（电子科学与技术专业论文）面向软件无线电的数据处理单元设计与实现.pdf

围防科学技术大学研究生院硕十学位论文 a b s t r a c t s u p p o r t i n gm u l t i p l ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns t a n d a r d sf o rm o b i l ep h o n e sa n d o t h e rw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n sd e v i c e si st h ef u t u r e d e v e l o p m e n t t r e n d s s o f t w a r e d e f i n e dr a d i ow h i c hi m p l e m e n t sr a d i of u n c t i o n si ns o f t w a r e ，w i t hg o o d f l e x i b i l i t y , o p e n n e s s ，s c a l a b i l i t ya n dc o n t i n u i t y , i sc o n s i d e r e dt oas o l u t i o nt h a tm e e t st h e f u t u r ed e v e l o p m e n tt r e n d b u ts o f t w a r e d e f i n e dr a d i or e q u i r e st h ed i g i t a l s i g n a l p r o c e s s o rt oh a v eav e r yh i g hc o m p u t i n gp e r f o r m a n c ea n dl o wp o w e rc o n s u m p t i o n , w h i c hb e y o n dt h ep e r f o r m a n c el e v e l so fc u r r e n tm a i n s t r e a md i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r i n t h i sp a p e r , d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o ra r c h i t e c t u r e sd e d i c a t e df o rt h es o f t w a r e - d e f i n e dr a d i o a r e s t u d i e d ，a n d a p r o t o t y p e o fd i g i t a l s i g n a lp r o c e s s o r d e d i c a t e df o rt h e s o f t w a r e - d e f i n e dr a d i oi sp r o p o s e dw h i c hp r o v i d e sf u t u r es t u d yt h eb a s i st e s ta n d e v a l u a t i o np l a t f o r m i nt h i s p a p e r , t h ee x i s t i n g s o f t w a r e - d e f i n e dr a d i o d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r a r c h i t e c t u r e sa r ea n a l y z e d c l a s s i f i e d a c c o r d i n gt o t h ea r c h i t e c t u r e st h ee x i s t i n g s o f t w a r e - d e f m e dr a d i od i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o ra r c h i t e c t u r e sa r ed i v i d e di n t o r e c o n f i g u r a b l ef l o wt y p e ，s i m dv e c t o rt y p ea n da r r a yt y p e ，t h r e et y p e s t h r e et y p e so f a r c h i t e c t u r e sa r ed e v e l o p e dw i t hd i f f e r e n td e s i g ni d e a s ，e a c hw i t ha d v a n t a g e sa n d d i s a d v a n t a g e s b a s e do nt h ea n a l y s i so fe x i s t i n ga r c h i t e c t u r e s ，t h i sp a p e rs u m m a r i z e d t h ef u t u r et r e n d so fs o f t w a r e d e f i n e dr a d i od i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r s m e a n w h i l et h i s p a p e ra n a l y z e st h ec h a r a c t e r i s t i c so fw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n sa l g o r i t h m s ，a n dt h e n p r e s e n t sa r c h i t e c t u r eo fh e t e r o g e n e o u sm u l t i - c o r ef o rh a n d h e l ds o f t w a r e - - d e f i n e dr a d i o t e r m i n a l t h e p r o p o s e da r c h i t e c t u r e c o n t a i n ss o m ed a t a p r o c e s s i n g u n i t sa n d c o n f i g u r a b l ea c c e l e r a t o r sa n do n c h i pn e t w o r kc o n n e c t i n gt h eh e t e r o g e n e o u sc o r e s t h e d a t ap r o c e s s i n gu n i tu s i n gv l i wa n ds i m dv e c t o rs t r u c t u r ei st h ek e yo ft h e a r c h i t e c t u r e t h i sp a p e rm a i n l yf o c u s e do nt h es t r u c t u r et h ed a t ap r o c e s s i n gu n i t w e h a v ec o m p l e t e dt h ed e s i g no ft h ed a t ap r o c e s s i n gu n i ts t r u c t u r e ，i n s t r u c t i o ns e ta n d f u n c t i o nu n i t sa n db u i l tam o d e lo ft h ec l o c kp r e c i s i o n b a s e do nt ot h em o d e l ，t h e a s s e m b l e r , l i n k e ra n dt h er t ld e s c r i p t i o na r ea c h i e v e d f i n a l l y , t h i sp a p e rc h o o s e sf i r f i l t e r , f f ta n dm a t r i xm u l t i p l i c a t i o no fw h i c ha r et y p i c a li nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s t a n d a r d st om a po n t ot h ed a t ap r o c e s s i n gu n i t t h eh a n d - a s s e m b l yp r o g r a m so ft h e s e t h r e ea l g o r i t h m sa r eu s e dt oe v a l u a t et h ed a t ap r o c e s s i n gu n i t a tl a s t ，t h er t l d e s c r i p t i o no ft h ed a t ap r o c e s s i n gu n i ti ss y n t h e s i z e da n dt h ep a r a m e t e r sa sa r e aa n d p o w e rc o n s u m p t i o na r eg i v e n k e yw o r d s ：s o f t w a r e d e f i n e dr a d i o ，d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ，v e r yl o n g i n s t r u c t i o nw o r d ，s i n g l ei n s t r u c t i o nm u l t i p l ed a t a 第i i 页 国防科学技术人学研究生院硕十学位论文 表目录 表1 1 移动通信标准概览1 表2 1w - c d m a ( 2 m p b s ) 核，i i , 算法复杂度10 表2 28 0 2 1l a ( 2 4 m p b s ) 核心算法复杂度l o 表2 3 第四代移动通信核心算法计算复杂度1 0 表2 4 软件无线电数字信号处理器结构类型特点1 6 表3 1g a e a 同其它结构比较2 1 表3 2g a e ad p e 和其它结构比较2 8 表4 1 控制模块输入输出接口定义一3 3 表4 2 跳步寄存器选择域定义4 2 表4 3 跳步模式选择域定义4 2 表4 4 簇间隔模式选择域定义4 2 表5 13 2 阶2 5 6 点复数f i r 滤波算法性能对比4 9 表5 210 2 4 点f f t 性能对比4 9 表5 34 x 4 复数矩阵乘法性能对比5 0 表5 4d p e 流水线各部分逻辑综合结果5 1 表5 5d p e 存储器综合结果5 2 表5 6d p e 存储器综合结果5 2 表5 7d p e 流水线和存储器面积和功耗5 3 表5 89 0 n m 工艺条件下d p e 同其它结构逻辑综合结果比较5 3 表5 9d p e 同其它结构峰值性能比较5 3 第l v 页 国防科学技术大学研究生院硕十学位论文 图目录 图1 1 无线通信系统对比3 图1 2 软件无线电手持端市场预测图4 图1 3 软件无线电系统结构示意图6 图2 1 典型处理器性能功耗比1 1 图2 2a d r e s 结构原理图1 2 图2 3 可重构子单元结构示意图1 3 图2 4a d r e s 结构执行原理图1 3 图2 5e v p l 6 结构示意图1 4 图2 6p i c o c h i p 结构示意图1 5 图3 18 0 2 1 6 基带数字信号处理流程1 9 图3 2 面向软件无线电的异构多核处理器结构2 2 图3 3 处理器和存储器功耗一时钟频率曲线图2 3 图3 4 不同s i m d 向量宽度条件下加速对比图2 4 图3 5 不同v l i w 宽度条件下加速对比图2 5 图3 6m a c 功能单元不同数据位宽条件下功耗对比图2 5 图3 7d p e 体系结构示意图2 6 图3 8d p e 标量和向量融合的数据通路结构示意图2 7 图3 9 数据存储结构示意图2 7 图3 1 0d p e 指令编码格式3 0 图3 1 ld p e 指令汇编形语法形式3 l 图3 1 2v l i w 指令汇编语法语法形式3 l 图4 1 控制模块示意图3 2 图4 2d p e 流水线结构示意图3 3 图4 3d p e 指令存储格式示意图3 4 图4 4 地址生成单元示意图3 4 图4 5 指令读取单元示意图3 5 图4 6 指令队列示意图3 5 图4 7 指令派发单元示意图3 6 图4 8 取指令派发原理图3 6 图4 9a l u 单元结构示意图3 7 图4 1 0 支持子字操作的加法器结构示意图3 8 图4 1 l 归约加法结构示意图3 8 第v 页 国防科学技术人学研究生院硕十学何论文 图4 1 2m a c 单元结构示意图3 9 图4 1 3 计算第a 点时各计算簇加载数据情况4 0 图4 1 4 计算第a + l 点时各计算簇加载数据情况4 1 图4 1 5 每一级f f t 计算各计算簇加载数据情况4 l 图4 16 模式控制字4 2 图5 1f i r 滤波算法c 语言程序。4 4 图5 2 外层循环展开法将f i r 滤波算法映射到d p e 结构示意图4 4 图5 3 内层循环展开法将f i r 滤波算法映射到d p e 结构示意图4 5 图5 48 点f f t 时间抽取算法信号流图4 5 图5 5 蝶形运算原理示意图4 5 图5 6 改进后8 点f f t 时间抽取算法信号流图4 6 图5 7f f t 算法c 语言程序4 6 图5 8f f t 映射到d p e 结构示意图4 7 图5 94 x 4 矩阵乘法c 语言程序4 8 图5 1 04 x 4 矩阵乘法在d p e 上的映射4 8 图5 1ld p e 相对于t ic 6 4 加速比5 0 第v i 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它 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 学位论文题目：亘自筮佳歪缦壑的数量处垄望丞遮i 土生塞趣 学位论文作者签名：墓垒i 堕日期：多斫年1 2 月万日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留，使用学位论文的规定。本人授权 国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 文档，允许论文被查阅和借阅；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 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书。) 学位论文作者签名蔓至殓 作者指导教师签名： 日期： 日期： 玎 坫 月 月 易 己 年 年 巧71 国防科学技术大学研究生院硕十学位论文 第一章绪论 手机等手持无线通信设备日渐成为人们同常生活不可或缺的交流工具，据统 计目前全世界处于使用状态的手机超过3 3 亿部。由于不同厂商间的利益竞争、通 信标准的演进以及应用领域差异等原因，目前广泛使用的无线通信标准多种多样， 支持多种通信标准成为手机等无线通信设备未来发展的趋势。传统无线通信系统 采用专用硬件方式实现，难以满足未来支持多种通信标准的发展趋势。 1 1 研究背景 过去2 0 年，无线通信技术和互联网技术等信息技术得到了长足发展，无线通 信和互联网成为人们日常生活不可缺少的重要组成部分。无线通信技术的迅猛发 展带动了手机、个人数字助理( p d a ) 等移动智能终端的网络化，移动智能终端 和互联网的融合成为未来发展趋势。目前世界范围内商用移动通信技术正由第二 代( 2 g ) 向第三代( 3 g ) 过渡，第四代( 4 g ) 移动通信技术也逐步走向实用和普 及。由于不同厂商间的利益竞争、通信标准的演进以及应用领域差异等原因，目 前呈现多种无线通信标准并存的局面。单单在中国，正在大规模商用的移动通信 标准就有六种，包括：1 ) 第二代移动通信技术：g s m g p r s ，c d m a ，u m t s ， e d g e ；2 ) 第三代移动通信技术：t d s c d m a ，w 二c d m a ，c d m a 2 0 0 0 。世界范 围内这种多种无线通信标准共存的现象更为普遍。表1 1 罗列了几种无线通信标准 的通信距离、通信速率以及主要调制方式等信息【l 】。 表1 1 移动通信标准概览 不同无线通信标准在通信距离、通信速率、调制方式等方面有很大的差异。 比如面向广域通信的t d s c d m a 和w - c d m a ，由于通信距离较大，可能相对移 动速度大，信道条件较差，需要采用更为复杂的编码和调制算法来消除多径衰落 和多普勒频移的影响。而8 0 2 1 l b g n 主要面向局域网，通信距离小，可能相对移 第1 页 国防科学技术大学研究生院硕十学位论文 动速度小，信道条件较好，采h j 的算法更注重于提高传输速率。 受技术和工艺影响，芯片面积和功耗一直是集成电路设计最重要的两个因素。 传统上无线通信系统采用专用加速部件加辅助数字信号处理器方式实现，专用加 速部件负责对数字信号进行处理，辅助数字信号处理器负责专用加速部件间的调 度和控制。由于专用加速部件功能的固定性，每增加支持一种通信标准就需要增 加针对该通信标准的加速部件。随着对通信标准的演进以及同时支持多种通信标 准需求的增长，继续采用这种设计模式将会导致系统所需要的专用加速部件数目 急剧增长。为解决传统设计模式同支持多种通信标准发展需求之间的矛盾，软件 无线电概念应运而生。 通常所说“软件无线电”是指软件定义无线电( s o f t w a r e d e f i n e dr a d i o ，简称 s d r ) 。软件无线电改变传统无线通信系统中采用专用加速部件实现的设计模式， 采用可编程的数字信号处理器对数字信号的处理，即以软件方式定义无线通信系 统的无线电功能，包括发射波形、调试方式和编码方式等。当需要支持不同的通 信标准时，可以通过改变数字信号处理器中运行的软件来实现。软件无线电相对 于传统无线电有适应性强、开发时间短、费效比高、安全性强等诸多优点。 1 1 适应性强。软件无线电以软件定义无线通信系统的无线电功能，通过改变 数字信号处理器中执行的程序就可以改变无线通信标准定义的信号调制、 信道编解码等算法，即改变了系统所执行的无线通信标准。当前存在多种 多样的无线通信网络，不同的网络执行不同的通信标准，如g s m 、c d m a 、 t d s c d m a 和w l a n 等。通常无线通信设备只支持某种特定通信标准， 即只能和某种无线通信网络进行连接。多种多样的无线通信标准造成了无 线通信网络间的通信藩篱，软件无线电系统则可以通过改变软件改变所执 行的通信标准，从而能轻易的在不同的无线通信网络间进行切换，突破网 络间的隔阂。 2 ) 开发时间短。传统无线通信系统采用专用加速部件实现。随着传输速率增 加，无线通信标准所采用的数据处理算法只益复杂，开发对应算法专用的 加速部件所需的时间周期越来越长，验证和测试越来越困难，芯片成本越 来越大。软件无线电改变传统无线通信系统设计模式，由传统的丌发硬件 模式转变成丌发软件模式。开发软件模式降低了通信系统的开发复杂程 度，并且更加易于调试和测试，从而有效缩短系统开发时问。 3 ) 费效比高。随着无线通信技术的发展，无线通信标准更迭速度加快。传统 无线通信系统由于采用功能固定的专用加速部件，难以在通信标准的更迭 中保持延续性。软件无线电的出现使得不同通信系统的硬件系统平台化成 为可能。从制造商角度看，平台化的硬件系统使得单一的硬件系统加上不 第2 页 国防科学技术人学研究生院硕十学位论文 同的软件就能构造不同的通信系统，无形中增加了硬件系统的产量规模， 降低了硬件系统的成本。从终端用户角度看，无线通信设备的使用寿命可 以通过软件升级延长。当用户由支持某种通信网络的地区移动到支持另一 种通信网络的地区时，软件无线电通信终端的网络切换能力使得用户无需 更换新的通信设备，从而有效减少用户购置通信设备的支出费用。从运行 商的角度看，通过软件升级就能提高通信网络的服务质量，减少设备更换 产生的费用。 4 ) 安全性强。无线电功能的软件化使得无线通信系统能够根据需求进行实时 改变，从而有效降低系统受到破解和干扰的可能，提高整个系统的安全性。 软件无线电在安全性方面的优势受到了军方的广泛关注。 基于可重构数据数据处理单元的可重构数字无线电( r e c o n f i g u r a b l ed i g i t a l r a d i o ) 一定程度上具有软件无线电的特性【2 】。基于可重构数据处理单元实现的设 计模式是对基于专用加速部件实现的一种改进，是对灵活性和功耗的一种折衷。 可重构数据处理单元具有一定的功能配置性，可重构数字无线电通过对可配置单 元进行配置在一定范围内改变无线电系统的功能。软件无线电则是以数字信号处 理器为核心，以软件编程方式定义无线通信系统的无线电功能。对比于基于专用 加速部件的传统硬件无线电和可重构数字无线电，基于数字信号处理器的软件无 线电具有最好的灵活性和扩展性。三种解决方案特点对比如图1 1 所示。 灵活性增加 一ja s i ci ! l j 删。习l m “ d s p 一 a s i cn s h a r e c u ： m m 一 d s p ll _一a s i c2 d s p i i一_ a s i cn 。 c u ：c o n t r o lu n i t e d s p ：d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r r d p u ：r e c o n f i g u r a b l ed a t ap r o c e s s i n gu n i t a s i c ：a p p l i c a t i o ns p e c i f i ci n t e g r a t e dc i r c u i t ，以擎j | j 集成 乜路为中心， 以可蓐构数宁信呼处胛单元 以d s p 为中心，辅以部分 d s p 作为 l l l 助h j为巾心，d s p 作为辅助a s i c 作为加速部件 ，灵活r 最年1 - j 4 4 迮灵活住 垃岛的灵活性 广功耗最低功耗较低 功耗鼓岛 图1 1 无线通信系统对比 无线通信标准的升级通常以采用更复杂的数据处理算法为代价，每次无线通 信标准的更迭都会给传输速率带来1 2 个数量级的提升，但同时对计算性能的需 第3 页 国防科学技术人学研究生院硕十学位论文 求也会增加1 3 个数量级。无线通信系统具有很高的实时性要求，软件无线电系 统的高计算性能需求和实时性要求给数字信号处理器造成巨大挑战。对于手机基 站等无线通信系统，数字信号处理器的功耗和面积不是最重要的设计指标，可以 采用多处理器系统或计算集群来承载计算需求。而对于手机等手持无线通信设备， 数字信号处理器的面积和功耗都受到苛刻的限制。为使软件无线电能够在手持无 线通信设备上实施，首先需要解决的是数字信号处理器的计算性能和功耗问题。 手持软件无线电对数字信号处理器的性能需求远超目前通用处理器和主流数字信 号处理器的性能水平【3 ，4 1 ，为此针对软件无线电应用的数字信号处理器一软件无线 电数字信号处理器( s o f t w a r e d e f i n e dr a d i od i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) 应运而生。 随着技术的发展，通信技术和计算机技术融合成为新的发展趋势，各种互联 网应用在个人手持无线通信设备上越来越普及。除了提供传统语音通信功能，个 人手持无线通信设备越来越智能化，并逐步演变成个人移动计算工具、移动下载 工具和多媒体娱乐工具。传统的个人手持无线通信设备采用不同处理器系统来满 足物理层通信和应用层计算需求。微电子技术的发展使得单芯片集成度越来越高， 集成晶体管数量越来越多，计算性能越来越高，传统个人手持无线通信设备中不 同处理器系统进行融合成为可能。无线通信标准的更新换代、通信标准的演进和 多媒体应用的多样化使得面向软件无线电的数字信号处理器需要满足高效性、易 编程性和适应性的需求，这给数字信号处理器结构设计带来巨大挑战。 软件无线电系统具有支持多种标准等诸多优势，已逐渐成为无线通信系统发 展的趋势。据预计到2 0 1 4 年手持软件无线电设备市场总额将超过2 5 0 亿美元，数 量将超过2 亿刽2 1 。有关手持软件无线电设备数量级市场总量的预测如图1 2 所示。 图1 2 软什无线电手持端市场预测图 据统计，2 0 0 8 年中国市场销售的手机数量达1 8 亿部，生产的手机数量达5 亿部。但是中国生产的大部分手机只是代工生产或贴牌生产，绝大部分手机采用 第4 页 国防科学技术人学研究生院硕十学何论文 台湾地区或外国厂商的解决方案。开腱面i 向软件无线电的数字信号处理器体系结 构研究有利于我国掌握下一代手持无线通信设备核心技术，提高我国在无线通信 领域的国际地位，具有重大意义。 1 2 软件无线电简介 软件无线电这种设计思想始于2 0 世纪9 0 年代，软件无线电完整的概念和结 构首先由j e om i t o l a 在1 9 9 2 年明确提出【5 ，6 】。软件无线电的基本思想是尽可能早将 信号数字化，然后以软件编程方式对数字信号进行处理，如图1 3 所示。软件无线 电的核心是数字信号处理器，数字信号处理器以软件方式对信号进行处理。软件 无线电系统通过修改数字信号处理器运行的程序改变信号调制、信道编码等信号 处理方法，即在同一硬件平台上运行不同软件实现以不同标准进行通信。根据软 件无线电论坛对无线电系统的定义，无线电系统可分为五个等级： 1 ) h a r d w a r er a d i o ，又称硬件无线电。硬件无线电系统完全基于硬件实现。 任何对无线电系统的参数修改都必须通过改变系统的硬件组成实现； 2 1 s o f t w a r e c o n t r o l l e dr a d i o ，又称软件控制无线电。这种类型无线电系统的 部分控制功能以软件方式实现，但是系统的射频部分和中频部分仍然以专 用硬件方式实现； 3 ) s o f t w a r e d e f i n e dr a d i o ，又称软件定义无线电，即俗称的软件无线电。该 类型无线电系统以软件方式实现基带信号处理，但射频部分仍采用固定硬 件实现； 4 ) i d e a ls o f t w a r er a d i o ，又称理想软件无线电。该类型无线电系统同软件定 义无线电系统一样采用软件方式实现基带信号处理，但模拟部分采用数字 化的部件实现； 5 ) u l t i m a t es o f t w a r er a d i o ，又称终极软件无线电。该类型无线电系统拥有强 大的信号处理能力，能够在很短时间内通过调整适应任何通信协议。终极 软件无线电系统的射频部分具有理想的功能，能够根据需求产生任何波 形。 当前技术水平对于实现理想软件无线电和终极软件无线电而言尚有巨大难 度，因此通常所说“软件无线电”既是指“软件定义无线电 ，在本文中“软件无 线电”和“软件定义无线电”两者概念互通。 软件无线电可使现有的无线通信体制具有很好的通用性和适应性，并可实现 多频段、多标准、多功能的无线通信体制，被视为无线通信领域的一次重大革命。 无论是在民用领域还是在军用领域，软件无线电都具有很好的应用前景。传统军 用无线电台存在互通能力差、升级困难等诸多缺点。通常陆、海、空等不同兵种 第5 页 国防科学技术大学研究生院硕十学位论文 之i 日j 采用不i r 0 的互相隔离的通信频段，虽然避免了兵种l 、h j 尤线通信互相干扰的问 题，但也给兵种间信息沟通、情报共享带来了极大困难。为此美国军方于2 0 世纪 9 0 年代先后开始启动“s p e a k e a s y ”计划和“j t r s ”计划，旨在为美国三军提供统 一的多频段多模式的联合无线电台。由于s p e a k e a s y 系统较好实现了软件无线电主 要设计思想，并具有开放的模块结构，整个系统具有很好的可编程性和灵活性。 s p e a k e a s y 系统包括2 m h z - 3 0 m h z 、3 0 m h z 5 0 0 m h z 、5 0 0 m h z i 5 g h z 3 个频段， 在通信体制上可以和现有1 5 中电台兼容，并同时与其中两种电台通信【5 6 l 。 图1 3 软件无线电系统结构示意图 1 3 国际国内研究现状 目前，无线电系统软件化设计模式已逐步在手机基站等无线通信设备上得到 广泛应用，但是由于手持无线通信设备对数字信号处理器的面积和功耗有严格的 限制，在手持无线通信设备上部署软件无线电尚面临诸多障碍，针对此学术界和 工业界展开了广泛的研究。目前的研究工作主要分为两个方向，一个方向是研究 无线通信系统在现有数字信号处理结构研究上的映射方法，验证利用现有处理器 结构实施软件无线电的可行性；另一个方向是针对软件无线电研究新型专用数字 信号处理器结构。 流处理器是一种针对图像处理等多媒体应用提出的数字信号处理器结构，r i c e 大学的s r i d h a rr a j a g o p a l 对无线通信算法在流处理器结构i m a g i n e 上的映射方法进 行了研究。研究表明无线通信算法一定程度上具有流计算特性，能较好在地在流 处理器上执行。s r i d h a rr a j a g o p a l 同时研究了对于无线通信算法如何设计流处理器 的计算簇数量、数据混洗模式等体系结构参数 7 1 。可重构计算被认为是一种数据流 驱动的低功耗数字信号处理器解决方梨8 ，9 】。不少学者对无线通信算法在a d r e s 、 m o r p h o s y s 、m o n t i u m 等可重构式结构数字信号处理器上的映射方法进行了研究【l o ， 1 1 ，1 2 ，1 3 ，1 4 ，1 5 ，1 6 ，17 1 ，映射结果表明这些可重构式结构数字信号处理器一定程度上满足 软件无线电的性能需求。部分商用数字信号处理器厂商还根据软件无线电需求对 现有结构进行改进，增加无线通信专用的指令。t i 公司对c 6 4 x 系列处理器进行改 进，增加了s h f l ( 位交错) 、d e a l ( 位去错) 、g m p y 4 ( 伽罗华域乘法) 和s s h v l ( 有符号位的变量移位) 等指令。a d i 公司则对t i g e r s h a r c 2 0 x 系列处理器进行改 进，针对v i t e r b i 译码增加专门的a c s ( 加比选，a d d c o m p a r e s e l e c t ) 指令，还 第6 页 国防科学技术人学研究生院硕十学位论文 针对f f t 运算设置了a d d s u b s t r a c t ( d u a lo p e r m i o n ，州时执行加法和减法操作) 指 令，并且支持b i t r e v e r s a l ( 位反) 寻址。 除了研究利用现有数字信号处理器结构实施软件无线电的方法，学术界和工 业界还对软件无线电专用的数字信号处理器结构进行研究，提出了多种新型的处 理器结构。m i c h i g a n 大学s d r 小组针对w - c d m a 和8 0 2 1 1 a 等典型第三代无线通 信标准进行了研究，并根据无线通信算法特点提出了s o d a ! 埔，1 9 j 处理器结构。该 小组还对该结构进行改进，先后提出s c o t c h l 2 0 1 和a n y s p t 2 l 】两种改进型的软件无线 电数字信号处理器结构。l i n k o n p i n g 大学的刘大可教授及其领导的小组针对无线通 信基带信号处理提出了专用的基带处理器b b p1 2 2 ，2 3 】( b a s e b a n dp r o c e s s o r ) ，b b p 采用了分离的向量复数算术部件和向量复数乘加部件，b b p 通过特殊设计使得指 令效率极高，实现8 0 2 1 1 a 标准程序仅有2 6 7 8 字节，实现8 0 2 1 1 b 标准程序也仅有 1 5 6 6 字节。n x p 半导体公司针对移动通信基带处理推出的第二代e v p 是比较成功 的软件无线电数字信号处理器之一，有报道三星公司将基于该处理器推出兼容 t d s c d m a 和w - c d m a 等多种通信标准的软件无线电通信设备【2 4 1 。除此之外， i n f i n e o n 公司的m u s i c t l 】系列数字信号处理器和s a n d b r i d g e 公司的s a n d b l a s t e r t 2 5 ，2 6 ， 2 7 ，2 8 1 系列数字信号处理器也都是面向移动通信基带处理的数字信号处理器，这些数 字信号处理器基本能满足第三代无线通信标准的需求，但距离大规模商用尚有不 小距离。 国内不少学者和研究机构也针对软件无线电数字信号处理器也开展了研究， 国防科学技术大学方兴博士根据对无线通信算法特征研究有针对性地提出了一种 s i m d 向量式处理器结构s p v a 2 9 】，西北工业大学的高德远教授提出了一种可重构 流式处理器结构【3 0 1 ，这些结构在无线通信领域上相对于普通数字信号处理器结构 均有不小的性能提升。 1 4 主要研究内容 本文研究源于自然科学基金项目和“c a s t 创新基金”项目，旨在提出一种面 向软件无线电的专用数字信号处理器结构，并实现其结构原型，为后续更深入研 究提供一个测试和评估的基础平台。本文完成的主要工作内容有以下几点： 分析软件无线电对数字信号处理器的性能需求； 分析现有软件无线电数字信号处理器体系结构原理，总结各自结构的设计 出发点，优点和缺点； 总结软件无线电数字信号处理器未来可能的发展趋势； 在分析现有软件无线电数字信号处理器结构的基础上，提出一种面向软件 无线电的数据处理单元结构，完成该数据处理单元体系结构、指令集和功 第7 页 国防科学技术人学研究生院硕+ 学位论文 能部件的设计； 完成对数据处理单元的时钟行为建模，得到相应的汇编器、链接器、模拟 器以及r t l 描述； 对f i r 滤波、f f t 和矩阵乘法三种算法进行映射，利用定义的指令集设计 三种算法的汇编程序； 利用映射的算法程序和模拟器对数据处理单元进行性能评估，得到执行每 种算法所需的时钟周期数： 对数据处理单元的r t l 描述进行综合，得到面积、功耗等参数。 1 4 文章组织结构 本文分为六章，全文组织结构如下： 第一章，绪论，介绍本文研究内容的相关基本概念、应用背景以及应用前景， 概括了全文主要研究内容。 第二章，软件无线电数字信号处理器分析，分析当前软件无线电数字信号处 理器所面i 临的挑战，对比研究现有软件无线电数字信号处理器结构，总结各种结 构的设计出发点、优点和缺点，概括软件无线电数字信号处理器未来可能的发展 趋势。 第三章，面向软件无线电的数据处理单元体系结构设计，根据对现有软件无 线电数字信号处理器结构的分析，提出一种异构多核的处理器结构，然后详细该 结构的核心一数据处理单元体系结构的设计思路及组成。 第四章，数据处理单元模块设计与实现，详细介绍数据处理单元中控制模块 和执行模块两个主要模块的详细结构和实现过程。 第五章，数据处理单元测试和评估，以f i r 滤波、f f t 和矩阵乘法三种无线 通信中的典型算法作为测试算法，对数据处理单元进行性能评估。同时对数据处 理单元的r t l 描述进行逻辑综合，得到门数量、面积和功耗等参数。 第六章，结束语，总结本文主要完成的研究工作以及当前研究工作中存在的 一些不足之处，并对未来研究工作思路进行设想。 第8 页 国防科学技术人学研究生院硕十学何论文 第二章软件无线电数字信号处理器分析 支持多模是手机等手持无线通信设备未来发展趋势，目前在手持无线通信设 备部署软件无线电尚存在诸多困难，其中数字信号处理器难以满足软件无线电的 性能需求是最大的障碍。面对软件无线电对数字信号处理器的挑战，学术界和工 业界对多种现有数字信号处理器结构实施软件无线电方法进行了研究，还提出了 多种类型的软件无线电专用的微结构。 2 1 软件无线电数字信号处理器所面临的挑战 目前全球尚在使用的第二代移动通信技术的传输速率在10 0 k b p s 以下，正在 大规模部署的第三代移动通信技术将传输速率提升至1 0 m b p s ，开始试验部署的第 四代移动通信技术的传输速率将达到1 0 0 m b p s 甚至是1 g b p s 。每一次无线通信技 术的更新换代都会给传输速率带来1 2 个数量级的提升，但技术的升级是以采用 更复杂数据处理算法为代价。因此每次无线通信标准更迭对计算性能的需求会有 l 3 个数量级的提升。然而几十年来电池技术的发展相对迟缓，在每代标准的更迭 周期中只允许手持设备的耗电量增加3 5 倍。软件无线电对数字信号处理器的计 算性能需求以及对其的功耗限制是软件无线电数字信号处理器所面临的两个最重 要挑战。 2 1 1 软件无线电数字信号处理器所面临的性能挑战 w - c d m a 和8 0 2 1 l a 分别是目前具有代表性的第三代移动通信技术和无线局 域网接入通信技术，其计算性能需求代表了目前典型无线通信对数字信号处理器 的计算性能需求水平。文献 1 9 】以a l p h ar i s c 处理器为目标载体，对w - c d m a 和 8 0 2 1 l a 这两种无线通信标准中核心算法的计算复杂度进行了研究。这两种标准的 核心算法的计算负载情况如表2 1 、表2 2 所示。 新一代( 第四代) 无线通信技术致力于提高无线通信的传输速率，届时无线 通信传输速率将达到1 0 0 m p b s 甚至1 g p b s 。为达到如此好的传输速率，第四代移 动通信技术普遍采用了更为复杂的m i m o ( 多天线输入输出) 、o f d m ( 币交频分 复用) 以及l d p c 编解码技术。这些技术主要的算法包括s t b c 、v - b l a s t 、 f f t f l f f t 和l d p c 等。文献【3 1 】对第四代移动通信标准的计算负载进行了研究， 在以s o d a 为目标载体的条件下，第四代移动通信技术核心算法在1 0 0 m p b s 和 l g p b s 两种传输速率下的计算负载情况如表2 3 所示。