（电路与系统专业论文）数传系统接收部分的设计与实现.pdf

摘要 摘要 在卫星通信领域中，数传分系统是卫星有效载荷的重要组成部分。研究数传 分系统半物理仿真设备的意义在于通过该设备考察卫星在特定频段下通信的质 量和可行性。就数传分系统半物理仿真设备地面接收部分而言，其承担着接收、 解调、复现星上数据以及存储和转发等多项任务，不难看出其工作量是巨大的。 因此，必须要搭建一个高性能的实时信号处理系统以满足处理的需求。 本文的主要研究的主要任务就是设计并实现可供数传分系统半物理仿真设 备地面接收部分使用的通用高性能实时信号处理系统。该系统的特点在于不仅具 有很高的处理性能，同时还具有广泛的通用性和深度的可扩展性。目前，通用高 性能实时信号处理技术已经广泛地应用于卫星通信、频谱监测、国防安全等重要 领域，为国家各部门的建设提供了有力的支持。 本文提出了一种基于多d s p 与f p g a 的通用高性能实时信号处理系统架构。 由于系统的数据量巨大、实时性要求高，因此对d s p 芯片的要求很高。综合考 虑多种因素，作者选择使用两片a d s p t s 2 0 1 浮点d s p 构成系统处理核心，并 辅以f p g a 解决高速数据传输通道的瓶颈问题。由于涉及多d s p 并行处理技术， 采用合理的系统耦合模型变得十分重要。作者通过进行全面细致的比较，选择了 松耦合与紧耦合相互结合的混合耦合模型，这样不仅保证了系统处理的性能，同 时也充分考虑了系统处理突发事件的要求。此外，作者还选配了一颗 a d s p b f 5 3 3 定点d s p 加入系统当中，丰富系统功能。 在文中，作者还给出了f p g a 的基本设计与实现方案，并经过实际调试，完 成了f p g a 数字设计工作的同时，还验证了f p g a 在整个系统中的重要作用。 此外，由于系统中不可避免的引入了高速数字设计，因此信号完整性的设计 与分析变得十分重要，作者根据经验和软件辅助设计的方法，给出了阻抗控制、 p c b 堆叠、p c b 布局布线等约束，同时完成了p c b 绘制与调试工作。 作为系统设计不可分割的一部分，作者还在文中研究了在系统设计过程中出 现的电源完整性问题与系统散热问题，并给出了解决办法。 关键词：通用高性能；实时信号处理；多d s p 并行处理；f p g a ；信号完整性 北京t 业大学_ 学硕士学位论文 a b s t r a c t 缸n o n gm es a t e l l i t cc 0 删m u i l i c 撕o nd o m a 氓廿l ed a ：t a 仃a _ i l s m i n i s o ns y s t e mp l a y sa v e 巧妇p o n ；蚰tr o l ei i lt h ep a y l o a do fs a t e l l i t e t h r o u 班d e s i 嘶n g 趾di m p l e m e n t i i 培 m es e i l l i p h y s i c a ls i i i l l l l a t i o ne q m p 珊咖o fd a ：t a 的n s m i s s i o ns y s t e m ，m eq u a l 时o f 也e s a t e l l i t ec o 舢m l l l i c a t i o ns y s t e mu n d e rac e r t a i nc h 锄n e lc a l lb ea 芏l a l y z e d d u et o 血e h u g e 锄o u n to ft h et a ：s k sw h i c ht h ee q u i p m e n th 嬲t 0p r o c e s s ，al l i g hp e r f o 姗雏c e r e a l - t i m es i g l l a l lp r o c e s s i l l gs y s t e ms h o u l db ed e v e l o p e d t h em 旬o ra i mo fn l i se s s a yi st op i i tf o ，a r das o l u t i o n 籼u tt l l eg 黜吼诅t l i 曲 p e r f 0 n n a n c er e a l 一妇s i g l 谢p r o c e s s i n gs y s _ t e mt l l a ti ss u i t a _ b l ef 0 r l es e l i l i p h y s i c a l s i m u l a t i o ne q l l i p m e mo f 仃龇l s 觚s s o ns y s t e m ，、加t l l 1 ec k m 疵e r i s t i co fl l i 曲 p e r f o 加1 a n c e ，g e f l e r a la i l dw i d e e x t e n d e d 向n c t i o i l s r e c e n t l y ，t h j st e c l 1 0 l o g yi su s e d i nm a n yd o m a i l l s ，双l c h 弱s a t e u i t ec o m m u n i c a 土i o 玛s p e c t m mm o i l i t o ra n ds oo n i i lt 1 1 i se s s a y ，m ea r c m t e c t u r eo fm u l t i d s pa r l df p g ai sc h o s e nt 0d e i 趴a i l d i m p l e m e mt l l ew h o l es y s t e m b e c a u s eo fm el a r g em l m b e ro fd a t ai o 龇l dr c a l t i i l l e p r o c e s s i n go p e r a t i o i l s 舡l dm 褫yo t l l e rf 砬t o r s ，t l l e 卸：t t l o r l e c t st v 旧c k p so f a d s p t s 2 01 ，l l s 啦m et e c l l i l o l o g yo fm u l t i d s pp 删l e lp r o l c e s s 吨，t 0b u i l dm c c o r ep a r to ft l l ew h o l es y s t e m f u r t l l e rm o r e ，吐l ef p g ai su s e dt 0b u i l dt l l eg l u e l e s s 妇e lb e 铆e e n 廿l ed s p sa n dm ee x t e m a ld e v i c e s i na d d i d o maf i x e d p o 硫 a d s p - b f 5 3 3i sa d d e dt oe x t e n dt t l ef h i l c t i o i l so f t l l es v s 钯m t h ed i g 眦d e s 咖0 f f p g as h o l l l db ec o i l s i d e r e dc a r e 伽l y 勰w e l l i i l 龇e s s a y ，m e a u n l o rd e c l a r e ss o i n e d e s i g n so f n 捌o rp a r to f n l ef p g a d u et ot l l eh i 曲驴e dd i g i t a ld e s i 印，也es i 印a 1i 1 1 t e 伊a l i 够p m b l e m ss h o u l db et 址e n i n 幻c o n s i d e r a t i o ns 面o u s l ya l l dt 1 1 ep c b d e s i 盟g u i d ei sg i v e ni i lt h i se s s a y a tl 戤m ep o w e ra l l dt l l e n l l 甜d e s i 印a r ed i s c u s s e df o rb u i l d i n ga g 眦s y s t e m k e yw o r d s ：g e n e r a ll l i 班p e r f o n i l a n 9 e ；r e a l t i m es i 郾mp r o c e s s i n g ；m u l t i d s p p a r a l l e lp r o c e s s i i l g ；f p ( 认；s i 印a l 缸e g r a l i 够 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 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名： 关于论文使用授权的说明 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) 签名：斡导师签名孓险日期：娈睑 第l 章绪论 1 1课题背景 第1 章绪论 卫星通信是指利用人造地球卫星作为中继站转发或反射无线电信号，在两个 或多个地球站之间进行的通信。卫星通信系统由卫星和地球站两部分组成。卫星 在空中起中继站的作用，地球站则是卫星系统与地面公众网的接口，地面用户通 过地球站出入卫星系统形成链路i l j 。 数传分系统是卫星有效载荷的重要部分，其主要任务是向地面数据接收站发 送经过处理的原始数据；此外，还向地面接收站发送微波信标。这就要求它具有 传输速率高、数据存储容量大等特点。 随着遥感卫星有效载荷种类的增多和分辨率的不断提高，信息量越来越大。 为将这些信息实时传输到地面，要求星上数传系统的传输能力越来越强，所传输 的数据率越来越高，系统的抗干扰、纠检错能力也越来越强【2 1 【3 】。这对数传系统 设计中的差错控制技术、复用技术、抗干扰技术、调制技术等都提出了更高的要 求，人们在不断探索将更有效的编码、调制技术应用于卫星数据传输系统中，提 高数据传输的有效性和可靠性吲；同时，面对日益拥挤的无线电频谱资源，如何 在其他频段上开发有效的数传分系统也成为现在面临的一大课题。 研究数传分系统半物理仿真设备的意义在于通过模拟星上数传分系统在x 频段单通道下的工作流程及地面设备对数据的接收处理，研究卫星通信在x 频 段的工作性能及可行性，为日后卫星通信在x 频段下的最终实现，提供有力的 参考依据。本设备能够总体仿真主回路提供的系统指令、网络数据及自身产生的 载荷数据，实现星上数据组帧、存储、调制、变频、发送及地面设备接收、解调、 解码、复现等过程。其中，地面接收部分主要由地面接收机和地面处理机两部分 组成，通过数字化接收卫星数传信号，经过一系列处理，复现原有星上信号完成 数据的地面传输，实现整个系统通信仿真功能。 从上面的描述不难看出，仿真系统在工作时其工作量是巨大的，因此必须要 搭建一个高性能的实时信号处理系统以满足处理需求。 北京t 业大学t 学硕士学位论文 1 2 课题相关技术的发展现状 1 2 1我国卫星通信发展现状 我国通信卫星的研制始于7 0 年代3 3 1 卫星通信工程的实施。到8 0 年代中期， 4 颗东二甲同步通信卫星的发射成功与交付使用，以及引进国外卫星通信先进技 术建立的单路单载波( s c p c ) 、国际海事卫星a 型站、v s a t 数据站的生产线， 为我国建立了公用卫星通信网和专用网，初步解决了一些特殊专用通信问题。 经过改革开放十多年的努力，我国卫星通信事业得到迅速的发展，新技术、 新的地球站大量涌现，我国的国际卫星通信线路由初期的几十条发展到了上万条 双向话路，约占我国国际和港澳线路的1 3 。在公用通信网方面，到1 9 9 8 年为止， 邮电部已建立了3 7 座大中型卫星通信地球站，开通7 万条双向电话线路；在专 用卫星通信网方面，近年来人民银行、煤炭、电力、石油、人民日报、海关、民 航、新华社、证券交易公司及以三金工程为代表的金字号工程等许多部门和专用 公司，建立了约8 0 个低成本v s a t 专用卫星通信网，终端约1 万多个1 5 j 1 6 j 。 在移动卫星通信网方面，我国已建成和开通了国际海事卫星北京岸站；开通 了约4 0 0 5 0 0 个国际海事卫星a 型站和几十个m 型站。在卫星通信技术体制上， 我国已研制生产了s c p c 、c d m a 、m c p c 等通信体制的设备，并用于各种不同 的卫星通信系统中。目前，公用卫星通信网中大量应用数字化的中速数据率 ( i d r ) 和t d m a 通信体制。专用通信网和移动通信网正由原有的单一的s c p c 体制向s c p c d a m a ，t d m t d m a ，t d m c d m a 及其混合体制发展。网络控 制、管理、信道按需分配，互通互连正向高层次发展。卫星通信的公用单元、元 器件、终端，如2 0 w 固态功放、低速话音编码器、a s i c 的编译码器和数字调制 解调器正大量用于系统中。在卫星通信产业化发展上，由于种种原因，目前尚存 在一定困难，特别是v s a t 小型地球站设备，除天线外，国内市场几乎全被国外 产品占据。 综上所述，我国卫星通信网的发展已初具规模而且正在迅速发展，但是，在 新技术开发、星上资源产业化方面尚需在今后卫星通信的发展中解决。 1 2 2 高性能实时信号处理技术 当前，高速实时信号处理的应用领域不断扩大。它不但在传统的雷达信号处 理领域被广泛采用，而且也渗入了其它一些需要对大批量数据进行实时处理的领 域，如图像、生物医学信号处理等。 实时信号处理系统具有运算速度要求高、运算种类多的特点，必须具备处理 大数据量的能力，以保证系统的实时性。根据信号处理系统在构成、处理能力以 2 第1 章绪论 及计算问题到硬件结构映射方法的不同，现代信号处理系统分为指令集结构 ( i s a ) 系统、硬连接结构系统和可重构系统三大类1 7j 。 指令集结构( i s a ) 系统是指在各种微处理器、d s p 处理器或专用指令集处 理器等组成的信号处理系统中，都需要通过系统中的多处理器提供的指令系统 ( 或微代码) 来描述各种算法，并在指令部件的控制下完成对各种可计算问题的 求解【羽。 硬连接结构系统主要是指由专用集成电路( a s i c ) 构成的系统，其基本特 征是功能固定，通常用于完成特定的算法，这种系统适合于实现功能固定和数据 结构明确的计算问题。不足之处在于：设计周期长，成本高，且没有可编程性和 可扩展性。 可重构系统其基本特征是系统中有一个或多个可重构器件( 如f p g a ) 。可 重构器件之间或可重构处理器与i s a 结构处理器之问通过互联结构构成一个完 整的计算机系统。 从信号处理系统的构成来看，常用的处理机结构有单指令单数据流( s i s d ) 、 单指令流多数据流( s i m d ) 和多指令流多数据流( m m d ) 三种方式。 s i s d 结构通常由一个处理器和一个存储器组成，它通过执行单一的指令流 对单一的数据流进行操作。指令按顺序读取，数据在每一时刻也只能读取一个。 该结构的缺点在于单一处理器的处理性能有限，同时，这种结构也没有发挥数据 处理中的并行性潜力，所以在实时系统或高速系统中很少使用s i s d 结构。 s i m d 结构系统由一个控制器、多个处理器、多个存储模块和一个互连网络 组成。所有处理器在同时刻执行同一条指令，但每个处理器执行这条指令时所 用的数据是从它本身的存储模块中读取的。对操作种类多的算法，当要求存取全 局数据或对于不同的数据要求做不同的处理时，它是无法独立完成的。 m i m d 结构是由多台处理机、多个存储模块和一个互连网络组成。结构中每 个处理器都可以单独编程，但由于要用大量的硬件资源解决可编程问题，硬件利 用率不高。 在当前国际上已经出现了这样一种趋势：在硬件上，希望开发具有通用性的 计算平台；同时，尽可能多地把信号处理功能转移到软件上来完成，即通过软件 编程来实现以前采用专用硬件才能实现的功能【9 】1 0 1 。 未来，随着超级计算机的研究的高速发展，从气象预测到石油勘探，超级计 算机在各种重大挑战性领域都将显示极大的利用潜力，而采用高性能互联网络和 先进的d s p 处理器构建的具有超级计算机结构的通用计算平台也必将成为一个 新的研究热点。 3 北京t 业大学t 学硕士学位论文 1 3 本文的主要研究内容 本文主要研究应用于数传分系统半物理仿真设备地面接收部分的通用高性 能实时信号处理系统，并根据地面接收设备的特点，提出了一种具有通用性的高 性能信号处理系统解决方案。在实际设计过程中，笔者选择了f p g a + d s p 的系 统架构，使其在具有高性能的基础上，更具有广泛的通用性和深度的可扩展性， 构成了一个性能强劲的通用实时信号处理系统。 总体上，该通用实时信号处理系统工作流程基本如下：待处理信号通过 f p g a 与后端的高性能d s p 实现无缝连接，实现高速的前向数据传输通道：在 d s p 上实现多种算法，体现系统的处理性能；处理后的数据经过f p g a 或d s p 直接输出直后向数据传输端口，保证系统的实时性能。 本文第2 章主要讨论高性能实时信号处理系统的方案设计。通过介绍高性能 实时信号处理系统的基本概念，给出本文所研究的通用高性能实时信号处理系统 的多种实现结构，并对方案进行比较选择合理的d s p 芯片。根据选定的处理芯 片，实现多芯片之间的高速互联，保证数据的实时传输特性，满足系统平台的高 速、实时的设计要求。 本文第3 章主要介绍本系统平台的接口设计。主要内容包括系统内部模块间 的接口、数据的前向传输通道、数据的后向传输通道以及将来可能的系统扩展接 口。 本文第4 章主要讲解f p g a 部分的设计。首先给出f p g a 的设计和实现流程， 而后阐述各接口的f p g a 实现方案。 本文第5 章主要讲解高速数字设计当中会遇到的信号完整性方面的问题。主 要内容包括传输线、阻抗、反射、串扰等概念，介绍信号完整性仿真工具以及给 出本系统设计中需要考虑的最终信号完整性因素，同时给出信号完整性仿真结 果。 本文第6 章主要描述本系统电源与散热的解决方案。由于系统复杂，因此为 本系统设计供电电源是一项十分有挑战意义的工作，笔者通过软件仿真与实际调 试相结合，成功地找到了电源部分的解决方案。在散热方面，由于系统功率较高， 存在系统发热量大，温度上升快等问题。通过合理的散热设计，可以使系统在正 常的工作温度下运行，解决上述问题。 4 第2 章高性能实时信呼处理系统方案设计 第2 章高性能实时信号处理系统方案设计 2 1高性能实时信号处理系统的基本概念 信号处理的本质是信息的变换和提取，是将信息从各种噪声、干扰的环境中 提取出来，并变换为一种便于为人或机器所使用的形式。由于数字电路采用了二 值逻辑，因此只要环境温度、电路噪声的变化不造成电路逻辑的翻转，数字电路 的工作都可以不受影响地完成，具有很好的稳定性。因此，数字信号处理已经成 为信号处理技术的主流。 就高速实时数字信号处理系统而言，其特点首先是高速度，其处理速度可以 达到数百兆量级。其次是大电流，高速信号处理芯片的电流经常在l a 以上。第 三是低电压，这是为了在大电流下减小系统功耗，系统的工作电压从标准的5 v 到3 3 v 、3 v 、2 5 v 、1 8 v 甚至o 9 v 。第四是高度集成，芯片的集成度在数十到 数百万门量级。第五就是为了提高运行速度而采用了多种并行的体系结构。 2 2高性能实时信号处理系统设计中的d s p 选择 2 2 1 d s p 芯片概述 2 2 1 1 d s p 芯片的种类 数字信号处理器( d s p ) 是达到系统实时信号高速处理的核心器件，为了适 应各种各样的实际应用，产生了很多类型、档次的d s p 。从使用的广泛性上可以 把d s p 分成通用d s p 和专用d s p ，一般来说，通用d s p 和专用d s p 的最主要 区别在于通用d s p 的运算和处理是用“软件 实现的，而专用d s p 的运算则是 用硬件直接实现的。此外，通用d s p 从性能上可以按精度动态范围和处理速度 进一步划分为定点d s p 、浮点d s p 等。 专用d s p 专用d s p 是针对某种具体应用而设计的。常见的有f f t 专用d s p 、卷积 相关器、求模相角等。由于他们的结构规则，可以达到很高的数据吞吐率，有 的还采用脉动阵设计等并行处理技术，片内有许多并行工作的处理单元，因而在 专项应用中，运算速度远快于通用d s p 。专用d s p 要求数据按节拍以规则的方 式流入和流出d s p ，需要严格的时钟和同步控制信号。专用d s p 几乎都采用定 5 北京t 业大学t 学硕十学位论文 点数据格式运算，为了保证精度和防止溢出，其片内运算单元采用较宽的字长或 块浮点格式，并有移位控制功能可选择合适的输出字段。 近些年来，高密度可编程器件c p l d f p g a 的集成度、速度不断提高，设计 手段更加完善，极大地方便了其使用和推广。x i l i l l 】【和a l t e r a 公司分别推出的高 性能产品均提供了百万门级以上、超过6 0 0 m h z 工作频率以及多到1 0 0 0 多个管 脚的f p g a 产品，可以按照用户的要求设计出有多种附加功能的专用d s p 替代 品，达到更有效、更紧凑的设计要求。 不难看出，随着可编程器件c p l d f p ( 认的进一步发展，其在功能上完全有 可能替代专用d s p 产品。 通用d s p 通用d s p 的特点就是在于其的可重复配置性。通过厂商提供的d s p 开发工 具，对相同的d s p 开发不同的应用代码，从而实现d s p 功能上的重复配置。同 时d s p 厂商还会提供一些相应的技术支持，帮助工程师迅速构建自己的硬件开 发平台。通常，评价一款定点d s p 的性能会通过每秒百万条指令执行个数m i p s 来衡量，对于浮点d s p 而言则会用每秒百万次浮点运算m f l o p s 来评估。 目前，全世界通用d s p 的提供商主要有t e x 嬲、a n a l o gd e v i c e 、l u c e n t 、p l l i l i p s 、 m o t o r o l a 、s t 、h a r r i s 以及m i c r o c l l i p 等。 通过初步的介绍可以看出采用f p g a 替代专用d s p ，再配合通用d s p 辅以 相应的软件代码就可以构建出具有可重构特性的信号处理平台。 2 2 1 2d s p 芯片的应用和开发 d s p 的应用范围十分广泛，不同的应用领域和不同的性能需要不同类型的 d s p 。随着d s p 性能的迅速增长和成本价格的大幅下降，d s p 的应用几乎遍及 整个电子领域，常见的应用有：通用数字信号处理、通信、语音处理、图形图 像处理、自动控制、仪器仪表、医学电子、军事与尖端科技、计算机与工作站和 消费电子等。在选择d s p 进行应用时，需要考虑以下一些因素：性能指标、精 度和动态范围、是否具备应用所需要的某些特殊功能、价格成本、体积、功耗、 应用开发时间周期以及型号延续性等。 而随着d s p 功能的不断复杂化以及对d s p 产品开发周期不断缩短的要求， 设计调试d s p 系统则越来越倚重于d s p 开发系统和调试工具。开发系统和调试 工具为设计者建立了一个良好的软件环境，可以方便的对软、硬件进行跟踪和调 试。虽然各个d s p 厂商均有自己的一套d s p 开发环境和调试工具，当基本上都 包含以下几个内容：高级语言编译器、软件模拟器、硬件仿真器、d s p 开发系统 以及d s p 操作系统。 6 第2 章高性能实时信号处理系统方案设计 2 2 2d s p 的比较和选择 2 2 2 1 d s p 的比较和选择 根据2 2 1 1 中关于d s p 芯片种类的阐述，可以大致勾勒出本系统的初步框 架：使用通用d s p 作为平台处理的核心，辅以f p g a 配合实现高速的数据传输 通路替代专用d s p 的固定性，使系统具有很强的通用性。由于本系统具有高速 和实时的特性，因此选择适合的通用d s p 芯片作为系统的处理核心具有重大的 意义。根据d s p 市场的特点，设计时选择了t e x 嬲i i l 蛐e m ( t i ) 公司和a n a l o g d e v i c e ( a d i ) 公司最高性能的定点、浮点d s p 产品分别进行比较，同时辅以 d s p 开发环境对整个d s p 的开发和调试进行完整的评估和筛选。 定点d s p 比较 t i 公司定点d s p t m s 3 2 0 c 6 4 5 5 定点d s p 的主要特性f l l 】： 1 工作时钟最高可达1 2 g 。 2 t m s 3 2 0 c 6 4 + 内核。 3 4 条1 x 串行r 丑p i d i o 链接( 兼容v 1 2 ) ，最高速的可达3 1 2 5 g b p s 。 4 d d i 匕内存控制器，最高可达5 3 3 m h z 。 5 1 0 1 0 0 1 0 0 0 m b s 以太网m a c 。 a d i 公司定点d s p a d s p b f 5 6 l 定点d s p 的主要特性【1 2 】： 1 双核d s p ，工作时钟最高可达7 5 0 m h z 。 2 p c i 3 3s d r 气m 内存控制器。 3 双p p i 高速接口，可实现视频流的高速链接。 4 功耗低。 通过比较不难看出，在定点d s p 方面具有r a p i d i o 接口的t m s 3 2 0 c 6 4 5 5 性 能更胜一筹，其巨大的传输带宽为处理信号的实时传输提供了完美的通路。 浮点d s p 比较 t i 公司浮点d s p t m s 3 2 0 c 6 7 x “6 7 2 x 浮点d s p 的主要特性【1 3 】： 1 工作时钟最高可达3 5 0 m h z 。 2 c 6 7 x + 内核。 3 1 3 3 m h zs d r a m 内存控制器。 4 通用主机接口。 夺a d i 公司浮点d s p a d s p t s 2 0 】( 浮点d s p 的主要特性1 1 4 1 ： 7 北京t q k 大学t 学硕上学位论文 1 工作时钟最高可达6 0 0 m h z 。 2 2 4 m b 片上d r a m 。 3 双数据运算单元，此外含有专门用于通信处理的通信处理运算单元。 4 l 砌k p o r t 高速链路口。 5 主机通信口。 通过比较不难看出，在浮点d s p 方面a d s p t s 2 0 x 性能明显超出 t m s 3 2 0 c 6 7 x x 6 7 2 x ，片上高达2 4 m b 的d r a m 使芯片性能得到进一步的发挥， 同时也给软件的编制减轻了压力。 综合前面两方面的比较，可供选择的d s p 为1 r i 的t m s 3 2 0 c 6 4 5 5 和a d i 的 a d s p ，t s 2 0 x 。 d s p 开发环境比较 t i 公司d s p 开发环境c c s c o d ec o m p o s e rs t u d i o ( c c s ) 开发环境特点： 1 g e l 扩展脚本功能。 2 代码编辑功能。 3 灵活多变的调试功能。 4 详尽细致的编译构建选项。 夺a d i 公司d s p 开发环境- v d s p + + 姒d s p + + 开发环境特点【1 5 】： 1 类似m sv i s u ms t u d i o 的用户界面。 2 强劲的代码编辑功能。 3 灵活的工程管理功能。 4 代码编译、构建和调试选择多样。 5 对v d k 支持。 6 大量公开的源代码库，便于软件开发人员参考。 可见，a d i 公司的d s p 开发环境使用起来更加方便，给开发人员提供的技 术支持也更多，因此可以大大简化整个系统的开发周期。 最终，综合考虑多种因素，本高性能实时信号处理系统选择了两颗a d i 公 司的a d s p t s 2 0 l 作为核心处理器，同时搭配适合f p g a 组成高性能实时信号处 理平台。 2 2 2 2 a d s p t s 2 0 1 简介 a d s p t s 2 0 l 是一款性能极高的静态超标量处理器，专为大的信号处理任务 和通信结构进行了优化。该处理器将非常宽的存储器宽度和双运算模块( 支持 3 2 b i t 和4 0 b i t 浮点及8 ，1 6 ，3 2 和6 4 位定点处理) 组合在一起，建立了数字处 理性能的新标准1 1 6 1 。t i g e r s h a r c 静态超标量结构使d s p 每周期能够执行多达4 8 第2 章高性能实时信号处理系统方案设计 条指令、2 4 个1 6 位定点运算和6 个浮点运算。a d s p t s 2 0 1 在继承了a d s p t s l 0 1 基本结构的基础上，又作了进一步改进。其改进后的内部结构如图2 一l 所示。 d 喂s s g 畦r i 瑚u 讲i s _ i e i - 峨l - e - o r r s o c 瞄 j t 柏珊 图2 - 1a d s p t s 2 0 1 内部结构框图 f i g u r e 2 一la d s p t s 2 0 lm m a lc o n f i g u r a t i o nd i a g r 锄 a d s p t s 2 0 1 内部可分为d s p 核和i o 接口两部分，这两部分通过4 条相互 独立的1 2 8 位宽的内部总线来传送数据、地址和控制信号。d s p 核包括双运算模 块，数据地址产生器，程序控制器。每个双运算模块包括a l u 、乘法器、6 4 位 移位器和3 2 字的寄存器组，以及相关的数据对齐缓冲器( d a b ) 。双运算模块 能够通过独立或者同时工作来实现s i m d 引擎，每个周期每个运算模块可以执行 2 条运算指令。数据地址产生器包含两个整形a l u ，分别标识为j 和k ，提供数 据寻址和指针操作功能，支持立即寻址和间接寻址，支持位反序和环形缓冲寻址， 便于数字信号处理的一些特殊运算。程序控制器包括有指令对齐缓冲器( 认b ) 、 分支目标缓冲器( b t b ) 和中断控制器，提供完全可中断的编程模式，支持汇编 语言和c c + + 语言编程和8 指令周期流水。认b 可以预存5 条指令：b t b 减小 了分支跳转延迟。i o 接口包括内部存储器、外部设备接口、d m a 控制器、链 路口和，r a g 接口。内部存储器空间为2 4 m b i td r a m 。4 条相互独立的1 2 8 位 宽度的内部数据总线，每条连接6 个4 m b i t 内部存储器块中的一个，提供四字的 数据、指令及i o 访问和3 3 6 g b s 的内部存储器带宽。其外部设备接口包括主 机接口、多处理器接口、s d 黜w 接口和e p r o m ( f l a s h ) 接口。1 4 个d m a 通道无需处理器的干预即可完成设备之间的数据交换。4 个完全双向的链路口采 用低压差分信号( l v d s ) 链路口技术，从而达到4 g b p s 的数据吞吐量。e e l l 4 9 1 9 北京t 业大学丁学硕七学位论文 一 兼容的j t a g 接口用于片上仿真【1 7 j 【1 8 1 。 a d s p t s 2 0 1 的主要性能如下【l 州： 1 高达6 0 0 z 运行速度，1 6 i i s 指令周期。 2 2 4 m b i t 片内d r 2 6 州。 3 双运算模块，每个计算块包含一个a l u ，一个乘法器，一个移位器，一 个寄存器组和一个通信逻辑运算单元( c l u ) 。 4 双整数a l u ，提供数据寻址和指针操作功能。 5 集成i o 接口，包括1 4 通道的d m a 控制器，外部端口，4 个链路口， s d 黜蝴控制器，可编程标志引脚，2 个定时器输出引脚等用于系统连 接。 6 通过共享总线可无缝连接多达8 个t i g e r s h a r cd s p 。 a d s p t s 2 0 1 的性能直接决定了其主要优点有【2 0 】： 1 提供高性能静态超标量d s p 操作，专门优化适用于通信和需要多d s p 处理器的应用。 2 优异的d s p 算法和i o 性能表现。 3 d m a 控制器支持1 4 个d m a 通道，可完成片内存储器，片外存储器， 存储器映射外设，链路口，主机处理器和其他多处理器之间的低开销的 高速传输。 4 非常灵活的指令集和支持高级语言的d s p 结构便于d s p 编程。 5 可扩展的多处理器系统，连接时仅需很低的通信开销。 表2 1 显示了a d s p t s 2 0 l 的性能指标。 表2 1a d s p t s 2 0 l 通用算法性能 t a b l e2 1g e n e m lp u r p o s ea k o 枷瑚b e n c h m a r | 【s0 na d s p - t s 2 01 性能指标速度时钟周期 1 0 2 4 点复数f f t ( 基2 ) 1 5 7 炉 9 4 1 9 6 4 k 点复数f f r ( 基2 )2 3 3 m s1 3 9 7 5 4 4 f 取滤波器( 每个抽头) o 8 3 n so 5 【8 8 】【8 8 】矩阵乘( 复浮点数) 2 3 烽 1 3 9 9 2 3 多d s p 并行模块设计方案 在图像处理、军事、3 g 等许多领域，随着信号采集速度和处理速度的要求 越来越高，不仅运算量越来越大，数据吞吐量也很大。在主频提高收到限制的情 况下，现代d s p 处理器采用了大量的片内并行功能部件，流水线和并发是其片 内平行化的两个手段，即便如此单片d s p 依然很难满足系统的性能要求。 1 0 第2 章高件能实时信号处理系统方案设计 为此，多处理器并行系统应运而生。在系统设计时可以根据所需要实现的功 能和处理器的性能来调节处理节点的数目，通过合理分配系统资源和需要完成的 任务使系统达到最佳的性能价格比。本文提出的高性能实时处理平台是一种典型 的多d s p 并行处理系统。 2 3 1多d s p 并行模块网络构成概述 由于系统中存在多个d s p 处理单元，因此可将系统任务划分为多个子任务 分配到不同的d s p 处理单元上分别处理，其任务间数据通信速度和同步时间等 不仅取决于处理单元本身的通信速度，还取决于链接处理单元的通信互联网络。 通信链路丰富的复杂网络往往能提高较高的数据通信速度，然而其设计和维护的 难度要高的多。针对不同的实际处理应用，采用不同形式的通信网络，可以降低 通信网络的复杂度。并行处理机网络的主要功能是为各处理单元提供数据交换的 通路，并负责子任务传送和控制调度信号的传递。处理单元之间的网络结构大致 可分成两类：一种是共享总线或共享存储器系统，称为紧耦合式并行系统；另一 种是各处理单元有各自独立的数据存储器而通过通信口相连的分布式并行系统， 又称松耦合式系统。分布式系统或松耦合式系统中处理单元的连接形式很多，如 图2 - 2 所示，有线型、树状、星型、网孔等。其中线型结构最为简单，对应着流 水线行处理机。流水线处理机以其结构简单，容易设计以及效率高而被广泛采用 到系统设计当中。 线型 树型 星型 网孔型 图2 2 分布式处理单元网络连接形式 f i g u r e 2 - 2 l en e 铆o r kc o 蚴e c t i o ni nt h ed i s t r i b u t e dp r o c e s s i i l gu 疵 i l 北京t 业大学t 学硕十学位论文 2 3 2 多a d s p t s 2 0 1 的网络构成 2 3 2 1多a d s p _ t s 2 0 1 的网络构成模型 a d s p t s 2 0 1 芯片在设计时充分考虑了系统并行多片处理器的需要，非常适 合以并行方式工作。由于a d s p t s 2 0 1 之间的数据传输通道有高速数据链路口 ( l i n k p o r t ) 和高速外部总线口( 簇总线) 可供选择，因此多a d s p t s 2 0 1 的网 络构成模型有以下三种：高速链路口( l i i l k p o n ) 耦合模型、高速外部总线口( 簇 总线) 耦合模型以及高速链路口( l i i l l 【p o r t ) 与高速外部总线口( 簇总线) 混合 耦合模型。 高速链路口( l i n k p o n ) 耦合模型 以高速链路口耦合方式组成的多d s p 系统，结构简单，有很高的数据传输 速率。a d s p t s 2 0 l 的一个高速链路口单向通信包含数据( 4 b i t 宽度) 、时钟和 握手信号一个1 2 条引线，双向通道需要2 4 条引线。在内核时钟为6 0 0 瑚h z 时， 单项数据传输率最高可达到6 0 0 m b s ，双向数据传输速率可达1 2 g b s 。高速链 路口通信是点对点的，这是它的局限，但同时也带来了一个优点就是有很高的传 输可靠性。具体的高速链路口耦合模型如图2 3 所示，可见高速链路口耦合模型 属于松耦合模式。 链路口传输时，其数据的共享性不如总线形式，这种结构方式特别适用于诸 如雷达信号处理等实时信号处理场合。 图2 3 高速链路口耦合模型 f i g u r e 2 - 3 1 em o d e l o fl i n k p o r tc o u p l e d 高速外部总线口( 簇总线) 耦合模型 以高速外部总线方式组成多d s p 系统，可以实现多d s p 系统内的资源共享， 系统中的各处理器可以共享r a m 、s d r a m 和主机等资源，还可共享其他处理 器内核资源。总线方式的长处就是体现在资源共享上，它建立的是一点到多点的 连接方式，因此可以在多处理器系统内部的各个处理器之间、主机与多处理之间、 1 2 第2 章高件能实时信号处理系统方案设计 各个处理器与外部存储器之间实现资源共享。多处理器方式当中的广播写方式还 提供了一个处理器同时将一个数据写入8 个存储单元的独特方式。这对于要对同 一个数据进行不同但又是并行的处理模式十分有用。 a d s p t s 2 0 l 并行总线的最大特点是它所具有的无缝连接能力，无论是与 s 洲、s d 洲，还是与处理器连接，用户只需要按照芯片提供的管脚对应连 接，不必做更多的工作，就能很简单方便地构成以最多由8 个d s p 构成的多处 理器系统，充分地共享8 个d s p 的内部资源和外部的e p r o m 、s r a m 、s d 壬渔m 等资源。 在p c b 板上完成以高速外部总线耦合方式组成多d s p 系统比较麻烦，高速 外部总线口需要以下的1 2 4 条信号连线： 1 a d d r 3 1 0 ： 2 d a t a 6 3 o ： 3 r d 、 佩i ，、 佩h 、a c k 、b m s ： 4 m s l 0 、m s h 、b r s t 。 高速外部总线口耦合模型属于紧耦合模型，其缺点在于p c b 设计复杂以及 数据传输速率相对较慢。 高速链路口( l i i l l ( p o n ) 与高速外部总线口( 簇总线) 混合耦合模型 为兼顾数据传输速率、资源共享、结构简单以及p c b 设计方便等因素，可 采用混合耦合模型。如图2 4 所示，多片a d s p t s 2 0 1 之间同时使用高速链路口 与高速外部总线口连接。一方面，高速数据通过高速链路口进行传输，保持系统 的实时性；另一方面，通过高速外部总线口保持了一点到多点的传输特性。在具 有众多优点的同时，混合耦合模型也随之带了p c b 设计困难、加工工艺要求高 等问题。 图2 - 4 高速链路口与高速外部总线口混合耦合模型 f i g u 陀2 - 4t h em o d e lo fl i n k p o n 锄dc l u s t e r b 璐m i x e dc o u p l e d 1 3 北女i n 学i 学硕学位* z 23 22 通用高性能宴时信号处理系统的模型方案 根据23 21 中所阐述的三种多a d s p 邢2 叭耦合模型，不难得出以下结论； 第1 种模型数据传输速率高，但只能点到点传输；第2 种模型突破了点到点传输 限制，但传输速率降低；第3 种模型性能最优，但设计难度大，工艺要求高。 就本文设计的通用高性能实时信号处理系统而占，j _ b 于其是为卫星通信而设 计，因此必须要保证系统数据的实时和高速传输特性所以第2 种方案被淘汰。 由于系统使用了两颗a d s p - t s 2 0 i ，因此在设计完成高速链路口耦合的基础上， 再进行高速外部总线门耦合的复杂度不会有明显得提高，困此可以选择第3 种模 型即高速链路口与高速外部总线口混合耦合模型作为系统的网络构成方案。 为了使a d s p t s 2 0 l 充分发挥其性能上的优势，除了合理的网络拓扑结构 外，搭酉己颗f p g a 承担系统的输入输出( i ，o ) 工作也卜分必要。由于f p g a 承担系统的i o 工作，这样a d s p t s 20 1 便可以解放出