（信号与信息处理专业论文）应用于无线电监测的高速信号处理平台设计.pdf

摘要 摘要 无线电监测的基本任务就是利用监测接收机完成对目标信号的搜索、截获、 调制识别和解调工作，以实现对无线电信号的监管。但是，无线电监测中的信号 通常处于被动接收状态并具有宽频带、多调制方式、多信号、同步序列未知等特 点，无线电监测往往采用宽带接收机，进行高速率的采样以适应不同的码率和调 制方式，其后的解调过程需要采用较复杂的信号处理方式。因此无线电监测的实 现就要求信号处理系统在保证信息连续性的同时还具有多任务并行处理的能力。 本文基于对无线电监测中信号处理技术的分析，设计了高速并行信号处理平 台的硬件方案。该平台基带信号处理模块采用了高性能并行d s p 处理器群+ 大规模 f p g a 的构架；同时系统还具有大容量s d r a m 数据存储和u s b 高速数据接口能 力。本文完成了高速信号处理平台的硬件电路设计和系统重要子模块的功能设计； 通过对系统各模块进行的功能验证、测试及实验结果表明：设计的高速信号处理 平台符合课题要求，加载了特定的算法后可应用于无线电监测领域。本文还研究 了数字下变频器( d d c ) 的f p g a 实现技术，通过引入s y s t e mg e n e r a t o r 软件，为 无线电监测各算法的f p g a 实现提供了一种全新的设计方法。 本文的主要工作如下： 1 分析了无线电监测中的信号处理技术，结合高速信号处理器的特点，合作 完成了用于无线电监测的高速信号处理平台的方案设计和各部分硬件电路设计。 2 独立完成了高速信号处理平台重要子模块的功能设计。其中包括：高速数 字接口与数据转换模块、共享总线d m a 接口模块、f p g a 与d s p 的高速链路口 通信模块、u s b 接口控制器和固件程序、驱动程序、上位机程序的设计，以及m a t l a b 对数据的后处理程序设计。 3 完成了系统各模块的功能测试，各部分均运行正常，满足系统设计要求。 4 针对具体的项目需求，对本系统进行了近一步的研究分析，并给出了包含 a d 6 6 5 4 芯片的多通道并行中频模块的方案设计。 5 分析了数字下变频器的结构，引入了s y s t e mg e n e r a t o rf o rd s p 软件，并使 用该方法实现了d d c 的f p g a 设计。 关键词：无线电监测，并行处理，硬件设计，数字下变频，软件无线电，d s p a b s t r a c t a b s t r a c t t h eb a s i ct a s ko fr a d i om o n i t o ri st os e a r c ht h ei n t e r c e p t e ds i g n a l sf r o mt h e r e c o n n a i s s a n c es y s t e m , t h e na n a l y z et h es i g n a l st oo b t a i nt h es p e c i f i cp a r a m e t e r s ，a n d c o m p l e t et h et a s k so fm o d u l a t i o nr e c o g n i t i o na n dd e m o d u l a t i o na tl a s to nt h i sb a s i s b u t t h ei n t e r c e p t e ds i g n a l sa r eu s u a l l yi np a s s i v es t a t e s ，岍mb r o a db a n d w i d 旭m u l t i p l e m o d u l a t i o nm o d e sa n ds i g r l a lc o m p o n e n t s ，n l cc o m m u n i c a t i o nr e c o n n a i s s a n c es y s t e m o f t e nu s e sb r o a d b a n dr e c e i v e r , 、) v i t l ll l i 9 1 1 - s p e e ds a m p l i n gr a t et oa d a p tt od i f f e r e n t b i t - r a t ea n dm o d u l a t i o nm o d e ；t h e nm o r ec o m p l e xs i g n a lp r o c e s s i n gm e t h o d sa r e i m p l e m e n t e di nd e m o d u l a t i o n t h e r e f o r e ，t h es i g n a lp r o c e s s i n gs y s t e m su s e df o r c o m m u n i c a t i o ns i g n e dr e c o n n a i s s a n c en o to n l yh a v et om e e tt h er e q u i r e m e n to fm a s s i v e c o m p u t a t i o n , b u ta l s or e q u i r ep a r a l l e lp r o c e s s i n gc a p a b i l i t yt oe n s u r et h er e c o n n a i s s a n c e s y s t e m sr e a l - t i m ep e r f o r m a n c e b a s e do nt h ea n a l y s i so fh i g hs p e e dd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n gt e c h n o l o g yi nt h e f i e l do fr a d i om o n i t o r , t h i st h e s i sd e s i g nah i g hs p e e dd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n gb o a r df o r t h et a s ko fr a d i om o n i t o ri nc o o p e r a t i o n 、撕t ho t h e r s t h i sb o a r dh a sa ne f f i c i e n t b a s e b a n ds i g n a lp r o c e s s i n gm o d u l ef o ru s i n gh i 曲p e r f o r m a n c ep a r a l l e ld s p p r o c e s s o r s a n dl a r g ec a p a c i t a n c ef p g a ，w h i c ha l s oh a sa nh i g hs p e e da di n t e r f a c e ，al a r g e c a p a c i t a n c ed a t am e m o r ym o d u l ea n dah i g h s p e e dd a t at r a n s m i s s i o nm o d u l e n 屺 b o a r dc h o o s e sf o u ra d s pt s 2 01s ( t i g e r s h a r c ) ，o n ek i n do ft h em o s tp o w e r f u l f l o a t i n g p o i n td s pp r o c e s s o r s ，a si t sc o r es i 伊_ l a lp r o c e s s i n gm o d u l e ，b e t w e e nw h i c ht h e i n t e r c o n n e c tc o m m u n i c a t i o ni si m p l e m e n t e db o t ht h r o u g he x t e r n a lp o r ta n dl i n kp o r t s i nt h i st h e s i s ，t h ee n t i r eh a r d w a r ed e s i g no ft h eh i g hs p e e dd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g b o a r da n dt h em o s ti m p o r t a n ts u b m o d u l e si sr e a l i z e d n l er e s u l t so ft h et e s to nv a r i o u s m o d u l e ss h o wt h a tt h es y s t e ms a t i s f i st h en e e d so ft h es u b j e c t , a n di tc a nb eu s e di nt h e f i e l do fr a d i om o n i t o r t h i st h e s i sa l s oi m p l e m e n t st h ed d ca l g o r i t h m0 1 1f p g a ，a n d p r o p o s e sa n e wm e t h o do ft h ei m p l e m e n t a t i o no fa l g o r i t h m0 1 1t h ef p g a t h em a i nc o n t e n t so ft h et h e s i sa r ep r e s e n t e da sf o l l o w s ： 1 t h ek e yd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n gt e c h n o l o g i e su s e df o rr a d i om o n i t o ra r es t u d i e d , a n dc o n s i d e rw i t ht h ec h a r a c t e r i s t i co fh i g hs p e e dd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n gt e c h n o l o g y , n a b s t r a c t t h es c h e m eo ft h eh i g hs p e e dd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n gb o a r di sd e s i g n e di nc o o p e r a t i o n 谢t 1 1o t h e r s 2 t h cd e s i g no fp i v o t a ls u b m o d u l e sa r ea c h i e v e di i l d 印e n d e n t l y ，i n c l u d i n gh i g l l s p e e dd i g i t a li n t e r f a c ea n d d a t af o r m a tt r a n s f o r m a t i o nm o d u l e ，s h a r e db u sd m a m o d u l e ， t h el i n k p o r ti n t e r f a c em o d u l ew i t hd s pa n df p g a ，u s bc o n t r o l l e r ，f i r m w a r ea n dt h e d r i v e rf o rt h eu s b ，a n da l s ot h ec o d ef o ra f t e r - p r o c e s s i n gw i t hm a t l a b 3 田kh a r d w a r ed e b u g g i n ga n dt e s ti si m p l e m e n t e di i lt h ee n do fh a r d w a r ed e s i g n , a n dt h ep e r f o r m a n c eo ft h ed e s i g nm e e t s 、 ，i t ht h en e e do ft h es y s t e m 4 i nt h ep r o c e s so f d e b u g g i n g , t h i st h e s i sg i v e sa ni m p r o v e m e n ts c h e m ei n c l u d i n g a d 6 6 5 4f o rt h es p e c i f i cp r o j e c t s ，w h i c hh a sal l i 弘s p e e da d ca n ds i xp a r a l l e ld d c c h a n n e l s 5 1 1 1 ed d ca l g o r i t h m sa l ed i s c u s s e d ，a n dt h e s ea l g o r i t h m sa r ei m p l e m e n t e do n f p g a an e wm e t h o do ft h ei m p l e m e n t a t i o no fa l g o r i t h mo nt h ef p g a 、析t 1 1t h e s o f t w a r en a m e ds y s t e mg e n e r a t o rf o rd s pi sp r o p o s e d t i l i ss o f t w a r ei m p r o v e st h e e f f i c i e n c yo ft h ed e s i g n k e y w o r d s ：r a d i om o n i t o r , p a r a l l e lp r o c e s s i n g ，h a r d w a r ed e s i g n , d d c ，s d r , d s p m 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的 说明并表示谢意。 签名：盘丝 日期：劲7 年西月z 2 日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘， 允许论文被查阅和借阅本人授权电子科技大学可以将学位论文的全 部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 繇盈监导师繇赴 日蜘, r y j ：沙孑年艿月2 2 日h一，一- 一o ，o 一h 第一章绪论 1 1 课题背景与意义 第一章绪论 由于无线电具有诸多如使用方便、灵活、受限制少和具有开放性等优点，因 而被广泛的使用，也正是由于这些便利性，导致目前无线电台快速增加、无线电 频率资源日益稀缺。因此，为了保证人们有序的生活，最大限度的利用有限的频 谱资源，避免不同电台之间的互相干扰，同时为了打击非法电台、维护正常的无 线电使用秩序，国家对无线电的监测和管理变得更加的重要j 。 然而，对于无线电的监测远非双方通信那么简单。通信的双方通常在通信前 达成一定的协议，接收方在接收信号前就已知无线电信号的特征，因此接收设备 就按照要传输的信号特征来构造，它是发送端设备的逆过程，设计这样的设备并 不困难。但是，对于无线电监测来讲，需要监测的目标信号特征往往是不确切的， 监测者即不知道监测信号的位置也不知道其具体的调制方式等瞄】。这些未知和多种 形式的信号就对监测接收机提出了更高的要求，如果要实现对这些未知信号的监 管，接收机就必须具有下述特点： 能接收不同体制的通信信号； 具有快速的搜索截获速度； 强大的信号分析处理能力； 多调制的模式识别和解调能力； 灵活、快速的控制方式。 具有上述特点的接收机首先要能从介质中获取信号，然后对信号进行分析处 理以获得信号的参数，在此基础上再完成对特定信号的模式识别和解调任务，最 后重现发端信息，实现对无线电信号的监管。但是，目标信号往往具有很宽的频 带，频带内也有可能同时含有多个信号，因此高速采样后的数据流给后续的信号 处理带来了极大的困难，要做到实时信号处理以保证信息的连续性对信号处理平 台提出了非常高的要求。随着高速通用数字信号处理器( d s p ) 与大规模可编程逻 辑器件( f p g a ) 的发展及并行处理技术的应用，针对这种目标的高速实时信号处 理变成了可能。 电子科技大学硕士学位论文 本文是以建立一个可用于无线电监测领域的信号处理平台为出发点，研究与 设计基于软件无线电构架的高性能数字信号处理硬件系统，以便加载合适的算法 来实现对无线电信号的侦听与处理。本系统应当兼具高性能和通用性的特点，“高 性能 是指硬件平台能够满足无线电监测对于实时信号处理的要求；“通用性 是 指在统一的硬件平台上可以实现无线电监测中的不同任务，甚至可以将该硬件平 台用于其它的信号处理领域。这种用于无线电监测领域的高速信号处理平台的功 能描述如图1 1 所示。 用于无线电监测的高速信号处理平台 i： r频谱分析 f p g a + d s p ：i 。 j ： ! l r 一端嘲加c h 。o c i ，l 参数测量l- i 通用解调i ：， ! i 士 。 ： l： 模式识别 i ： i i 一一一j 图1 1 用于无线电监测的高速信号处理平台功能描述图 该平台可以通过加载不同的任务算法来完成频谱分析、参数测量、模式识别 和通用解调等功能，可用于对特定频段的无线电信号进行搜索、截获、测量、分 析、识别和解调，以获取其技术参数、功能、类型和用途，并以此为依据，实施 对无线电信号的监管或在军事领域对敌方电磁信号实时侦听。 1 2 信号处理技术的发展动态 本论文设计的硬件系统是应用于无线电监测领域的高速数字信号处理平台， 下面分别从监测接收机和数字信号处理硬件两方面介绍应用于无线电监测领域的 数字信号处理技术的发展动态。 1 2 1 监测接收机的发展与现状 在传统的模拟信号通信时代，用于无线电监测的接收机通常也是模拟信号接 收机，但是模拟信号接收机存在诸多缺陷。例如，由于模拟接收机自身器件的因 2 第一章绪论 素，往往同样的输入信号，通过接收机后输出却不同，其稳定性和一致性都很不 理想；同时模拟高频器件的自身干扰也比较严重，这些都构成了模拟监测接收机 难以克服的缺点。随着数字信号处理技术的发展以及相关的专用于数字信号处理 领域的芯片的面世，监测接收机和通信系统一样，都逐渐趋于数字化，目前数字 化的监测接收机已处于非常成熟的状态。通过对监测接收机的各个子模块进行数 字化，模拟接收机的诸多缺点得到了部分或者全部的弥补。同时，由于数字器件 的软件可控性强，数字化的监测接收机具有更好的灵活性和整体性能，同时也可 以根据未来的需要进行扩展。因此，监测接收机的数字化是目前的潮流也是未来 的趋势。 目前在使用中的数字化监测接收机可以根据数字化的方法不同，分为直接数 字化、零中频数字化和固定中频数字化几种。直接数字化接收机就是在射频处就 将信号送往a d c ，数字化的信号再送往数字信号处理单元完成信号的监测处理。 通常，这种接收机即可以用来作为分析接收机对窄带信号进行接收处理，也可作 为搜索接收机对宽带信号进行监测。但是，直接数字化接收机的瓶颈就是a d c 的 性能，在高频和甚高频时，在满足采样定律的前提下，a d c 要有极高的采样率才 能达到系统指标，而目前商业化的a d c 还难以完全满足这种要求。同时，在全频 段宽开的情形下，多个大信号同时进入系统时，由于信号的叠加会使a d c 前端进 行非线性区而产生很多互调信号，从而导致互调噪声增加、接收机灵敏度下降。 正是由于这些原因，直接数字化接收机才对数字前端电路提出了更高的要求，因 此也被用在信号环境不太恶劣的情况下。零中频数字化接收机就是直接将射频信 号送往混频器，然后再把混频到基带的信号进行数字化处理，最后由专用芯片完 成数字信号的处理工作。这种接收机的混频器通常采用正交混频法，正交混频的 好处就是能保持信号的完整性，大多数的数字接收机都采用这种结构，当然，i q 两路通道的增益和相位一致性决定了这种接收机的性能。然而，由于是直接对模 拟射频进行混频，混频的本振信号来自于模拟振荡器，导致了i q 两路的一致性不 好。同时当侦测的目标信号为f s k 、f m 等调制类型时，由于此类信号的频谱左右 边带代表的信息不同，当被混频到零中频时会造成频谱的混叠，滤波器无法将正 频谱和负频谱的叠加信号区分开来，最终监测接收机无法完成对目标信号的解调， 也就无从获得需要的信息。因此，由于零中频数字化接收机的这些缺点，目前的 监测接收机大都不采用零中频方案。固定中频数字接收机的出现解决了以上提到 的两种接收机出现的缺点，它把混频后的固定中频信号送往a d c ，然后再完成i q 正交化。数字中频信号经过数字正交分解后得到的基带信号被送往数字信号处理 电子科技大学硕士学位论文 模块，最后得到调制信息，由于此种接收机在进行i q 化时，本振信号来自于数控 振荡器( n c o ) ，很好的保证了i q 两路信号的一致性，因此系统的性能也得到了 很大的提高。目前监测接收机基本上都是采用了固定中频数字化的方案，采用此 种方案的接收机即可以用作窄带分析接收机，也可以用来作宽开搜索接收机，当 然也可以同时具有两种功能。 然而，随着通信系统体制的多样性不断的发展，监测接收机需要分析的目标 信号也具有越来越多的调制方式。要能在这种更加复杂的环境下对各种通信信号 进行侦查，监测接收机就必须具有“全能性”，只有这样才能满足信号侦测的要求。 如前所述，监测接收机的数字化在一定程度上满足了接收多样信号的要求，接收 机的性能也得到了很大的改善。但是，单单的数字化并不能完成“全能性”的目 标，监测接收机追求的终极目标应该是能对多频段、多模式和多调制方式的通信 信号进行侦查。要能达到这样的要求，那么监测接收机首先要建立一个通用的系 统平台。“软件无线电这一概念，就是在这种需求中提出的。 “软件无线电”的中心思想就是构造一个具有开放性、标准化、模块化的通 用硬件平台，将工作频段、调n 解调方式、数据格式、加密模式以及通信协议等 各种功能用软件来完成，并将宽带a d 转换器和d a 转换器尽量靠近天线，以实 现高度灵活性和开放性的新一代无线电系统【j j 。这样，通过把标准化和模块化的不 同硬件单元通过各种总线或接口连接起来就构成了基本的通用平台，然后再通过 对硬件加载不同的软件来对通用平台赋予特殊的功能。基于软件无线电结构的监 测接收机与通用的软件无线电系统一样，都是将宽带a d c 尽量靠近天线，从中频 开始就进行数字化处理，这种构架和数字化中频接收机基本相同。但是基于软件 无线电的监测接收机和直接数字化的监测接收机最大的不同就是：在中频数字化 以后，前者采用通用可编程的f p g a d s p 来完成数字信号处理，而后者是采用专 用数字信号处理芯片。通过对监测系统设计不同的软件来配置通用硬件，监测接 收机的灵活性就大大提高了。目前，越来越多的监测接收机都采用软件无线电的 构架方案，例如目前比较流行的德国w s 公司生产的e m 5 5 0 监测接收机就是采用 了软件无线电构架，平台的通用性是接收机发展的趋势。 1 2 2 数字信号处理器技术的发展 在基于软件无线电构架的信号处理平台中，通用数字信号处理器( d s p ) 与可用 于数字信号处理的大规模逻辑器件( f p g a ) 是构成系统的基础与核心，其中频和基 4 第一章绪论 带的处理也全部采用数字逻辑运算来实现。软件无线电开放性、灵活性、可配置 性强等特点是通过可软件配置的d s p 与f p g a 器件来体现的，软件无线电技术也 是随着数字信号处理器技术的发展而日趋成熟与完善的。 相对于模拟信号处理而言，数字信号处理在处理精度、灵活性、可靠性和集 成度方面具有更大的优势。在数字信号处理器出现之前信号处理任务只能由微处 理器( m p u ) 来完成，但是其较低的处理速度无法满足高速实时的要求。后来又出 现了专用于某项信号处理任务的a s i c 器件，与m p u 相比，a s i c 器件具有更高 的处理速度和更优化的内部结构，一定程度上满足了信号处理的要求，至今还在 信号处理领域广泛使用，例如很多滤波器和数字下变频器就是采用了专用的a s i c 器件。但是，随着信号处理任务的日趋繁重，数字信号处理对于硬件平台的通用 性提出了更高的要求，通用型数字信号处理器( d s p ) 就应运而生了。 d s p 被设计用来支持高性能、具有重复性、数值计算性强的处理任务，并具 有非常高的i o 吞吐率。与通用处理器( g p p ) 相比，d s p 大都采用哈弗结构，这种 结构具有多个存储器与总线，可以采用流水操作来提高程序的执行速度，同时改 进的哈弗结构还能允许在两个存储器之间进行通信。从1 9 8 2 年第一片d s p 芯片 t m s 3 2 0 c 1 0 面世以来，随着d s p 技术的应用，d s p 技术得到了长足的发展，目前 已经处于发展的第五个阶段，与前几个阶段相比，d s p 的系统集成度更高、浮点 运算能力更强，部分器件还采用了静态超标量结构。目前用于高端信号处理的d s p 有t i 公司的t m s 3 2 0 c 6 7 x x 系列和a d i 公司的t i g e r s h a r c 系列等。未来，追求 更高的系统集成性和更快的运算速度是d s p 的发展趋势。 与通用信号处理器( d s p ) 相比，大规模可编程逻辑芯片f p g a 是另一项用于信 号数字信号处理领域的主流技术。f p g a 是由大量的逻辑宏单元组成的，通过配置， 可以使这些逻辑宏单元形成不同的硬件结构，从而构成不同的电子系统，完成不 同的功能。由f p g a 构成的d s p 电路可以同样以并行或顺序方式工作。并行工作 方面，f p g a 与专用的d s p 器件相当，远优于通用的d s p 处理器，对于通用d s p 处理器需要大量运算指令完成的工作，f p g a 可以在一个周期内完成。而在顺序执 行方面，f p g a 也比通用d s p 快，同时f p g a 中可以使用各种状态机，或使用嵌 入式微处理器来完成工作，并且每一顺序工作的时钟周期中都能同时并行完成许 多运算，而通用d s p 处理器却不能p j 。随着高达数千万门高密度的f p g a 的出现， 越来越多的制造公司在f p g a 器件中植入专用的d s p 硬核来完成信号处理功能， 例如x i l i n x 公司就在其专用于数字信号处理领域的f p g a 中植入d s p 4 8 资源来提 高其信号处理性能，并且配合其参数化的d s pi p c o r e ，用户可以大大提高开发的 电子科技大学硕士学位论文 效率。 当然，相对与d s p 来说，f p g a 也有其自身的缺点，例如在算法比较复杂的 领域，利用d s p 设计比f p g a 更方便。在高速数字信号处理系统中，低层的信号 预处理算法处理的数据量大，对信号的处理速度要求较高，但是其运算结构却相 对简单，这种应用就适合采用f p g a 来实现，能同时兼顾速度和灵活性；高层的 处理算法处理的数据量较低层算法少，但是算法的控制结构比较复杂，这种应用 就适合采用运算速度高、寻址方式灵活、通信机制强大的d s p 芯片来实现。目前 大多数的软件无线电平台都采用f p g a + d s p 的构架，这种构架的最大特点就是结 构灵活，有较强的通用性，适合模块化设计，从而能够提高数字信号处理的效率， 非常适合用于高速数字信号处理领域。本设计也将采用这种f p g a + d s p 的构架来 构成可配置的通用信号处理平台。 1 3 本文主要内容 本文的主要任务就是通过对无线电监测中信号处理技术的分析来完成高速信 号处理硬件平台的研究和设计，设计的信号处理系统不包含射频前端模块。 设计的硬件系统由四片a d i 公司的t i g e r s h a r c 系列高性能浮点型数字信号 处理器a d s pt s 2 0 1 s 和x i l i n x 公司的专用于数字信号处理的f p g a 器件 x c 4 v s x 5 5 来组成性能强劲的基带信号处理模块。同时，硬件系统还配置有符合 l v d s 高速差分标准的a d 数据接口模块、大容量的s d r a m 数据存储器和高速 u s b 总线接口，用来完成对数据的接收、存取和实时传输。 本文首先基于项目的要求给出了详尽的需求分析，然后在需求分析的基础上 将整体系统“模块化 ，针对各个重要子模块做了方案对比和论证，并得出了各子 模块的设计方案，最后再将模块合并得到了最终的系统解决方案。总体系统方案 确定后，本文采用“自顶向下 的设计方法介绍了各子模块的电路设计和功能设 计，并对各子模块的功能设计进行了仿真和验证。最后，针对具体的项目应用又 给出了系统的改进方案。本文的具体工作和章节安排如下： 1 ) 第二章内容结合项目的需求和无线电监测任务的特点，对应用于无线电监 测的高速信号处理平台进行了需求分析，并给出了系统总体的解决方案。 2 ) 第三章主要阐述系统各部分的硬件设计，包括高速差分接口设计、多d s p 、 f g p a 、u s b 接口、大容量存储器、电源、时钟、复位等电路模块的设计。 6 第一章绪论 并完成了f p g a 内部功能模块的划分和重要模块的设计。软件部分包括用 于d s p 与f p g a 数据传输的接口程序、u s b 固件、驱动和上位机程序。 3 ) 第四章讲述了系统各主要模块的功能验证，并将设计的各模块进行级联， 验证了系统整体工作的可行性和可靠性。 4 ) 第五章在本系统的基础上，针对具体的项目需求，给出了包含a d 6 6 5 4 的 多通道并行中频模块的方案设计，并对a d 6 6 5 4 的功能、配置方法和电路 设计给出了详尽的分析。 5 ) 第六章主要讨论了数字下变频器( d d c ) 的f p g a 实现，本章主要引入了 s y s t e mg e n e r a t o r 软件，该软件为无线电监测各算法的f p g a 实现提供了 一个全新的设计方法。 7 电子科技大学硕士学位论文 第二章系统总体方案 在无线电监测领域，接收机通常是宽带接收机，同时还需要进行高速率的信 号采样才能适应不同码率及调制方式的目标信号。因此无线电监测任务的实现对 数字信号处理系统的处理能力提出了较高的要求，同时多任务并行执行的特点也 要求处理系统具有并行处理的能力；能灵活的加载不同的算法也是对高速信号处 理平台的另一需求。 2 1 需求分析 用户需求的应用于无线电监测的高速信号处理平台在整体上要能够对特定频 段的无线电信号进行搜索、截获、测量、分析、识别和监视，以获取目标的技术 参数、功能、类型和用途，并以此为依据来完成对无线电信号的管理。需要设计 的信号处理平台除了能单独完成以上任务外，还应具有多任务并行执行的能力， 下面详细介绍高速信号处理系统需要完成的主要任务： 信号的搜索与截获 系统首要完成的任务就是对目标信号的搜索和截获，而搜索的重点就是频率 搜索，可以通过设计宽开接收机或步进扫描接收机来完成这一任务。同时，还需 考虑目标信号的不确定性，对于常规的持续时间较长的通信信号，步进扫描接收 机就可以完成搜索任务；而对于短持续信号，就需要设计宽开接收机，因此，设 计的系统就应具有上述两种接收机的模式，并具有方便的可切换性。信号的频谱 信息应该能够实时的显示在显示器上，用户还应可以选择是否对感兴趣的频谱信 息进行存储和后续处理。 参数的测量 目标信号截获后，系统应能够完成对信号参数的测量工作。测量的参数应包 含有信号的频率、信号电平、信号的带宽、信号调制度、码速率等等。由于大多 数的通信信号都不是单一频率的信号，因此就要求系统首先应具有频谱测量的能 力，这样，系统就必须能够在硬件系统上快速的完成f f t 和相关的数字信号处理 工作，并应当具有大容量的数据缓存机制。这些参数的获得即有利于调制方式的 8 第二章系统总体方案 准确识别，也能够为用户准确的获得侦测信号的内容提供参考。 信号识别 信号调制方式的分类和识别是无线电监测中的关键技术，如果要能够实现对 无线电信号的监管，首先就要弄清信号的调制样式，只有这样才能进一步对信号 进行解调和获取信息。信号的分类和识别方法有很多种，用户需求的识别方式是 由监测接收机自动来完成的，而非人工的统计模式。设计的系统应能够在硬件上 快速获得目标信号的参数特征，并通过加载优化的识别算法来完成对信号的调制 分类和识别。因此，需要设计的系统就应该在硬件上具有性能强劲的数字信号处 理平台，软件上也应具有适合处理平台的优化算法。由于目前调制方式的多样化， 同时各种识别算法之间也各有优缺点，所以让一种系统具有能识别全部调制方式 的可能性不大，但是设计的系统应当具有识别大部分常用调制方式的能力。 目标的解调 系统正确识别了信号的调制方式后，下一步就需要对目标信号进行解调了。 由于不能确定目标信号是长时间连续的信号还是短时信号，所以正确识别后的目 标信号应能在存储器中存储。若是长时间连续信号，就可以直接把采集的信号送 往解调单元；若是短时信号，就可以把存储器中的信号送往解调单元，以便获取 解调后的信息，因此大容量存储器应该是必不可少的。对于弄清了数据格式和调 制方式的目标信号，系统应该具有通用的解调方案，通过加载不同的软件来对通 用的解调器进行配置，目前大部分无线电监测接收机都采用f p g a 作为通用解调 平台。因此需要设计的系统也应考虑配置合适的通用解调平台。 数据显示与存储 不论是短时的目标信号还是处理的中间结果，数据存储都具有非常重要的价 值。同时处理后的结果信号存储下来也可以被送往识别数据库，以备以后调用和 分析。对于处理的中间结果，系统应该在硬件上有大容量缓存设备，而对于数据 量更为庞大的频率扫描结果，就要设计能够写入硬盘等海量存储器的软件机制。 用户的需求是，既能在软件上实时看到目标信号的频谱信息和处理结果，又能具 有存储数据的选择权，同时存储的数据也应能够被用户导出。因此，为系统设计 合适的控制软件也是非常有必要的，当然也应该选择传输速度快的总线结构来建 立硬件和软件的桥梁。 如上所述，用户就是需要设计一种软件可控的信号处理平台来完成无线电的 监测任务，信号处理平台还应具有快速便捷的总线接口来进行实时数据传输。基 于软件无线电构架的数字信号处理系统恰好能满足用户的需求，下面将对设计中 9 电子科技大学硕士学位论文 的各主要模块进行分析。 2 2 各子模块方案选择 设计一个能实时处理和显示的单板监测接收机是一个复杂同时技术含量又很 高的工作，其中既要考虑硬件模块的协调性，又要分析控制软件和硬件系统的良 好配合，不然无法保证数据的流畅性，更谈不上实时信号处理了。由于用户需求 的信号处理系统需要有多任务并行的能力，所以在器件选择和构架设计上也应该 考虑多通道的并行。同时目标信号已经被混频到中频，射频前端不需要考虑，所 以下面就从中频模块开始讨论设计中应注意的问题。 2 2 1 数字中频模块 这里讨论的数字中频模块既包含数模转换器( a d c ) 又包含数字下变频器 ( d d c ) ，为了扩展基带信号处理部分的应用范围，本设计在信号处理系统的主板 上不设a d 芯片，而是预留了一个c p c i 的接口，通过这样的一个接口可以让高速 信号处理平台搭配不同的a d 采样卡使用，而d d c 的功能将由f p g a 来完成。这 种方案的好处是： 隔离了高速数字信号与高频模拟信号的相互干扰，保证了数字信号的稳定 性和可靠性； 使系统可以灵活多变的与各类中频采样卡相连接，提高了高速信号处理平 台的通用性。 2 2 2 基带信号处理模块 在基带信号的处理模块设计上，除了要考虑传统的算法效率外，还应特别注 重设计的并行性。由于用户需求的接收机必须具有多任务并行的能力，所以基带 信号处理部分也应该有并行处理的性能。在执行例如宽开频率搜索的单任务时， 由于目标信号的带宽较宽，所以经过d d c 后的数据流也比较大，这就要求基带信 号处理模块还具有良好的数据接收能力。 通常，d s p 被设计用来执行高性能、数值计算性强的处理任务，其强大的哈 弗结构或改进的哈弗结构可以采用流水线操作来提高程序的执行速度，同时部分 1 0 第二章系统总体方案 系列还能保持独立的程序和数据存储空间，具有并行执行指令的功能。在选择d s p 器件时应当考虑其有无并行运算的性能，尽量选择具有单周期并行处理内核的器 件。 在数字信号处理领域，还有一项目前比较主流的技术就是利用f p g a 来完成 算法的实现。由于其特殊的构架，由f p g a 构建的数字信号处理平台可以以顺序 或者并行的方式工作。在并行处理方面，f p g a 与专用d s p 器件相当，但远优于 通用的d s p 处理器，对于通用d s p 需要大量的运算周期来完成的工作，f p g a 可 以在几个或一个周期内就能完成。不仅如此，在顺序执行方面，f p g a 也比通用 d s p 器件快，它可以在每一个顺序工作的时钟周期内通过并行计算来提高运算效 率，这是性能一般的d s p 通用处理器所达不到的。特别是目前随着这种需求的提 高，越来越多的厂商都不断改进f p g a 的构架以适应信号处理的需要，如x i l i n x 公司就在其产品中大量植入d s p 4 8 专用信号处理硬核来改善其运算性能，同时再 配合其参数化的d s pi p c o r e ，设计者可以不太困难的用f p g a 来实现特定的算法。 基于d s p 和f p g a 的通用基带信号处理平台目前在使用上各有优缺点。一般 来说，通用的d s p 更适合用于复杂的算法领域，如目标信号的参数估计、信号模 式的识别等等。而f p g a 更适合用于一些算法不是太复杂，但运算要求较高的领 域，如中频信号的滤波器、数字前端的d d c 等等，它是高数据率信号处理应用的 首选方案。无线电监测系统可以使用f p g a 器件来搭建通用的信号解调平台，来 完成对特定信号的解调任务；同时也可以利用f p g a 器件来完成f f t 操作，不仅 加快了运算速度，还能利用其并行处理的性能使多任务同时运行变成了可能。 所以，本设计方案考虑使用f p q 针d s p 的构架来完成基带信号的处理任务， 两者可以在使用中优势互补。f p g a 器件上，设计选用x i l i n x 公司v l r t e x 4 系列里 数字信号处理性能最高的s x 5 5 ，该器件内含3 2 0 个x t r e m e d s p 硬核，最高时钟速 率可达到5 0 0 m h z ，同时具有6 1 4 4 k 的内部r a m 作数据缓存，可以满足设计的需 求。d s p 方面，选用a d i 公司的高端数字信号处理芯片t s 2 0 1 ，该芯片最高工作 主频可达到6 0 0 m h z ，由于采用了单指令多数据( s i m d ) 指令集，一个时钟周期 可执行多达4 条指令，一定程度上具有并行运算性能。每秒可执行1 0 亿次8 0 b i t 的m a c 运算，并具有其独特的全双工链路口来与f p g a 进行数据传输。同时将4 片t s 2 0 1 s 组成混合耦合构架的d s p 群，扩展了d s p 处理的并行性。在软件设计 上，可以考虑f p g a 和d s p 各自的特点分别加载适合的算法来完成参数估计、模 式识别、信号解调等基带信号处理任务。 电子科技大学硕士学位论文 2 2 3 系统控制模块 应用于无线电监测的硬件系统需要有一个“中央控制器来完成各模块之间 的协调和任务的分配与调度工作，控制子系统应能够支持以下几个主要的功能： 系统初始化 控制子系统应该能够在上电初始化时完成对中频模块a d c 、d d c 的通道配 置，并根据仿真设计的结果将滤波器参数灌注到d d c 中去，同时需要完成对基带 信号处理模块的配置工作，让其处于待命状态。 用户指令的解析 控制子系统应该具有指令解析模块，能够完成对用户控制命令的识别，当用 户选择了任务模式后，控制子系统必须能够快速的根据指令来选择并开启预先设 置好的功能。 数据流的控制 由于数字下变频器输出的数据是定点格式，而通用d s p 采用3 2 位浮点数进行 运算，所以控制器还应具有数据流格式转换的功能。同时，当数据在d d c 与f p g a 之间、f p g a 与d s p 之间传输时，还必须有数据接口控制单元，当选择了合适的 通信协议后，控制器就必须具有符合相关通信协议的接口控制模块来完成数据的 交接。由于硬件系统设计有大容量的存储器设备，只有设计了s d r a m 控制器， 才能让f p g a 器件自由访问存储器。最终的结果通过总线结构传输到计算机时， 在硬件系统上也应该具有与总线协议相符合的总线控制模块。上述有关数据控制 的部分，都是控制器应该具有的功能。 设计具有以上功能的控制器有很多的方案，可以使用嵌入式器件来完成，也 可以通过配置d s p 来完成，但是以上方案无论是从硬件的负担还是灵活性上来讲， 都没有使用f p g a 器件配置更优化。由于f p g