基于FPGA/DSP的靈巧干擾平臺設(shè)計與實現(xiàn)

引 言

目前，通信干擾的手段以信號大功率壓制為主，本質(zhì)上屬于物理層能量干擾，存在效費比低，且容易暴露自身目標(biāo)等缺點，而且隨著新的功率控制和信號處理技術(shù)的應(yīng)用，通信大功率壓制干擾手段的應(yīng)用遇到了瓶頸。大功率壓制干擾手段的局限性對研究一種新的小功率靈巧干擾技術(shù)提出了迫切的需求。美國通信干擾專家Richard A．Poisel于2002年首先提出了靈巧干擾(smart jamming)的概念。他指出可以利用接收機(jī)在捕獲輸入信號時間和幀同步信息的過程實施攻擊，這可以看作是靈巧干擾技術(shù)的雛形。當(dāng)前靈巧干擾正成為國內(nèi)外研究的熱點。本文設(shè)計的靈巧干擾硬件平臺正是基于這種背景，可以為靈巧干擾技術(shù)的發(fā)展提供硬件平臺支持。

1 靈巧干擾平臺工作原理

經(jīng)過前端射頻選頻濾波和下變頻后，靈巧干擾平臺將獲得所測頻段范圍的中頻信號送入高速信號處理平．臺。高速信號處理平臺由數(shù)／模轉(zhuǎn)換器(ADC)產(chǎn)生數(shù)字中頻信號，經(jīng)數(shù)字下變頻器(DDC)后送入數(shù)字信號處理器，由數(shù)字信號處理器完成信號的搜索截獲、參數(shù)估計及識別，軟件化的解調(diào)器根據(jù)這些處理結(jié)果選擇適當(dāng)?shù)慕庵S方式和參數(shù)完成解調(diào)，解調(diào)器的輸入來源于經(jīng)過數(shù)字下變頻(DDC)的數(shù)字基帶復(fù)信號，通過對解調(diào)信號的分析，可以進(jìn)一步識別信號的編碼方式等底層信息。最終生成與偵察信號同等樣式或相關(guān)度極大的干擾信號，將能量壓制提升為信息壓制，只要在敵我雙方信息功率上形成一定的信息能量優(yōu)勢就可以取得很好的干擾效果。

平臺功能框圖如圖1所示。

其中，輸入通道功能包括：A／D變換、數(shù)字下變頻；信號處理功能主要有：信號載頻估計、參數(shù)估計、調(diào)制識別、解調(diào)、編碼識別等；靈巧干擾信號生成單元根據(jù)信號處理單元得到的信號參數(shù)生成干擾信號；輸出通道與輸入通道對應(yīng)，將產(chǎn)生的干擾信號變換到相應(yīng)的中頻發(fā)出。

2 平臺總體設(shè)計

2．1 平臺硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

通信偵察信號分析屬于非合作通信環(huán)境下的信號處理，其寬頻帶、多調(diào)制方式、多信號的特點要求信號處理平臺中的處理器具有高性能的處理能力外，還應(yīng)具備較強(qiáng)的通用性、靈活性。隨著大規(guī)?？删幊唐骷陌l(fā)展，采用DSP芯片和可編程邏輯器件相結(jié)合的信號處理平臺顯示出其優(yōu)越性。采用這種結(jié)構(gòu)的信號處理平臺的最大特點是結(jié)構(gòu)靈活，有較強(qiáng)的通用性，適合于模塊化設(shè)計，從而能夠提高算法效率；同時開發(fā)周期較短，平臺易于維護(hù)和擴(kuò)展，特別適合于實時信號處理。近些年，更多的實時信息處理平臺采用了FPGA+DSP的結(jié)構(gòu)，F(xiàn)PGA和DSP協(xié)作發(fā)揮各自的長處，低層的預(yù)處理算法處理的數(shù)據(jù)量大，對處理速度要求高，但運算結(jié)構(gòu)相對比較簡單，適合于用FP～GA進(jìn)行硬件實現(xiàn)，這樣能兼顧速度及靈活性；高層處理算法的特點是處理的數(shù)據(jù)量較低層算法少，但算法的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，適合于用運算速度高，尋址方式靈活，通信機(jī)制強(qiáng)的DSP 芯片來實現(xiàn)。

根據(jù)靈巧干擾平臺功能要求，平臺硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

該平臺采用CPCI結(jié)構(gòu)，主要由A／D，D／A轉(zhuǎn)換及DDC，DUC模塊、DSP信號處理模塊、CPCI總線接口、FPGA高速數(shù)字傳輸、存儲器、PCI橋模塊、CPLD模塊等幾部分組成。主要特性如下：

(1)單通道14 b分辨率，150 MSPS采樣率的高速帶寬ADC AD9254。

(2)寬帶數(shù)字正交下變頻DDC芯片AD6636，支持抽取與濾波。

(3)單通道14 b分辨率，300 MSPS采樣率的高速寬帶DAC AD9755。

(4)寬帶數(shù)字正交上下變頻DUC芯片GC5016，支持抽取與濾波。

(5)處理器之間(包括兩片TMS320C6713 DSP芯片與一片Xilinx Virtex 4 FPGA芯片)實現(xiàn)了多種靈活的高速實時數(shù)據(jù)傳輸與交換通道。

(6)CPCI總線兼容PCI 2．2 64位／66 MHz，支持Master(DMA)／Target burst模式。

FPGA和DSP協(xié)同完成信號處理功能，這里重點說明其協(xié)同原理(見圖3)。

FPGA與DSP主要通過共享EMIF總線上的存儲空間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。存儲器包括：共128 MB的SDRAM，512 KB的SBSRAM，8 MB的非易失FLASH，它將大大提高數(shù)字信號的傳輸與處理速度。DSP外部總線EMIF各種存儲器及設(shè)備資源分配如下：CE0(SDRAM)，CE1 (FLASH)，CE2(SRAM)，CE3(FPGA)。資源分配由FPGA和DSP依靠申請總線決定，因此可以通過重新編程加以修改。對于C671 3來說，EMIF總線為32位，時鐘最高為100 MHz，因此總線的數(shù)據(jù)吞吐率最高為400 MB／s。為了提高總線效率，設(shè)計中FPGA與DSP都可以獨立訪問：EMIF總線上的存儲空間，但不能同時訪問。FPGA作為EMIF總線設(shè)備之一，與 SDRAM，SB-SRAM共享數(shù)據(jù)與地址總線。同時，F(xiàn)PGA也是EMIF總線主設(shè)備之一，與DSP共同管理EMIF總線。也就是說，F(xiàn)PGA也可以主動發(fā)起訪問SDRAM，SBSRAM。因此，F(xiàn)PGA與DSP共享EMIF總線上所有的存儲空間。在默認(rèn)狀態(tài)下，由DSP管理EMIF總線。FPGA通過使能HOLD控制線向DSP申請總線，DSP在處理完當(dāng)前任務(wù)后，響應(yīng)請求，以HOLDA控制線使能作為回應(yīng)，并將自己所有EMIF管腳置為高阻。這時， FP-GA就可以接管EMIF總線，進(jìn)行相應(yīng)的操作。FPGA與DSP進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的另一種方式是通過HPI(主機(jī)口)。TM$320C6713的HPI 是一個16 b寬的并行端口。FPGA作為HPI主設(shè)備與DSP的HPI相連，掌管著該端口的主控權(quán)，通過HPI直接訪問TMS320(26713的存儲空間和外圍設(shè)備。

2．2 平臺軟件設(shè)計

本設(shè)計中，F(xiàn)PGA不僅需要與DSP協(xié)同工作，完成對偵察信號的處理，同時負(fù)責(zé)對整個平臺的控制。信號處理板上與FPGA通訊的接口有：AD／DDC接口、DA／DUC接口、DSP接口、RAM(SRAM／SDRAM)接口及CPCI接口。 FPGA要實現(xiàn)與這些接口的通訊，并協(xié)調(diào)各接口之間的工作時序，調(diào)度各接口之間的數(shù)據(jù)流向。

基于FPGA的控制軟件主要完成以下功能：

(1)程序加載

程序加載分為FPGA的程序加載和DSP的程序加載。FPGA的程序加載是指通過PCI總線來給FPGA加載程序。其加載路徑為：上位機(jī)→PCI總線 →FP-GA。DSP的程序加載是指通過HPI來給DSP加載信號處理程序。其加載路徑為：上位機(jī)→PCI總線→FP-GA→HPI口→DSP。

(2)ADC(DDC)數(shù)據(jù)采集與存儲

此過程是指FPGA把ADC(DDC)數(shù)據(jù)采集并保存在外部存儲器(SDRAM或SRAM)中以備FPGA和DSP處理的過程。其數(shù)據(jù)流路徑為：外部數(shù)據(jù)源→ADC→DDC(只進(jìn)行ADC時DDC省略)→FPGA→SDRAM或SRAM。

(3)數(shù)據(jù)的DMA操作

DMA用于實現(xiàn)上位機(jī)對外部存儲器(SDRAM或SRAM)的數(shù)據(jù)讀寫功能。DMA讀的數(shù)據(jù)流路徑是：外部存儲器→FPGA→DMA→上位機(jī)→二進(jìn)制文件。DMA發(fā)的數(shù)據(jù)流路徑是：上位機(jī)→DMA→FPGA→SDRAM。

(4)配置DDC和DUC

此過程是把DDC和DUC配置文件通過FPGA配置到AD6636和GC5016中。其配置路徑為：上位機(jī)→PCI總線→FPGA→DDC或DUC。

軟件設(shè)計采用Verilog硬件描述語言和模塊化設(shè)計，結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4中，reg_proc模塊是軟件控制的核心部分。通過定義內(nèi)部寄存器接收上位機(jī)的控制字，給各模塊發(fā)出控制信息；pci_infe是FPGA與PCI 總線的接口模塊，實現(xiàn)平臺與上位機(jī)的信號交互；FPGA通過HPI口對DSP的程序加載，由hpi_infe模塊實現(xiàn)；adc_infe和DAC infe實現(xiàn)數(shù)據(jù)的A／D輸入和D／A輸出功能；ddc_config和duc_config完成對DDC及DUC芯片的配置；ram_ctrl模塊實現(xiàn) FPGA對存儲器的讀寫功能，包括SRAM和SDRAM的子模塊程序。此外，程序還設(shè)計了時鐘管理模塊clk_manage，用于產(chǎn)生全局時鐘及復(fù)位信號。

3 試驗驗證

為了驗證平臺能否在程序控制下正確工作，本文編寫了工作于DSP的8 192點FFT驗證程序，實現(xiàn)對輸入信號的FFT變換。

試驗中設(shè)置DDC為70 MHz混頻，DUC 70 MHz中頻輸出，輸入信號為75 MHz正弦波。在FPGA／DSP程序加載和DDC／DUC配置完成后，首先進(jìn)行ADC數(shù)據(jù)采集，把采集得到的數(shù)據(jù)存儲到SRAM中，DSP與SRAM進(jìn)行數(shù)據(jù)交互并在DSP中完成8 192點的FFT運算，計算結(jié)果保存于SDRAM中，經(jīng)DMA方式讀取到上位機(jī)硬盤形成二進(jìn)制文件。同時將混頻后的5 MHz單頻信號從SRAM讀出上變頻到70 MHz輸出。試驗結(jié)果如圖5、圖6所示。

由圖5可知，DMA輸出的FFT結(jié)果顯示處理的下變頻信號為5 MHz，等于預(yù)期值；圖6顯示5 MHz單頻信號經(jīng)上變頻后輸出為70 MHz中頻模擬信號。試驗證明，平臺的軟硬件均能正確工作，實現(xiàn)了設(shè)計目的。

4 結(jié) 語

根據(jù)靈巧干擾平臺功能要求，設(shè)計了基于FPGA／DSP的硬件平臺，采用Verilog HDL及模塊化方法設(shè)計了硬件平臺的控制軟件。試驗結(jié)果表明，靈巧干擾平臺構(gòu)成合理，硬件設(shè)計、軟件設(shè)計可靠，滿足了靈巧干擾平臺的功能要求，為靈巧干擾技術(shù)研究提供了硬件平臺支持，該平臺已成功應(yīng)用于工程項目。