1、DSP 在实时信号模拟器中的应用通信、雷达等数字信号处理系统的设计中，信号模拟器发挥着至关重要的作用。模拟器用来模拟实际工作过程中信号处理系统的各种输入信号，从而方便了系 统调试。可以利用现有仪器模拟这些信号，也可以设计专门的模拟器。这两种方法各有特点：仪器模拟省去了模拟器的设计和调试过程，比较方便；但有时现有仪器 并不能完全满足系统测试的要求，另外有些仪器的价格相当昂贵（专用的信道仿真设备一般在 24000 到 500000 美元之间1）。因此，在信号模拟的方 法上应视实际情况而定：对于 ADC 这样输入信号比较简单的的系统，可以利用任意波形发生器这些测试仪器进行测试；而对需要多输入或输入信
2、号种类比较多的系 统一般需要设计专用的模拟器。一般来说，能用容易得到仪器完成的信号模拟不需要设计专用模拟器。 近年来，随着电子技术的飞速发展，DSP、FPGA 的性能得到很大提高的同时，其价格也在下降。因而，使 DSP、FPGA 得到了广泛的应用。另 外，支持即插即用的 USB 总线技术，可以方便地完成与计算机的连接。本文利用DSP、FPGA 完成了一个基于 USB 总线的可编程信号模拟器，该模拟器可以 应用到雷达、通信等领域，尤其是无线个人网（WPAN）方面。 本文首先介绍模拟器所能完成的功能；接下来将对该模拟器的系统结构进行介绍；在第三部分，详细介绍各部分硬件的功能；在第四部分，介绍各部分
3、软件结构；最后各该模拟系统的性能指标，以及模拟 WPAN 信号的方法。 1 模拟器的系统结构和功能 本模拟器的核心处理芯片采用 TI 的 TMS320VC5402，该芯片是一款性价比较高的 16bits 定点 DSP 处理器。系统结构如图 1 所示。该模拟器由 4 个外部接口：USB 接口、双路模拟输出接口、数字量输出接口、用户可编程输出接口等。其中 USB 接口负责模拟器与计算机之间的通 信，接收 PC 发送来的命令，向 PC 发送模拟器状态等；双路模拟/数字量输出接口以不同的方式将模拟结果送出系统；用户可根据自己的需要编程产生一些自定义 数字量/PWM 等信号经过用户可编程接口输出。该模拟
4、器可以由 PC 机控制，产生 I/Q 两路信号进行模拟和数字量输出。预留有用户可编程接口，方便用户和其 它系统进行无缝连接，如：RF 模块等。 2 模拟器硬件组成 2.1 DSP 处理器 该模拟器用到 2 个 DSP 处理器（TMS320VC5402），其处理能力可达100MIPS。其中 DSP1 负责控制 USB 接口芯片，与 PC 进行 通信。并将接收到的数据和命令进行处理后，经 FIFO 或多缓冲同步串口（McBSP）与 DSP2 进行通信。DSP2 进行最后的处理，产生相应的波形送给 FIFO；同时向 FPGA 发送相应命令。FPGA 根据命令控制 DAC、及各输出接口，将波形数据输出
5、。从而实时产生模拟数据和波形。 TMS320VC5402 片内有 16K16bitsDARAM 可以满足一般系统的处理要求，但考虑到系统扩展，在本系统中预留有外部 RAM。该外部 RAM 可以分配为数据空间或程序空间，进行不同空间的大小扩展。 从系统结构图中可以看出，模拟器的数据流是单向的。DSP 的数据总线为16bits 宽，利用两片 8bits 异步单向 FIFO （IDT72v01）进行宽度扩展，组成一个 16bits 的单向 FIFO 进行数据传输。可以将数据从 DSP1 传送到 DSP2，由DSP2 传送到各输出接 口。另外，我们利用两个 DSP 的 McBSP 进行一些关键参数、及
6、需要进行双向传输的数据进行通信传输。FIFO 通信时，将其空/满标志经过译码连接到对应 DSP 的 READY 信号上。这样 DSP 在进行 FIFO 读写时，不会出现空读、和漏读现象。从而可以保证数据传输的可靠性和实时性。 2.2 USB 总线接口 USB 总线是一种通用的计算机串行接口总线标准，可以连接多个设备。USB总线标准目前有：1.0、1.1 和 2.0 多个标准。其中：1.0、 1.1 标准最高提供12Mbps 的传输速率；2.0 标准最高提供 480Mbps 的传输速率。在该模拟器中，采用 1.1 标准的 USB 接口芯片 USBN9602/3。 USBN9602/3 是美国国家
7、半导体公司生产的一款支持 USB1.1 标准的接口芯片。该芯片提供多种数据接口方式（8bits 并口、并口复 用、和MICROWIRE/PLUS），方便与控制器进行连接。相对来说，8bits 并口访问方式，访问简单读取速度比较快。该模拟器利用 DSP 对 USBN9602/3 进行控制，其数据线和地址线访问比较方便，因此采用 8bits 并口访问方式。USBN9602/3 中断信号通知 DSP 进行时间处理。2.3 可编程逻辑器件 本模拟器中两个 DSP 的外围器件的译码由一片 CPLD 完成。该 CPLD 根据DSP 的 PS、DS、IS、MSTROB、IOSTROB、WR、以及地址线译码得
8、到外围器件（USBN9602/3、FIFO、RAM）的片选、读写等信号。 输出接口部分的 FPGA 负责完成对 DAC、及 FIFO 的控制，产生他们需要的片选、读写、时钟等信号。模拟器中采用 alteral 公司的 FPGA，在该器件中设计了多个 PWM 输出控制器、多个数字量输出控制寄存器。DSP2 可以按照访问USBN9602/3 的方式访问 FPGA，对 FPGA 内部的寄存器进行操作。从而进行 PWM和数字量输出。此外用和还可以根据自己的要求设计相应的功能，以满足不同用户的要求。alteral 公司的 FPGA 由多种在线可编程方式，为了方便用户升级，我们采用 8 位并行加载方式。用
9、户生成的下载文件经 USB 口传送给 DSP1，由DSP1 经过其总线下载导 FPGA 中。从而减少了利用 EPROM、JTAG 等其他方式加载时，对硬件进行的 EPROM 烧写、插拔等其他操作。对编程时 FPGA 和模拟器正常使用时一样，无需 对硬件进行操作，做到了完全在线编程。 2.4 DAC 模拟输出 本模拟器采用 AD 公司的 8-Bit 双路发射机用 DAC AD9709 作为数模转换芯片。该芯片的最大转换速率可达 125MSPS，可以应用到通信、基站、数字合成、三维超声等领域。AD9709 的数字输入端有 双路并行、交织输入两种模式。我们采用能充分利用数据带宽的双路并行输入方式。A
10、D9709 模拟输出为两路差分信号，运放 AD8041 完成差分转单端。其 功能框图如下：3 软件结构 本模拟器的软件包括 DSP 和 FPGA 两部分。DSP1 软件包括：USB 控制，数据接收、处理、传输，FPGA 配置，DSP2 的引导等工作。 DSP2 软件相对较少，DSP1 送来的数据进行处理，将处理后的数据送到各接口处，并控制各接口的工作状态。FPGA 完成数字、模拟各接口的具体控制。图 3 为两个 DSP 的程序流程。图 3 两个 DSP 的程序流程 系统引导方式（Bootloader）。TMS320VC5402 本身提供多种引导方式：HPI、串行 EEPROM、并口、标准串口（
11、McBSP0、 McBSP1）、及 IO 引导方式等。该系统的程序存放在 FLASH 中，该 FLASH 由 DSP1 访问。因此，DSP1 采用并口引导，DSP2 采用 McBSP0 引导。在系统启动时，首先 DSP1 从并口将 FLASH 中的对应程序引导到 DSP1 的程序存储空间中，并执行相应程序。接着，DSP1 从 FLASH 中读取 DSP2 的程序，将该数据经 McBSP 口传送给 DSP2 的 McBSP0，对DSP2 进行引导。在两片 DSP 引导、及运行过程中，利用 BIO 和 XF 引脚进行握手，从而对整个系统的运行进行同步和协调。 DSP1 的处理流程如图 3 中左图所
12、示，DSP1 完成除了完成上面提到的两个DSP 的引导外。还要完成 USB 控制、控制 FPGA、处理数据、向 DSP2 传输数据。DSP1 根据 USBN9602/3 的中断信号，读取 USB 的状态，判断，进行相应的控制（其中自然包括 USB 的枚举过程）。两个 DSP 之间由 BIO 和 XF 引脚进行握手，是并行系统的握手信号，对整个程序的协调执行进行同步。 DSP2 根据 DSP1 发送的命令，对数据进行相应处理，并向 FPGA 发送控制字，调整 FPGA 的状态。由 FPGA 控制 DAC、数字、PWM 等接口的工作。 4 应用 综上所述，该模拟器具有数字模拟输出接口，可以方便地和
13、 PC 及进行连接控制。其性能较高，最高输出带宽可达 50MHz。该模拟器经编程可以满足雷达、通信等领域应用的要求。下面以其在信道实时仿真中的应用，说明其应用过程。信道仿真在通信系统设计中必不可少的，因此设计一个 WPAN 信道实时仿真系统具有一定的实用价值。WPAN 有着广阔的前景，目前 802.15.4 标准尚未 确定，商用设备没有出现。尚处于开发研制阶段，而对于系统性能的调试、测试来说，信道实时仿真至关重要。我们知道，WPAN 的数据率一般不大，在 Kbps 量级，也就是说信道仿真系统的数据吞吐率和数据处理量将不会太大。该模拟器 DSP1 通过 USB 接收 PC 机发送来的 MAC 数
14、据，DSP1 种的发射机程序完成对数据的编码调制，产生相应的波形数据；该数据经过 FIFO 传送到DSP2，DSP2 的信道模型程序模拟 WSSUS 信道处理数据，并向 FPGA 发送控制字，调整 DAC 的工作状态，经 FIFO 将波形数据送到 模拟和数字输出接口。另外，用户自定义接口，模拟用户的特定的信号，可以和一些其他电路模块进行连接，以满足其他需要。例如，连接上 RF 模块就可以将波形 数据发送到对应的无线信道等等。 5 结论 利用 DSP+FPGA 完成的模拟器具有良好的实用性和可编程性，适合雷达、通信等不同领域的应用。USB 接口，可以利用 PC 机方便地进行通信和数据分析。多种输出接口模拟、数字、用户自定义接口更加扩展了应用领域。
