??? 摘? 要： 為了在實(shí)驗(yàn)室給寬帶陣列信號(hào)處理設(shè)備的研制、維護(hù)提供一個(gè)較好的仿真環(huán)境，介紹了一種基于多片DSP芯片ADSP-TS201S" title="ADSP-TS201S">ADSP-TS201S和數(shù)字上變頻器AD9857構(gòu)成的寬帶陣列信號(hào)源" title="寬帶陣列信號(hào)源">寬帶陣列信號(hào)源，模擬實(shí)現(xiàn)了最大帶寬為4MHz的短波寬帶陣列信號(hào)。主要包括系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)和DSP軟件設(shè)計(jì)等。?
??? 關(guān)鍵詞： 寬帶陣列信號(hào)源；AD9857；多DSP處理；同步
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??? 跳頻、突發(fā)等新通信技術(shù)由于具有低截獲概率的優(yōu)點(diǎn)，已成為高科技戰(zhàn)爭(zhēng)中的主要通信方式。對(duì)跳頻、突發(fā)等信號(hào)進(jìn)行接收、測(cè)向需要采用寬帶陣列信號(hào)處理設(shè)備。?
??? 在寬帶陣列信號(hào)處理設(shè)備的研制、調(diào)試和維護(hù)中，需要向設(shè)備提供參數(shù)靈活可變的寬帶陣列信號(hào)。傳統(tǒng)的方法是在實(shí)際環(huán)境中采集這些信號(hào)，這往往需要進(jìn)行大量的外場(chǎng)試驗(yàn)和長(zhǎng)時(shí)間的測(cè)試，花費(fèi)大量的人力和物力；而且在實(shí)際環(huán)境中，由于短波信道的復(fù)雜多變，測(cè)試的可重復(fù)性差，信號(hào)參數(shù)也無(wú)法人為改變。如果采用性能良好的寬帶陣列信號(hào)源模擬實(shí)際環(huán)境中接收到的信號(hào)，就能克服上述缺點(diǎn)，經(jīng)濟(jì)、省時(shí)、靈活地完成設(shè)備的調(diào)試和維護(hù)工作，從而加快設(shè)備的研制。?
??? 本文通過(guò)采用多片DSP和數(shù)字上變頻器相結(jié)合的方法，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了信號(hào)帶寬最大可達(dá)4MHz、覆蓋頻率范圍為1MHz～30MHz的多通道短波寬帶陣列信號(hào)源。該信號(hào)源可通過(guò)微機(jī)的控制界面，靈活地設(shè)定信號(hào)調(diào)制類型，天線陣" title="天線陣">天線陣陣列流型、載波等系統(tǒng)參數(shù)，為寬帶陣列信號(hào)處理設(shè)備的研制、維護(hù)提供較好的仿真環(huán)境。?
1 寬帶陣列信號(hào)源設(shè)計(jì)方案?
??? 在實(shí)際環(huán)境中，信號(hào)經(jīng)過(guò)短波信道傳播后，具有多徑、多普勒頻移和相位起伏等特點(diǎn)，經(jīng)天線陣接收后，多通道接收機(jī)收到的為對(duì)應(yīng)天線陣陣元個(gè)數(shù)的陣列信號(hào)，此多路" title="多路">多路信號(hào)攜帶有因天線陣陣元間波程差不同引起的幅度和相位差。為了能真實(shí)地模擬具有這些特性的信號(hào)，本信號(hào)源采用DSP和DUC（數(shù)字上變頻）芯片相結(jié)合的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。DSP利于基帶信號(hào)的實(shí)時(shí)處理，而DUC芯片基于DDS結(jié)構(gòu)，具有頻率分辨率高、頻率變化速度快、易于控制等優(yōu)點(diǎn)。?
??? 由于在短波頻段，4MHz帶寬內(nèi)存在的信號(hào)數(shù)量、信號(hào)種類均較多，對(duì)應(yīng)多陣元輸出時(shí)，系統(tǒng)的運(yùn)算量較大，依靠單一的高性能DSP無(wú)法滿足實(shí)時(shí)性要求，因此，在該信號(hào)源設(shè)計(jì)中采用4片ADI公司TigerSHARC系列的高性能DSP芯片ADSP-TS201S來(lái)構(gòu)成多DSP運(yùn)算系統(tǒng)，運(yùn)算產(chǎn)生多路I/Q基帶信號(hào)。ADSP-TS201S是ADI公司的一個(gè)超高性能、靜態(tài)超量程處理器，適合于大的信號(hào)處理任務(wù)和要求多DSP處理器的應(yīng)用。其內(nèi)核工作頻率最高可達(dá)600MHz；1.6ns的指令周期，每周期能執(zhí)行多達(dá)4條指令；若采用單指令多數(shù)據(jù)（SIMD）模式，可提供每秒48億次40位MAC運(yùn)算或者12億次80位MAC運(yùn)算；ADSP-TS201S片上提供了集成的無(wú)縫多處理器支持及為無(wú)縫多處理器連接提供了片內(nèi)仲裁，很適合組成多處理器并行工作的方式，通過(guò)共享總線可無(wú)縫連接多達(dá)8個(gè)DSP；提供的4個(gè)全雙工鏈路" title="鏈路">鏈路口為處理器間的通信提供了又一種途徑，每個(gè)鏈路口組合起來(lái)最高吞吐量可達(dá)1GB/s。?
??? 數(shù)字變頻器采用ADI公司的AD9857。AD9857是ADI公司的一款14位高性能數(shù)字正交上變頻器，最高工作時(shí)鐘可達(dá)到200MHz。內(nèi)部集成有高速直接數(shù)字頻率合成器、高性能數(shù)模轉(zhuǎn)換器、時(shí)鐘倍頻電路、數(shù)字濾波器及其他數(shù)字信號(hào)處理功能。AD9857還提供了一個(gè)靈活的同步串行通信口，芯片的工作模式、輸出載頻、內(nèi)插因子等可通過(guò)該串口進(jìn)行配置。在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，AD9857工作在正交調(diào)制模式，將基帶數(shù)字信號(hào)調(diào)制到所需的載頻上。?
2 寬帶陣列信號(hào)源硬件設(shè)計(jì)?
2.1 系統(tǒng)組成與結(jié)構(gòu)?
??? 寬帶陣列信號(hào)源硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。?
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??? 4片ADSP-TS201S組成的數(shù)字信號(hào)處理部分是整個(gè)系統(tǒng)的主控部分，它完成的功能主要有：根據(jù)系統(tǒng)控制參數(shù)設(shè)定系統(tǒng)的工作狀態(tài)；產(chǎn)生控制AD9857工作的命令字；運(yùn)算產(chǎn)生多路I／Q基帶信號(hào)；對(duì)采樣進(jìn)來(lái)的兩路音頻信號(hào)作相應(yīng)處理，用于產(chǎn)生兩路同頻信號(hào)，以驗(yàn)證陣列信號(hào)處理設(shè)備對(duì)于同頻多信號(hào)的區(qū)分能力。?
??? 10片AD9857組成的多路波形生成部分用于將多路I／Q基帶信號(hào)上變頻到所需的載頻上，其中每片AD9857的輸出模擬一個(gè)天線陣陣元的輸出。?
??? USB接口單元部分作為系統(tǒng)與微機(jī)間的通信接口，用于傳送由微機(jī)發(fā)出的控制參數(shù)。接口芯片采用PLX公司的USB2.0芯片NET2272，其數(shù)據(jù)傳送速率最快可達(dá)到480Mb/s。當(dāng)需要產(chǎn)生更寬帶寬的信號(hào)時(shí)，4片DSP組成的多處理器運(yùn)算能力有限，可通過(guò)該接口傳遞由微機(jī)運(yùn)算產(chǎn)生的基帶數(shù)據(jù)，從而方便進(jìn)行系統(tǒng)的擴(kuò)展。?
??? 系統(tǒng)的邏輯控制和數(shù)據(jù)緩存由Altera公司的StratixⅡ系列的FPGA芯片 EP2S60完成，它建立起系統(tǒng)中多種類型的數(shù)據(jù)通道。其片上提供的LVDS收、發(fā)模塊可實(shí)現(xiàn)與ADSP-TS201S鏈路口的直接互連，靈活的可重新配置特點(diǎn)為實(shí)現(xiàn)接口電路提供了極大的方便。?
??? 系統(tǒng)中各單元部分的工作時(shí)鐘由50MHz晶振通過(guò)時(shí)鐘分配芯片分配后提供，從而保證系統(tǒng)在同一個(gè)時(shí)鐘節(jié)拍下同步工作。?
2.2 AD9857工作原理?
??? AD9857在本設(shè)計(jì)中工作于正交調(diào)制模式，它將交替輸入的I/Q基帶數(shù)據(jù)在內(nèi)部進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成兩路并行的I、Q數(shù)據(jù)，分別進(jìn)行內(nèi)插和數(shù)字上變頻，將基帶信號(hào)上變頻為數(shù)字中頻信號(hào)，最后通過(guò)D/A變換輸出模擬中頻信號(hào)。AD9857內(nèi)部的工作時(shí)序均由芯片內(nèi)部工作時(shí)鐘SYSCLK提供，SYSCLK由外部參考時(shí)鐘倍頻得到。本設(shè)計(jì)中，SYSCLK由50MHz的參考時(shí)鐘在AD9857內(nèi)部4倍頻得到，即SYSCLK為200MHz。內(nèi)插將基帶數(shù)據(jù)的采樣率提高到芯片內(nèi)部的工作速率上，降低了DSP的處理負(fù)擔(dān)，內(nèi)插率N的大小由下式得到：?
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其中，fdata為輸入的I/Q基帶數(shù)據(jù)的速率。?
??? 芯片的PDCLK引腳在該模式下為輸入數(shù)據(jù)的時(shí)鐘輸出腳，時(shí)鐘大小為2倍的fdata。為了保證10片AD9857輸入數(shù)據(jù)的同步，其同步引腳TXENABLE的輸入由同一個(gè)信號(hào)提供，使得10片AD9857的輸入數(shù)據(jù)在同一時(shí)刻有效，保證了各片AD9857輸入數(shù)據(jù)的同步。芯片的工作模式、時(shí)鐘倍頻因子、載頻大小及內(nèi)插率均可通過(guò)其串口靈活設(shè)置，本設(shè)計(jì)中串口時(shí)鐘由50MHz參考時(shí)鐘在FPGA內(nèi)部十分頻得到。?
2.3 多DSP處理模塊設(shè)計(jì)?
??? 在本設(shè)計(jì)中，4片ADSP-TS201S采用松緊耦合相結(jié)合的方式組成多DSP并行處理系統(tǒng)。所謂松緊耦合相結(jié)合的方式，就是4片ADSP-TS201S通過(guò)高速鏈路口互連的同時(shí)，也通過(guò)其外部端口實(shí)現(xiàn)多片間互連。這種互連方式，可以兼顧數(shù)據(jù)速率和資源共享等優(yōu)點(diǎn)。互連結(jié)構(gòu)如圖2所示。?
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??? 4片ADSP-TS201S的外部總線（地址、數(shù)據(jù)和控制總線)互連后接到FPGA，從而實(shí)現(xiàn)各片DSP的內(nèi)部資源、各片DSP與外部SDRAM間的資源共享。4片DSP分配有唯一的ID號(hào)，通過(guò)使用總線請(qǐng)求/BR7-0中的一條(對(duì)應(yīng)各自的ID號(hào))作為它使用外部總線的請(qǐng)求。主從處理器間的訪問(wèn)通過(guò)讀信號(hào)
及應(yīng)答信號(hào)ACK等控制信號(hào)來(lái)完成。由于ADSP-TS201S內(nèi)部集成的DRAM模塊高達(dá)24Mbit，使得每片DSP大多數(shù)的取指令、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)可在各自片內(nèi)完成，大大減輕了外部總線的壓力。?
??? 各片DSP間除了通過(guò)外部總線互連外，還用鏈路口L0、L1與其他ADSP-TS201S的鏈路口L0、L1進(jìn)行雙向互連，且每片ADSP-TS201S的L2、L3 口連到FPGA，用以擴(kuò)展與外部通信時(shí)的帶寬。ADSP-TS201S的每個(gè)鏈路口都是獨(dú)立的LVDS高速雙向數(shù)據(jù)口，在發(fā)送數(shù)據(jù)的同時(shí)可從對(duì)方接收數(shù)據(jù)。每個(gè)鏈路口有4個(gè)通信位，LxCLKOUTP/N,LxACKI，LxCLKINP/N和LxACKO信號(hào)用來(lái)控制數(shù)據(jù)傳輸，LxBCMPI和LxBCMPO信號(hào)用來(lái)確認(rèn)當(dāng)前數(shù)據(jù)塊是否傳輸完畢。?
??? 設(shè)計(jì)中采用50MHz的晶振作為基礎(chǔ)振蕩器，DSP內(nèi)部選用10倍頻，工作在500MHz。鏈路口LVDS走線要求差分連接，在接收端需要一個(gè)100Ω的終端匹配電阻，且LVDS信號(hào)兩極的PCB走線必須匹配，時(shí)鐘線和數(shù)據(jù)線的走線不能有明顯的延遲差。?
2.4 信號(hào)源系統(tǒng)的同步設(shè)計(jì)?
??? 在本信號(hào)源設(shè)計(jì)中，輸出的多路信號(hào)都攜帶有因過(guò)短波信道及天線陣引起的相位差。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，為保證產(chǎn)生信號(hào)的真實(shí)性，不應(yīng)由于電路的設(shè)計(jì)引起額外的相位差，這就要求整個(gè)系統(tǒng)尤其是10片AD9857間工作時(shí)鐘的同步。?
??? 為保證同步，在該系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用一個(gè)精度高、穩(wěn)定度好的50MHz晶振作為系統(tǒng)工作時(shí)鐘，通過(guò)時(shí)鐘分配芯片產(chǎn)生多路時(shí)鐘作為系統(tǒng)中各單元模塊的參考時(shí)鐘，以保證整個(gè)系統(tǒng)工作的同步。AD9857的時(shí)鐘輸入除支持單端輸入外還支持PECL差分輸入，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用差分輸入方式，與單端方式相比，具有更強(qiáng)的抗干擾能力和更小的時(shí)鐘抖動(dòng)。系統(tǒng)時(shí)鐘分配如圖3所示。50MHz的時(shí)鐘由TTL時(shí)鐘分配芯片CY2309分出7路同步時(shí)鐘，其中4路分別作為4片DSP的參考時(shí)鐘，1路作為FPGA的參考時(shí)鐘，另外2路分別供給2片1分5的PECL時(shí)鐘分配芯片MC100LVEL14 ，共輸出10路PECL差分時(shí)鐘信號(hào)作為10片AD9857的參考時(shí)鐘。
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??? 由于CY2309輸出是單端TTL信號(hào)，而MC100LVEL14是雙端輸入，因此CY2309的輸出不能直接連到MC100LVEL14的輸入端，需要進(jìn)行電平匹配處理后才能互連；為了保持信號(hào)的完整性，消除時(shí)鐘信號(hào)的終端反射效應(yīng)，需要對(duì)MC100LVEL14的輸出進(jìn)行終端匹配。時(shí)鐘互連及匹配電路如圖4所示。在時(shí)鐘分配的PCB布線時(shí)，采用蛇形差分對(duì)的布線方式，保證10路AD9857間時(shí)鐘信號(hào)走線長(zhǎng)度的等長(zhǎng)。?
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3 寬帶陣列信號(hào)源DSP軟件設(shè)計(jì)?
??? 在本設(shè)計(jì)中，DSP作為系統(tǒng)的主控者，主要實(shí)現(xiàn)以下的功能：?
??? 系統(tǒng)上電復(fù)位后，接收由微機(jī)通過(guò)USB接口傳來(lái)的系統(tǒng)控制參數(shù)，包括產(chǎn)生的信號(hào)帶寬、天線陣陣型、信號(hào)種類、載頻大小等。根據(jù)這些控制參數(shù)，設(shè)定系統(tǒng)的工作狀態(tài)，并產(chǎn)生AD9857的配置字。?
??? 系統(tǒng)工作狀態(tài)設(shè)定完成后，DSP運(yùn)算產(chǎn)生基帶信號(hào)，信號(hào)產(chǎn)生流程如圖5所示。首先完成基帶調(diào)制信號(hào)的產(chǎn)生，可產(chǎn)生的信號(hào)類型有：AM、FM、PSK、FSK、SSB及CW等；調(diào)制信號(hào)經(jīng)過(guò)I/Q分解后輸出I、Q兩路信號(hào)，通過(guò)復(fù)合延遲線后產(chǎn)生3條路徑。每條路徑中分別乘以多普勒頻擴(kuò)因子、多普勒頻移因子、陣列相位差來(lái)實(shí)現(xiàn)短波信道和天線陣對(duì)信號(hào)的影響，最后將各徑相加，再加上高斯白噪聲后交替輸出I/Q路基帶信號(hào)。?
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??? 本文采用多片DSP芯片ADSP-TS201S和數(shù)字上變頻器AD9857相結(jié)合的方法，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了波形參數(shù)可靈活改變的短波寬帶陣列信號(hào)源。該信號(hào)源共有10路輸出，可用于10元及10元以下各種陣型天線陣信號(hào)的模擬，極大地方便了短波寬帶陣列信號(hào)處理設(shè)備的實(shí)驗(yàn)室調(diào)試和維護(hù)，使得外場(chǎng)調(diào)試時(shí)間大幅度減少。?
參考文獻(xiàn)?
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