基于FPGA+DSP的高速中頻采樣信號(hào)處理平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)

摘要：高速中頻采樣信號(hào)處理平臺(tái)在實(shí)際應(yīng)用中有很大的前景，提出采用FPGA+DSP的處理結(jié)構(gòu)，結(jié)合高性能A／D和D／A處理芯片，設(shè)計(jì)了一個(gè)通用處理平臺(tái)，并對(duì)其主要性能進(jìn)行了測(cè)試。實(shí)驗(yàn)與實(shí)際應(yīng)用表明，該系統(tǒng)具有很強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力和很好的穩(wěn)定性。
關(guān)鍵詞：高速中頻；信號(hào)處理；FPGA；DSP

0 引言
    現(xiàn)代社會(huì)正向數(shù)字化、信息化方向高速發(fā)展，在這一過(guò)程中，往往需要高速信號(hào)的實(shí)時(shí)性數(shù)字化處理。例如，隨著科技的進(jìn)步，現(xiàn)代雷達(dá)等應(yīng)用信號(hào)的數(shù)字化處理上有了長(zhǎng)足的發(fā)展，但也帶來(lái)了新的問(wèn)題，這些應(yīng)用的數(shù)字信號(hào)處理具有海量運(yùn)行需求的應(yīng)用背景，如巡航導(dǎo)彈末制導(dǎo)雷達(dá)地形匹配、合成孔徑雷達(dá)的成像處理、相控陣?yán)走_(dá)的時(shí)空二維濾波處理等領(lǐng)域。目前，單片DSP難以勝任許多信號(hào)處理系統(tǒng)的要求。而常見(jiàn)的解決方案也是高速A／D采樣與信號(hào)處理功能是在多塊不同的板卡上實(shí)現(xiàn)，這給實(shí)際應(yīng)用帶來(lái)很多不便。
    鑒于上述現(xiàn)有技術(shù)所存在的問(wèn)題，本設(shè)計(jì)平臺(tái)的目的是：
    (1)實(shí)現(xiàn)高速中頻信號(hào)(如雷達(dá)信號(hào))的數(shù)字化處理并進(jìn)行實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)或進(jìn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)計(jì)算，并能通過(guò)輸出電路進(jìn)行結(jié)果顯示；
    (2)自定義控制總線可以實(shí)現(xiàn)對(duì)高速中頻信號(hào)處理板進(jìn)行靈活控制，具有較強(qiáng)的可配置性和豐富的靈活性；
    (3)高速A／D采樣與D／A回放及數(shù)據(jù)處理單元集成在一塊板上，在集成度高的同時(shí)也降低了高速信號(hào)在傳輸過(guò)程中出現(xiàn)差錯(cuò)的概率。

1 平臺(tái)設(shè)計(jì)方案
    高速中頻采樣信號(hào)處理平臺(tái)由主控制電路、高速A／D與D／A電路、信號(hào)處理單元電路、光纖通道電路、時(shí)鐘管理電路、存儲(chǔ)單元和外部接口電路組成，其總體框圖如圖1所示。

    在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，四路A／D通道可以接收不同的信號(hào)源的信號(hào)，D／A通路可以對(duì)外進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示等多種功能，時(shí)鐘管理電路管理內(nèi)外時(shí)鐘的使用及對(duì)板上系統(tǒng)供給工作時(shí)鐘，兩路光纖通道可以與其他高速設(shè)備相連接，自定義總線可以與CPU或主控制器相連接對(duì)平臺(tái)進(jìn)行有效靈活的控制。[!--empirenews.page--]
1．1 高速A／D與D／A設(shè)計(jì)
    四路高速A／D采樣通道采用兩片NS公司的ADC081000實(shí)現(xiàn)，每片有兩個(gè)A／D通道，相比多片A／D器件的通道間相位恒定設(shè)計(jì)是一個(gè)難點(diǎn)而言，單片A／D器件可以更容易實(shí)現(xiàn)兩路通道間的相位恒定。ADC081000是一款高性能的A／D采集芯片，單通道8 b采樣頻率為1 GHz。本平臺(tái)中A／D通道間采樣數(shù)據(jù)的相位恒定是利用采樣時(shí)鐘相位間的恒定來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在設(shè)計(jì)時(shí)，使時(shí)鐘芯片到兩片A／D器件間的時(shí)鐘線等長(zhǎng)，兩片A ／D器件到FPGA間的時(shí)鐘線與數(shù)據(jù)線也分別等長(zhǎng)，并且還利用一片F(xiàn)PGA設(shè)計(jì)了對(duì)兩片A／D器件的軟啟動(dòng)控制，這就更保證了四路通道間采樣時(shí)鐘的相位恒定。
    兩路高速D／A通道采用兩片AD公司的AD9736實(shí)現(xiàn)，AD9736單通道14 b，采樣頻率可達(dá)1 200 MSPS。兩路高速D／A通路也利用一片F(xiàn)PGA作控制，實(shí)現(xiàn)通道間相位差的恒定。
1．2 信號(hào)處理單元設(shè)計(jì)
    信號(hào)處理單元包括FPGA和DSP兩大部分。
    FPGA部分主要由四片Virtex-4 SX55組成，四片F(xiàn)PGA間實(shí)現(xiàn)有串行連接和相隔間的連接。FPGA電路主要是實(shí)現(xiàn)對(duì)高速A／D采集數(shù)據(jù)的預(yù)處理和高速D／A回放數(shù)據(jù)處理，并且控制高速A／D電路采樣時(shí)鐘的相位恒定與高速D／A電路采樣時(shí)鐘的相位恒定，同時(shí)也根據(jù)需要與相應(yīng)的DSP進(jìn)行數(shù)據(jù)交換或傳遞。FPGA電路上連接的光接口電路也可以實(shí)現(xiàn)與其他系統(tǒng)進(jìn)行高速、實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)交換。
    A／D采樣之后的數(shù)字信號(hào)速率非常高，要從這些高速信號(hào)中得到有用的基帶信號(hào)，需要有效地對(duì)其進(jìn)行數(shù)字下變頻、抽取、濾波等處理，這些功能都可以通過(guò)FPGA來(lái)實(shí)現(xiàn)。FPGA具有較高的處理速度和較高的穩(wěn)定性，同時(shí)又具有設(shè)計(jì)靈活、易于修改和維護(hù)的優(yōu)點(diǎn)，可以適應(yīng)不同系統(tǒng)的要求，提高了系統(tǒng)的適用性及可擴(kuò)展性。
    DSP電路是本平臺(tái)信號(hào)處理的核心，完成大部分的數(shù)據(jù)處理工作，由四片ADSP TS201組成，四片DSP間實(shí)現(xiàn)了兩兩間的Link口互連，構(gòu)成了分布式并行系統(tǒng)，可以把復(fù)雜的算法分割成小的任務(wù)給各處理器完成，從而減少任務(wù)的執(zhí)行時(shí)間。
    根據(jù)設(shè)計(jì)需要，平臺(tái)數(shù)據(jù)的傳輸量很大，多DSP之間的數(shù)據(jù)傳輸速度尤為重要，采用Link口來(lái)傳輸數(shù)據(jù)，可以在不增加輔助電路的前提下，DSP間的直接互聯(lián)。而且，基于Link口的數(shù)據(jù)傳輸采用專(zhuān)門(mén)的數(shù)據(jù)通道，不占有系統(tǒng)總線資源，消除了傳輸過(guò)程中的總線仲裁，減少了網(wǎng)絡(luò)延遲帶來(lái)的不確定因素。四片DSP間Link口的傳遞數(shù)據(jù)能力高達(dá)600 MB／s。
    DSP主要是通過(guò)軟件設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)字基帶信號(hào)處理以及比特流控制、編碼解碼等高速的數(shù)據(jù)交換和處理功能。對(duì)DSP開(kāi)發(fā)的軟件工具是ADI公司的VisualDSF++4．0，它是TigerSHARC系列DSP的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，支持匯編語(yǔ)言、C語(yǔ)言、C++等開(kāi)發(fā)語(yǔ)言，能讓程序員使用這些工具編寫(xiě)出相對(duì)于特定DSP的高性能應(yīng)用程序，發(fā)揮強(qiáng)大的處理能力。在本平臺(tái)中，每片DSP的地位都是對(duì)等的，能夠根據(jù)不同的要求，硬件結(jié)構(gòu)不用改變，只須在DSP的軟件算法中稍加改動(dòng)，系統(tǒng)就能實(shí)現(xiàn)新的功能。
1．3 主控制電路設(shè)計(jì)
    主控制電路與信號(hào)處理單元電路和外部接口電路相連，其核心是一片規(guī)模較小的FPGA。它主要是控制信號(hào)處理單元的同步復(fù)位及工作控制，可以將從外部主機(jī)接收到信號(hào)傳遞給信號(hào)處理單元，也可將信號(hào)處理單元的有關(guān)信息傳遞到外部主機(jī)中。
1．4 其他主要電路設(shè)計(jì)
    時(shí)鐘管理電路主要是負(fù)責(zé)板上FPGA、DSP、光口、高速A／D與D／A等正常工作所需要時(shí)鐘生成與配置。外部存儲(chǔ)電路是FPGA與DSP正常工作時(shí)所需要的外部RAM空間大小的設(shè)計(jì)。外部接口電路是本平臺(tái)與其他設(shè)備進(jìn)行連接的控制接口。光纖通道電路由兩路光纖通道組成，每路可以工作在2．5 Gb／s，可以與其他系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

2 性能測(cè)試
    決定平臺(tái)性能的指標(biāo)有多個(gè)，選取最主要的三個(gè)進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如下。[!--empirenews.page--]
2．1 A／D采樣的有效位數(shù)
    有效位數(shù)是用來(lái)表述A／D器件的一項(xiàng)總體指標(biāo)，對(duì)精確評(píng)價(jià)系統(tǒng)性能非常重要。對(duì)于A／D采樣有效位的測(cè)試，采用A／D器件的最大量程輸入，在FPGA中取得數(shù)據(jù)，用Matlab來(lái)對(duì)數(shù)據(jù)處理進(jìn)行計(jì)算得到的。四路A／D采樣通道有效位的測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示。

2．2 A／D通道間相位恒定
    A／D通道間的相位恒定指標(biāo)直接測(cè)試比較困難，在平臺(tái)設(shè)計(jì)中已經(jīng)保證了同一芯片兩路A／D通道間的相位差是恒定的，只要測(cè)試兩片A ／D芯片輸出時(shí)鐘相位差是否恒定即可判定。表1中也顯示了兩片A／D器件輸出時(shí)鐘的相位差測(cè)試結(jié)果。
2．3 DSP運(yùn)算速度
    DSP的運(yùn)算速度和精度決定著系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理能力，同時(shí)也會(huì)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的性能和結(jié)構(gòu)產(chǎn)生重要的影響。DSP的處理能力可以用1 024點(diǎn)的復(fù)數(shù)FFT計(jì)算時(shí)間進(jìn)行比較。Link口傳遞速度的測(cè)試，可以將Link口的工作時(shí)鐘設(shè)定在600 MHz，按4 b進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞，如果接收到數(shù)據(jù)沒(méi)有錯(cuò)誤，即可認(rèn)定Link口的工作速率可以達(dá)到600 MB／s。經(jīng)過(guò)測(cè)試，在工作頻率為600 MHz，按4 b進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞的情況下，各個(gè)Link均通過(guò)測(cè)試，也就是說(shuō)每個(gè)Link口工作速率都可以達(dá)到600 MB／s。經(jīng)過(guò)測(cè)試，平臺(tái)上兩個(gè)光口的傳輸速度均達(dá)到了2．5 Gb／s。DSP運(yùn)算速度測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。

3 結(jié)語(yǔ)
    通過(guò)上述測(cè)試結(jié)果可以看出，本平臺(tái)設(shè)計(jì)合理，FPGA與DSP的結(jié)合使用，能充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)高速、多路、海量信號(hào)的實(shí)時(shí)處理。另外，高度集成化設(shè)計(jì)，大大減少了平臺(tái)所占用的空間體積，也使功耗大大減小。平臺(tái)在兵器某所項(xiàng)目驗(yàn)證中，接入實(shí)際雷達(dá)信號(hào)進(jìn)行測(cè)試，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。