頻調制波形，至少要以4倍以上的信號輸出速率來產生相應波形，這給FPGA的信號數(shù)據(jù)傳輸帶來了較大困難。若采用FPGA高速收／發(fā)器實現(xiàn)上變頻碼流的輸出，系統(tǒng)功耗又會大幅提高，不利于功耗的降低。而如果采用AD9957，則可以通過其正交方式或單音頻方式產生高質量中頻調制波形，而其總功耗比

其他設計方案要低，同時可大大簡化波形產生難度。

除了上述主要的數(shù)字處理器部件外，該數(shù)字信號處理系統(tǒng)還在保證性能的前提下，大量采用了多種低功耗的數(shù)字芯片，包括DSP、RS422／485接口等。同時，許多接口處理時序邏輯均嵌入FPGA內實現(xiàn)，因而精簡了電路，并使獨立芯片的某些不需要的功能得以裁減，從而使電路得到優(yōu)化，也從總體上降低了功耗和電路的規(guī)模。

基于上述小型化、低功耗設計方法途徑構建的高性能、高集成度、低功耗數(shù)字中頻通信信號處理系統(tǒng)的原理框圖如圖2所示。經實際測量，該系統(tǒng)存全速工作下的整板功耗為9 W，遠遠小于12．5 W的設計指標。

3 結語

對于數(shù)字信號處理系統(tǒng)，最好的設計方案就是在實現(xiàn)基本功能和性能的前提下，將全部的功能部件集成在一個芯片內，包括信號處理算法電路、接口電路、定點／或浮點DSP、微控制器，甚至是高性能的A／D和D／A在內。這樣的數(shù)字處理系統(tǒng)稱為SoC、(片上系統(tǒng))，其主要特點是集成度高、功耗低、資源最優(yōu)、處理速度快、信號延遲小。具有上述優(yōu)點的SoC是實現(xiàn)小型化、超低功耗數(shù)字信號處理系統(tǒng)的重要技術于段，也是實現(xiàn)信號處理領域的前瞻性發(fā)展趨勢。

受半導體工藝水平的限制，目前尚無法將諸多數(shù)字處理功能集成在單一的芯片內，尤其是高速A／D采樣器這種同時具有數(shù)字和模擬兩種電路特性的功能部件以非獨立部件植入可編程邏輯器件內時，其技術難度仍然較大，因此，要實現(xiàn)真正意義上的片上系統(tǒng)，還有許多技術難關需要攻破。盡管如此，業(yè)界已經在SoC的技術道路上向前突進了一大步，ALERA公司推出的內嵌ARM處理器和浮點協(xié)處理器的28 nm工藝FPGA即將推出，若通過該系列FPGA構建通信信號處理系統(tǒng)，可以使原先必須的DSP+FPGA的基本電路構架，簡化成單一的FPGA電路構架，從而較大程度上降低了功耗和電路面積，使信號處理器小型化向前邁進一大步。