（电路与系统专业论文）基于VXI总线的多DSP处理器模块的设计[电路与系统专业优秀论文].pdf

摘要 无线电通信技术的不断进步，极大地促进了无线电通信业务的发展，为了提 高频谱资源的有效利用，维护空中通道的畅通，无线电监测成为必要。近几年， 随着软件无线电技术的发展，监测设备的水平也取得了很大的进步。 本文涉及的宽带数字监测接收机采用的是v x i 总线技术，并结合了最新的 软件无线电技术、d s p 技术，它的研究将可以满足我国无线电监测的实际需要。 随着d s p 技术的飞速发展，d s p 处理器以他所具有的系统构成灵活、可编程、 运算速度快、数据处理和通信能力强以及适应面广的特点，使其广泛应用在通信、 航空航天、医疗仪器、工业控制等领域中。 本文作者主要研究监测接收机中多d s p 处理模块的软硬件设计。宽带数字 监测接收机的中频处理数据量大、实时性高，对d s p 芯片提出了很高的要求。 作者采用的是a d 公司的高性能数字信号处理器a d s p t s l 0 1 ，a d s p t s l 0 1 是 t i g e r s h a r c 系列d s p 中的一款，具有工作频率高、强大的浮点运算能力、高速度 数据吞吐以及大容量的片内存储器的特点，非常适合在雷达、声纳、软件无线电 等领域全数字化处理中进行巨大的运算量和数据通信。本文提出了一种双 t i g e r s h a r c 结构的多处理器系统，第一片a d s p t s l 0 1 直接从a d 模块高速读取 数据，两片t i g e r s h a r c 通过l i n k p o r t 进行片间高速的数据传输，多处理器模块采 用一片e p r o m 对多片a d s p t s l 0 1 进行初始化程序加载。本文还对p c b 布线 以及软件算法进行了初步的探讨，提出了一些有效的方法。 关键词：监测接收机：a d s p t s l 0 1 ；多处理器；p c b a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fr a t i ot e c h n o l o g y , t h er a t i o c o m m u n i c a t i o no p e r a t i o nh a s b e e nl a r g e l yp r o m o t e d f o rm a k i n gu s eo ff r e q u e n c yr e s o u r c e se f f e c t i v e l ya n dm a k i n g a i rc h a n n e lf r e e ，w en e e dr a t i om o n i t o r i n gn e c e s s a r i l y i nt h el a s tf e wy e a r s ，w i t ht h e d e v e l o p m e n to f s o f t w a r er a t i ot e c h n o l o g y , t h el e v e lo ft h em o n i t o re q u i p m e n t sa l s o o b t a i n e dt h eb i ga d v a n c e i nt h i sp a p e r , t h eb r o a d b a n dm o n i t o r i n gr e c e i v e ra d c i p t sv x i b u st e c h n o l o g ya n d s o m eo t h e r t e c h n o l o g i e s s u c ha st h el a t e s ts o f t w a r er a t i o t e c h n o l o g i e s ，d s p t e c h n o l o g i e s t h er e s e a r c ho f t h em o n i t o r i n gr e c e i v e rc a ns a r i s f yt h ea c t u a ln e e do f r a t i om o n i t o r si no u rc o u n t r y w i t ht h ef a s td e v e l o p m e n to fd s p t e c h n o l o g i e s t h ed s p sa r ew i d e l ya p p l i e di n m a n yf i e l d s ，s u c h a sc o m m u n i c a t i o n s ，a v i a t i o n sa n d s p a c e f l i g h t ，m e d i c a l t r e a t m e n t i n s t r u m e n t ，i n d u s t r y c o n t r o la n ds oo n t h ed s ph a sm a n ym e r i t s ，i n c l u d e df l e x i b l e s y s t e mf o r m s ，p r o g r a m m a b l e ，h i g hs p e e dc a l c u l a t i o n ，s t r o n gc a p a b i l i t y i nd a t a p r o c e s s i n ga n dc o m m u n i c a t i o n ，a n de x t e n s i v ea p p l i c a b i l i t y i nt h i sp a p e r , t h em a i nr e s e a r c hi st h es o f t w a r ea n dt h eh a r d w a r ed e s i g no ft h e m u l t i p r o c e s s o rm o d u l e t h eb r o a d b a n dm o n i t o r i n gr e c e i v e rr e q u i r e s ak i n do fc h i p w i t h h i g hp e r f o r m a n c e b e c a u s eo f c o m p l i c a t e d i n t e r m e d i a t e f r e q u e n c ys i g n a l p r o c e s s i n g t h e a u t h o ra d o p t sak i n do f h i g hp r o f o r m a n c ed i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r c a l l e da d s p - t s l 0 1 a d s p - t s l 0 1 p r o v i d e sh i g hw o r k i n gf r e q u e n c y , s t r o n g f l o a t o p e r a t i o nc a p a b i l i t y , h i g hs p e e dd a t ap r o c e s s i n ga n di n t e r n a lm e m o r yw i t hl a r g e c a p a c i t y i ta d a p t s t ob e a p p l i e d t o l a r g ec o m p l e t ed i g i t a l d a t a p r o c e s s i n g i n r a d a r , s o n a r a n ds o f t w a r er a t i o s y s t e m t h e a u t h o r p u t f o r w a r dak i n d o ft w o t i g e r s h a r c ss y s t e m t h ef i r s ta d s p t s l 0 1r e a dd a t af r o m 加m o d u l ed i r e c t l y t h e t w o t i g e r s h a r c s t r a n s m i td a t af r o me a c ho t h e r t h r o u g h l i n k p o r t s i nt h i s m u t i p r o c e s s o rs y s t e m ，t h ea u t h o ra d o p t sae p r o m t ol o a dt h et w op r o c e s s o r s t h e t h e s i sd i s c u s s e st h ep c ba n ds o f t w a r ea r i t h m e t i c s i m p l y a n d p u tf o r w a r d s o m e e f f e c t i v em e a n s k e yw o r d s ：m o n i t o r i n gr e c e i v e r ；a d s p t s 10 1 ；m u l t i p r o c e s s o r ；p c b i i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个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 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业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 己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：盘墅! 望 日期： 关于论文使用授权的说明 兰2 鲤堑姐z f 日 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 1 签名：盘鉴垦导师签名纽 第1 章绪论 1 1 课题背景 本课题主要研究基于v x i 总线的宽带数字化频谱监测接收机。它是针对目 前无线电频谱监测的需要研制的，可以为无线电管理提供技术手段，也可以用于 军事领域。 无线电频谱作为一种有限的自然资源，是人类社会和经济发展的物质基础， 也是构成现代人类生存条件的基本要素。随着通信事业的发展及工控、医疗设备 数量增加，电磁环境曰益恶劣，各种突发性的干扰破坏了正常的通信秩序，给通 信运营单位和广大用户带来了经济损失，甚至严重地威胁到了国家和人民生命财 产的安全。无线电监测工作的主要任务是，通过无线电监测保护无线电频谱资源 不被非法占用，保护无线电通信的畅通，为无线电频率资源的规划提供技术依据。 因此，积极地开展常规的无线电监测工作，变被动的查处干扰为主动的发现、查 找违规台站，是无线电监测今后的方向。 目前，我国的无线电监测技术水平与国外先进国家还有不小的差距，无线电 监测设备相对落后。对于频率涵盖范围宽( 2 0 3 0 0 0 m h z ) 、扫描速度快( 1 g h z s 以上) 并具备快速全频段实时频谱显示和记录的无线电监测接收设备国内尚不能 生产。本课题研究的宽带监测接收机可以完全满足我国无线电监测的实际需要。 1 2 软件无线电中的数字信号处理技术 1 2 1 软件无线电中的数字信号处理技术概述 软件无线电( s o f t w a r er a d i o ) 1 1 1 3 1 是近几年才提出的一种新的无线通信体系 结构， 其基本思想是把硬件作为无线通信的基本平台，而把尽可能多的无线通 信功能用软件来实现。这样无线通信新系统、新产品的开发将逐步转到软件上来， 而无线通信的产品价值将越来越多地体现在软件上。这是无线通信领域继固定到 移动、模拟到数字之后的第三次革命。从软件无线电的技术实现来看，核一t l , 是在 数字领域通过软件来实现各种无线通信功能，因此，决定性的步骤就在于将a d 、 d a 变换器尽量向射频端靠拢。从目前的技术发展水平来看，应用宽带或多频段 天线，将整个中频频段作a d 变换，中频之后的整个处理采用通用的可编程数 字器件和软件来实现。原理图如图1 - 1 所示。可看出：这样一个系统中，数字信 号处理部分是非常关键的，这就对高速a d 变换器，高速d s p 和数字中频处理 等从设计到实现诸环节都提出了很高要求。 1 2 2 软件无线电中的数字信号处理技术 软件无线电接收的射频信号经射频前端的处理后，变成宽带中频信号。从现 有的技术和器件水平来看，只能在中频对模拟射频信号进行量化处理，使之成为 数字信号。这样一来，对a d 变换器的要求主要是采样速率和采样位数。采样速 率主要由信号带宽决定。根据n y q u i s t 4 采样定理只要2 倍于信号带宽的采样速 率就可不失真地恢复原信号，但一般实用中采样速率至少应大于2 5 倍的信号带 宽。采样速率高，会带来额外的信噪比增益，当然采样速率也不能太高，因为必 须考虑到采样后系统和a d 变换器的处理能力。a d 变换器的位数则必须满足 一定的动态范围要求及数字处理部分的精度要求，在现有a d 转换器的主要技 术指标中般8 0 d b 的动态范围，分辨率不小于1 2 位。基本的数据采集原理结 构如图1 2 所示。 在软件无线电中，为了满足软件无线电对数据采集模块的需求，需进一步提 高数据采集的性能。在基本的数据采集结构的基础上，可采用一些改进的采集技 术。 ( 1 ) 正交采样技术 在正交采样2 1 中，将要进行数字化的信号分成两个分量，其中一个分量乘以正弦 波，下变频到零中心频率上，形成与原信号相同的信号；另一个分量乘以9 0 0 相 移的正弦波，下变频到零中心频率上，形成与原信号相位正交的信号。每一分量 只以原信号的1 2 带宽出现，以原信号的1 2 采样速率进行取样，因此采用两个锁 相a d c 代替一个a d c 。由此可见，正交采样可减少要求的采样率，只是增加了 采样的负担。 ( 2 ) 带通信号采样技术 一般从前一模块送出的是带通的模拟信号，对于这类信号可以采用带通采样 的方法以低于抽样定理中的n y q u i s t 采样率进行模数转换，从而提高a d c 的性 能，降低对a d c 的需求。其基本思想是：理想的带通信号在低于一定频率b 和高 2 a d d d c高速d s p 宽带 彗卜j ，1 j $ 计 g d 肛 1 、1 算 _ = = 梳- 多频 州 雾 d u c 程器件编 黟 天线射频部分高速处理部分低速处理部分 图1 - 1 软件无线电结构示意图 图1 - 2 基本的数据采集原理结构 于一定频率f h 的范围里频率分量为零，所以对带通的中频信号，只要采样率不 低于两倍的信号带宽f h _ ，时域的采样就不会导致信号频谱的重叠。同时，还 应满足： 2 f 。k f ，辫妊 孓。蔫；溉段 图2 - 1 5 各a d s p t s l 0 1 程序在e p r o m 中的存放位置 本章主要介绍了多d s p 处理器模块的硬件设计，包括多处理器系统簇式结 构设计、外围接口设计、外存储器设计、时钟电路以及复位电路的设计等等。并 仔细介绍了多t i g e r s h a r c 系统的初始化引导设计。 第3 章d s p 模块的软件设计 第3 章d s p 模块的软件设计 3 1 监测接收机软件结构概述 根据v x ip l u g & p l a y 规范，v x l 零槽控制器e 8 4 9 1 b 提供了v i s a 标准i o 库 和a g i l e n t 自己的标准库s i c l ，为了应用程序移植方便和符合即插即用规范，本 系统选用v i s a 2 【1 3 】作为计算机与v x i 系统的通信接口。通过v i s a ，可以使用 仪器生产商提供的驱动程序或直接在应用程序中调用v i s a 函数和仪器通信。通 过v i s a 库，外部控制计算机可以通过接口透明地控制v x i 器件。 对于监测接收机来说，v x l 3 5 7 0 、a d c 模块、e 8 4 9 1 b 都是消息基模块，它们具 有解释和执行通过字串行协议 2 】 15 】【1 6 】发来的a s c i i 命令的能力。同样，为了系统 控制方便d s p 模块也应是消息基器件。v x i 系统的通信和控制是分层次的，宽 带数字化监测接收机的控制结构如图3 - 1 所示： 图3 - iv x i 监测接收机系统控制结构图 主从结构分两层，零槽控制器作为高层命令者，外部控制计算机通过它直接 控制射频模块从者和d s p 模块从者；d s p 模块作为底层命令者控制a d c 模块。 在执行全景频谱扫描时上层命令者控制v x l 3 5 7 0 2 步进调谐，同时按一定同步时 序命令d s p 模块作相应频段的信号处理，信号处理要求通过命令发送给d s p 模 块。d s p 模块控制a d c 模块，根据相应频段的信号特点、信号处理要求发送采 样要求命令。 v x l 3 5 7 0 是消息基模块，它具有解释和执行通过字串行协议发来的a s c i i 北京工业大学工学硕士学位论文 命令的能力。随机带有v x l 3 5 7 0 通信协议，实际上是一些a s c i i 字符串。通过 调用v i s a 库函数就能实现对v x l 3 5 7 0 的调谐。 系统采用调用v i s a 函数v i w r i t e 0 对v x l 3 5 7 0 进行调谐控制，将a s c i i 字 符命令作为数据发给3 5 7 0 ，典型的调用方式为： s t a t u s2v i w r i t e ( i n s t r ，”c o m m a n ds t r i n g ”，3 5 7 0 a d d e s s ，& r e t c o u n t ) 。 其中命令串可以为所有v x l 3 5 7 0 命令，如“f ? ”、“f 1 2 3 4 5 6 7 8 9 ”等。由于仅将 v x l 3 5 7 0 作为射频中频调谐器使用，涉及的命令很少，依次主要有： ( 1 ) 扫描前使用“q o ”关闭频率自动控制功能，以免调谐时本振漂移。 ( 2 ) 发命令“f x x x x x x x x x ”使3 5 7 0 射频接收调谐到需要的频率，参数为 x x x x x x x x x g h z 。 ( 3 ) 发命令“f ? ”后读回返回值确认调谐已成功。 d s p 模块直接控制a d c 可提高两者之间的数据传输速度，加强系统实时性。 v x l 3 5 7 0 由计算机控制有利于使用v x l 3 5 7 0 的窄带解调等功能。采用两层主从 结构可以简化控制，底层从者a d c 模块只需和d s p 模块通信，其功能对上层控 制者是透明的。a d c 转换器的采样参数与信号处理要求和信号特点( 如电平) 有关，d s p 模块据此计算采样要求( 如采样时间、满幅度值等) 后，直接发送给 a d c 转换器而无须上层的命令者参与。 采用两层结构简化了控制，但对d s p 模块的控制能力提出了一定要求，软件功 能主要由三部分完成：信号处理；消息基命令接口：a d c 模块驱动。信号处理 完成接收机需要的算法和数据处理。消息基命令接口负责和外部控制计算机通 信，包括两部分内容：首先需定义d s p 模块的命令集协议，计算机通过此协议 控制d s p 模块并给d s p 模块指定任务；其次是命令集的解释程序，它为d s p 模 块的其它程序提供统一的接口。a d c 模块驱动负责通过v x i 总线访问控制a d c 模块并读取采样数据。d s p 模块的任务调度和通信由一个程序或操作系统负责。 系统中用d s p 处理接收信号的软件流程如图4 3 所示。具体来说，当用户 需要频谱监测时首先进行参数设置【”i ，包括起始频率、结束频率、需要的频率分 辨率、频谱分析时的门限等。外控计算机决定频谱扫描时v x l 3 5 7 0 应调谐的一 系列点，并控制其等距地步进调谐扫过需监测的频率段。控制v x l 3 5 7 0 调谐在 一个频率点上后向d s p 发消息，通知d s p 进程可以启动信号采样。d s p 向a d c 模块发命令开始数据采集，执行相应的d s p 子程序。 d s p 以中斯赢式接收串口载 据( 控制命令2 ，以d 錾坊 武接收链路口信号样值 上 d s p 响应控制命令的 中断服务程序 0 工作模式机当 调用相应工作模式的i ) s p 弛理予程序进行；i 蠼 。 卜囊 山 响应帛口中断一- 数据处 理 。； ：i ) d s l , 控镧漉程 。 湛，d s p 继理漉程 _ | 图3 - 2d s p 处理信号软件流程 3 2 多d s p 处理器模块的任务分配 多d s p 处理器模块主要完成a d 模块采样后的数字信号处理，包括进行数 字下变频处理、滤波、f f t 谱分析以及功率普估计等，除此之外，还要响应来自 2 1 8 i 高速接口模块的控制信号。第一片a d s p t s l 0 1 从a d c 模块直接读取采样 后的数据，通过串口响应2 1 8 1 的控制命令，接收数据后进行数字下变频处理以 及相应的滤波。第二片a d s p t s l 0 1 通过l i n k p o r t 接收来自第一片a d s p t s l 0 1 处理后的数据，进行f f t 谱分析以及其他一些处理，处理完成后，将数据传入 专用的解调模块中。任务分配图 1 4 】如图3 + 3 所示。 北京= ：i _ ：业大学工学硕士学位论文 a d c 中频数据流 3 3 零中频处理 图3 - 3 多d s p 模块任务分配 对于带通信号【”】来说，由于在低频附近频谱为零，信号高频分量较大使 信号是快变化的，因此要求的数字信号处理速度较快。但其频带位置信息即中频 点对频谱是冗余的，将原信号变换为基带信号，使信号成为慢变化的基带信号， 可以降低对数据处理速度的要求。另外当中频点0 ) o 取为通带中点时带宽也取为 一半，同样也可降低数据流速。 如果x ( n ) 为带通信号，则其频谱x ( e “) 在区间l 旧f ( 0 2 之外为零，信号归 一化角频率带宽为b = a 0 2 0 ) 1 。对于带通信号x ( n ) ，取其通带内任一点o ，可以将 x ( n ) 相对o 分解为两个相互正交的部分，如式( 3 1 ) 所示，其中称i ( n ) 为x ( n ) 的同相分量，q ( n ) 为正交分量。 工( 月) = r e z ( n ) = i ( n ) c o s c o o n q ( n ) s i n 脚o ( 3 - 1 ) 上式中的z ( n ) 只保留了x ( n ) 的正频率部分，但却保留了x ( n ) 的所有信息，称 之为x ( n ) 的解析表示，z ( r 1 ) 是复信号，其实部是x ( n ) ，虚部是x ( n ) 的h i l b e r t 变换， 即： fr e z ( n ) = x ( 胛) 。 ( 3 - 2 ) i i m z ( n ) 】= 工( 以) 实信号序列x ( n ) 的h i l b e r t 变换为x ( n ) ，x ( n ) 由下式确定： 狲砌黝= 昙差错 。， 由式( 3 3 ) 可见，x ( n ) 与h ( n ) 卷积是将x ( e j - ) i e 频率部分相位分量滞后n 2 ， 负频率部分相位分量超前r d 2 ，因此工( n ) 的频谱与x ( n ) 的频谱有相同的幅度分量， 相位分量相差刑2 ，即x ( n ) 与其h i l b e r t 变换z ( n ) 是正交的。 式( 3 - 1 ) 可变形为 x ( n ) = a ( n ) c o s c o o n + 妒( ) 】 ( 3 - 4 ) 其中： 一( 竹) = ，2 ( 玎) + q 2 ( 胛) 阳) ：a r c t a n 器 国( 疗) = 妒( n + 1 ) 一妒( 盯) 式( 3 4 ) 说明带通信号可以写成已调制信号的形式，其中a ( n ) 称为x ( n ) 的 瞬时包络，【p ( n ) 为瞬时相位，( n ) 为瞬时频率。 通过以上分析可知，带通信号的瞬时幅度包络、相位可以通过同向分量i ( n ) 、 垂直分量q ( n ) 计算获得，由于无线电信号处理般都是对已调信号的幅度、相 位和频率进行处理，因此将带通信号表示为基带信号便于信号处理。对频段不同 的带通信号，统一变换为基带信号后就可以使用同样的信号处理算法和程序段进 行处理，有利于软件开发。由式( 3 1 ) 可得正交分解应遵循式( 3 5 ) ： x ( ，n ) * 2 c o s c o 。r t 叫? ) “( ”) c o s 2 0 1 0 n q ( n ) s i n 2 c o o n ( 3 - 5 ) 【z ( n ) 2 s i n m o 竹= 一q ( 月) + q ( n ) s i n 2 c o o n + i ( n ) c o s 2 c o o n 可见，通过正交调制可以将x ( n ) 分解为两个频带的信号，处于基带的i ( e j m ) 、 q ( e j 。) ，处于高频段的i 【e j ( ”2 。】、q e j ( ”2 啪】。以i ( n ) 的频谱为例，频谱变换过程 如图3 - 4 所示。 由于数字信号序列的频谱是相对2 兀周期延拓的，因此位于高频端i 【e ，2 】 大于7 c 的部分将相对7 r 反折回来，这将有可能引起i 【e 拍“ 与基带的i ( e j m ) 发生 混叠a 图中x ( n ) 频谱x f 接近冗，因此2 o 将大于兀，l i e j “】的中点相对兀 2 7 反折的距离是f = 2 m o 一7 【，其中点为2 兀一2 o ，显然当其大于基带信号i ( n ) 的带宽 l f = 2 ( 0 0 一丌i f 一一一一一一一一一一一一一一。制 ：e j o j ) 淤e “+ 2 ，x 抽， ，：i | 烈蠢。 0 2 - - 2 n ( d 1 o 兀 图3 - 4 基带信号i ( n ) 的频谱变换过程 b i 的两倍时会发生两个频谱的混叠。由b ，= m a x ( c 0 2 一，t o o 一国1 ) 得到不发生混 叠的条件如式( 3 - 6 ) ： 丌一o m a x ( o ) 2 0 3 0 ，国。一1 ) ( 3 6 ) 上式表明混叠与o 的位置和信号的带宽有关。对于采样后通带必定在( 吼，+ 兀) 之内的带通信号x ( n ) ，如果取通带的中点即( d o = ( o l + 2 ) 2 ，式( 3 6 ) 是恒满 足的，但如果x ( n ) 的高端截止频率0 3 2 邗，i 【e j ”2 “1 】与i ( e j 。) 正好处于相邻的混 叠临界状态。如果x ( n ) 的高端截止频率0 3 2 r d 2 ，将不会发生i 【e 如“蚶】的反折，从 根本上去除了混叠，并且此时它与基带信号的距离最远，有利于以后的滤波处理。 对于监测接收机系统来说，以采样率1 7 1 2 m s s 采样将中频为2 1 4 m h z 的 带通信号下变频到4 2 8 m h z ，这样a d c 模块输出宽带数字中频信号的中心频率 4 2 8 m h z 、带宽6 8 m ，即信号分布在( 0 8 8 ，7 6 8 ) 频率范围内。经与本振4 2 8 m 混频，基带分量为3 4 m ，高频部分经频率反折在5 1 6 m 处形成镜频，这样要求 设计的滤波器在5 1 6 m 处衰减大于6 0 d b 。由于信号的最高频点接近采样率的一 半，与数字本振混频后存在信号与其同频率点的高频镜像干扰。对频段中点进行 混频，避免了混叠，但不能消除镜像干扰，只能采用过渡带较窄的滤波器减小镜 频干扰。滤波器的过渡带较窄，不适合采用c i c 这样的算法计算量小的滤波器， 采用f i r 滤波器。低采样率数字下变频正交分解实现如图3 5 所示，图中的低通 滤波h l ( n ) 是3 8 阶的f i r l 2 0 1 【2 l 】【2 2 1 滤波器。 第3 章d s p 模块的软件设计 图3 - 5 低采样率数字下变频正交分解 一般来说，计算量与滤波器阶数、滤波器类型和软件算法有关，可以采用最 常使用的定系数乘累加f i r 计算计算量。 单级抽取计算量： m p s j = ，( 虬+ i ) 2 d ， a e s j = ，( 一1 ) d ， ( 3 7 ) 【m e m o 叫= 2 + 1 单级内插计算量： m p s j = f ( i j 1 ) ( i + 1 ) 2 a p s j = ，( 川一1 ) ( i j 1 ) ( 3 ) m e m o r y = 2 ( n j + 1 ) 上两式中，m p s 为每秒次乘运算，a p s 为每秒次加运算，m e m o r y 为需要的数据 缓存，f 为抽取或内插处理前的数据流速或吞吐率。 此处计算量主要为两个抽取滤波，在默认情况下采用低采样率变换一帧的计 算量为：1 6 3 8 4 + ( 3 8 4 + 3 8 2 ) + 2 = 0 9 5m f p o ( m i l l i o n f l o a tp o i n to p e r a t i o n ) 。因为每 秒有1 0 0 帧数据，d s p 运算能力要求大于9 5m f l o p s ( m i l l i o nf l o a t i n gp o i m o p e r a t i o n sp e rs e c o n d ) 。 上面提到的低采样率数字下变频正交分解滤波器的实现比较困难，相应的我 们提出了高采样率下数字下变频正交分解的方法。 提高采样率后再进行数字下变频有如下优点： ( 1 ) 可以消除折反到低频部分的高频镜像。 北京工业大学工学硕士学位论文 ( 2 ) 提高信号的时域分辨率，因为与数字本振混频是在时域处理的，而实际 的数模变换都可能产生定的异常值，因此太低的采样率不利于时域处理的精 度。通过提高采样率可以减小这些异常值得影响。 ( 3 ) 提高采样率还是数模变换的量化噪声分布在比较广的频率范围上，通过 后处理可以减小量化噪声影响，在一定程度上改善信噪比。 ( 4 ) 方便信号的时域显示，监测接收机需要具有显示信号波形的功能，提高 采样率后有较高的时域分辨率可以直接显示，也可由各种插值方法进一步提高采 样率后显示波形。 提高采样率的方法采用内插。对于我们感兴趣的( 0 8 8 m ，7 6 8 m ) 范围内的信 号最高频率分量是7 6 8 m h z ，如果采用4 倍内插可使采样率提高到6 8 4 8 m s s ， 则可使在此频率范围内的周期信号每周期最少采样点接近1 0 个，为随后的正交 分解提供较好的时域分辨率。 两种较为理想的插值方法是理想内插和零值内插( 简称为内插) 。在多采样 率数字信号中最常使用的是零值内插。数字序列x ( n ) 在每两个采样点之间插入i - 1 个零点得到序列y ( m ) 。 y ( 咖x 9 一叭爿a a 1 0其他m 数字序列频谱采用归一化的圆周频率， 傅里叶变换为y ( d 血) ，其中： ( 3 - 9 ) 因此x ( n ) 的傅里叶变换为x ( e i 。x ) ，y ( n ) 珊，= 2 玎，曲，= 2 r e 了j ， = 玑 因此。= i ( o t 。 对式( 3 - 9 ) 取傅里叶变换有： 驴) = 一，= 薹x ( 孑) p 一= 套( 号) 已峙 因此可得： y ( e i 。1 ) = x ( e i 。x ) = x ( e j 。1 )( 3 一1 0 ) 由于y b 1 ) 是x ( e i 州) 在( 0 i 上的尺度? i - n ，将x “) 的自变量( 0 ，替换为姐，可 见x ( o “) 与x ( o ”x ) 形式相同，因此，y ( e i 。1 ) 也是x ( o “) 在( 0 i 上的尺度i i , - n 。y ( d 。f ) 第3 章d s p 模块的软件设计 不仅包含了频率小于 o f 的基频部分，还包括i 一1 个基频的高频镜像。为了与直 接用采样率f i 采样x ( t ) 结果相同，需要对v ( 0 叫) 低通滤波，滤去高频镜像，称为 抗镜频滤波。 图3 - 6 表示了高采样率下变频正交分解的过程，首先通过4 倍内插将采样率 提高到6 8 4 8 m s s ，经与正交数字本振相乘后滤波抽取至8 5 6 m s s 采样率的i 、 q 信号输出。图中内插滤波器h 2 ( n ) 、h 3 ( n ) 均采用6 阶i l k 椭圆滤波器。信号经内 插后提高了采样率，与数字本振进行下变频正交分解，由式3 - 1 1 可确定本振， 此时采样率为6 8 4 8 m s s 。混频后通过低通滤波器h 3 ( n ) 滤去高频镜像，再经8 倍 抽取获得8 5 6 m s s 采样率输出的零中频正交信号。 信号的频率中点为4 2 8 m ，数字本振频率为对采样率归一化圆周频率，因此 正交的本振为：。2 1 r * 生鸳丝。，s i n 2 z r * 罂丝珂 ( 3 1 1 ) j 。j 。 将采样率6 8 4 8 m 带入上式就可得到数字本振的具体值。 2 c o s 23 i 咪( 4 2 8 3 4f f t 谱分析 - 2 s i n 2 饥米( 4 2 8 6 8 4 8 ) n 图3 - 6 高采样率数字下变频正交分解 i ( n ) 中频 4 mb w 母( 1 3 ) 第二片a d s pt s l 0 1 主要完成f f t 谱分析，在监测接收机进行常规扫描时 采用每个6 8 m 频段采样l m s 的工作方式，而在一个频段内接收机驻留小于1 0 m s 以保证6 8 0 m h z s 的扫描速度。l m s 数据块经正交变换后形成8 1 9 2 点的复数数 北京工业大学工学硕士学位论文 据帧，对此帧进行f f t 谱分析。f f t 谱分析的计算量为肝丁n l o g2 n ，其中t 用可 为每次复数运算所需的计算量，复数相乘需四次实数相乘和两次实数相加共6 次 运算。一帧数据f f t 计算量为6 4 1 6 3 8 4l o g2 1 6 3 8 4 = 1 3 8 m f p o 。因为每秒有1 0 0 帧数据，d s p 运算能力要求大于1 3 8m f l o p s 。 对序列x ( n ) 进行n 点d f t 得到x ( k ) ，d f t 计算公式为： 一i；2 “ j ( 七) = x ( n ) z g “，= g ” ( 3 1 2 ) n = 0 由上式可见d f t 与f i r 滤波器有相同的计算方法，每一点x ( k ) 都可以看作是x ( n ) 经过一个n 阶f i r 滤波器后的输出，x ( n ) 经滤波器后的输出应该是一个序列， 但这里只取其第0 点为x ( k ) 值，其余点看作零值。 例如，考查一特定频率点o o o = 2 n k n ，由式( 5 1 2 ) 可得： 厂一1 x ( c o 。) = i 疗( t n ) x ( 疗) l i t 。 坳，= 刀裂。1 工虬 。 对滤波器的冲激响应作离散时间傅里叶变换d t f t 可得其频率特性。 t，ca。，=。：；l：等一)e-jmnn-!= ! ! ! ；5 ； 5 ；! ! ：i i ；1 0 1 ；兰1 他! 竿。一m 。p ( )”“j 1 i h ( o uo ) l - | 蹀篙舻争_ 。j = 胁 ( 0 ) z 因此d f t 可以看作信号经n 个中心频率不同的窄带滤波器的输出，每个滤 波器的等效带宽都是2 n n ，这里使用的是对抽样率归一化的圆周频率。 由上面分析可见，d f t 相当于在数字域以窄带滤波器法进行谱估计，d f t 实际采用f f t 算法，因此又称作f f t 谱估计。 f f t 的点数与频谱分辨率有直接关系，采样率为f 的n 点f f t 频率分辨率 为l n ，频谱宽度从0 到正2 。对于周期信号，如果n 点恰好包括了一个或整 数个周期，则信号频谱上将在对应频率点上出现尖峰，否则谱上没有正好与信号 周期频率对应的频率点，此频率点能量将被分散到相邻的频率点上。实际的信 号通常包括多种频率分量，f f t 样点n 不可能正好是这些分量周期的整数倍， 第3 章d s p 模块的软件设计 在n 较小时，两个频率相近的分量可能在频谱上无法分辨，而提高分辨率意味 着f f t 运算量超线性增长。所以，实际工作是需要在高分辨率和小运算量问折 衷。为了提高f f t 谱估计的质量，相应地可以加入一些谱平均和谱平滑的方法， 比如可以进行加窗和平均；在软件上分别实现了加海窗、汉明窗、三角窗以及 b l a c k m a n h a r r i s 窗。平均的方法实现了线性平均、指数平均、有效值平均以及 峰值平均等。加窗可以在不增加f f t 点数的情况下抑制旁瓣，即抑制期望频率 点两侧的输出，使信号能量集中在所期望的频率点上。常用的窗函数为： 三角窗： w c ”，= 翟：二，：= ；0 , 1 , ，a ：+ , n 。，a 2 ，一。 海窗( h a r m i n g ) ：w ( n ) = o 5 1 1 一c o s ( 2 z n ) 汉明窗( h a m m i n g ) ：w ( n ) = 0 5 4 0 4 6 c o s ( 2 万竹n ) k a i s e r - b e s s e l 窗： 。：糕。兰k i n 2 ，o d ) 1 脚卜m ) 2 ”一砉譬 2 是参数。 b l a c k m a n h a r r i s 窗： w = 0 3 5 8 7 5 - 0 4 8 8 2 9 c o s ( 熹n ) + 0 1 4 1 2 8 c o s ( 缶2 n ) - 0 0 1 1 6 8 c o s ( 惫3 n ) 加窗是对输入数据迸行的，相对于整个f f t 运算，只增加了少量运算。在系统 中为了减小方差，综合信号重叠、加窗和平均的方法采用了w e l c h 法。在w e l c h 法中，取交叠率0 5 ，作3 次8 1 9 2 点f f t 平均后获得谱估计，f f t 前也可加窗 以减小频谱渗漏，减轻强信号对附近弱信号的遮蔽，此时数据量仍为1 6 3 8 4 个采 样值，信号可以从噪声中明显突出。 3 5 多d s p 处理器系统的程序引导软件设计 由于采用e p r o m 和链路口引导相结合的方法进行多a d s p t s l 0 1 的程序引 导，所以除了最后片a d s p t s l 0 1 p f ，均要在每片a d s p t s l 0 1 程序的最开始 添加链路口引导程序。由于在生成a d s pt s l 0 1 力n 载文件时栩，a d s pt s i o i 的开 北京工业大学工学硕士学位论文 发软件v i s u a ld s p + + 2 0 会根据不同的引导类型，在用户的程序前添加相应的程序 引导码，引导码中有a d s pt s l 0 1 初始化的程序、用户程序长度等信息，只有在 a d s pt s l 0 1 运行了相应的引导码后才能继续引导用户程序，不论是e p r o m 引导 码还是链路口引导码均为2 5 6 b 7 】 8 】 9 1 ( 每个字为3 2 b i t ) 。下面以一个由3 片a d s p t s l 0 1 构成的多a d s pt s l 0 1 系统，来说明多a d s pt s l 0 1 系统的软件设计。对于 第1 片a d s pt s l 0 1 来说，他是通过e p r o m 进行程序引导的，所以只要按照 e p r o m 程序引导的方式进行程序引导即可，但由于第1 片a d s pt s l 0 1 要通过链 路1 2 1 来对第2 和第3 片a d s pt s l 0 1 进行程序引导，所以在进行第1 片a d s pt s l 0 1 程序编写时，需要在程序的最开始添加给后面所有a d s pt s l 0 1 的引导程序。而 每片a d s pt s l 0 1 的程序都由引导码和用户程序构成，所以在第l 片a d s pt s l 0 1 给第2 和第3 片a d s pt s l 0 1 引导程序中应将引导码和用户程序分开传输。第1 片 a d s pt s l 0 1 程序流程图如图3 6 所示，过程如下： ( 1 ) 第1 片a d s p t s l 0 1 关闭所有中断、所有链路口和所有d m a 通道，进行初始 化： ( 2 ) 启动外部总线d m a ，将第2 片a d s p t s l 0 1 的引导码通过d m a 的方式从 e p r o m 中读取到第1 片a d s pt s l 0 1 的数据存储区： ( 3 ) 将第2 片a d s p t s l 0 1 的引导码以每次4 b 的方式放入到链路口缓冲中，但 要等链路口将上次的数据传输完后，才能再向链路口缓冲中放4 b 。另外还可以 每次只从e p r o m 中读取4 b ( 每字3 2 b i t ) ，然后再将这4 个字程序放入链路口缓冲， 然后再从e p p r o m 读取4 b ，循环下去，直到引导码传输完