借花献佛：基于DSP+FPGA的高速数字信号处理平台

haichao

摘　要:本文介绍了一种高速数字信号处理平台的实现方案，主要是基于FPGA+DSP的结构来实现高速数字信号处理。该方案采用先进的FPGA和DSP芯片，借鉴了软件无线电的思想，通过DSP芯片对FPGA芯片的动态配置来实现具有通用性、可扩充性的硬件平台，并对其硬件结构和软件工作流程进行了阐述。
引言
随着科学技术的快速发展，人们对信息的需求越来越大，对信息的处理速度也越来越快。信号处理理论与技术的飞速发展直接导致A/D、D/A、FPGA及DSP 等电子集成产品的高速发展与更新，使许多复杂、高速的信号处理运算的实现成为可能。数字信号处理技术已在通信、信息、电子、自动控制、航天及军事等领域中得到广泛应用。
以现代通信理论为基础，以数字信号处理为核心的软件无线电技术是近几年通信与电子领域最引人注目的话题。软件无线电技术突破了以功能单一、可扩充性差的硬件为核心的设计局限性，强调以开放性、扩充性和软件编程硬件为通用平台，利用系统可升级、可重复配置来实现多功能的设计。动态配置技术为同一硬件平台上实现不同的功能需求、不同的工作模式提供了可能。
本文介绍一种高速数字信号处理平台的实现方案，该方案借鉴了软件无线电的思想，通过FPGA和DSP芯片来构造一个具有通用性、可扩充性、灵活的多功能高速数字信号处理平台。该平台通过动态配置可以进行多模式工作,能够应用在无线接收、卫星接收、图象处理和信号分析等多个领域。
总体硬件框架
图1为本文要介绍的高速数字信号处理平台的硬件框图，主要包括五个功能块：高速A/D及D/A变换、超大规模FPGA芯片、高速DSP芯片、程序与数据存储器、FPGA完成的接口模块。其中超大规模FPGA芯片和高速的DSP芯片是系统的核心，用来完成高速数字信号处理算法。下面就如图所示的各部分作介绍。
高速A/D及D/A变换
高速的数字信号处理需要A/D器件具有较高的采样速率和工作带宽，同时为适应复杂的电磁环境和特殊的系统要求，器件还应具有较大的信噪比动态范围。这就要求A/D器件同时具有高的采样速率和大的比特分辨数，因为这两项性能指标直接影响输出信号的信噪比动态范围，三者的关系如下式：
式中：SNR为输出信号的信噪比；B为比特分辨数，即A/D的转换位数；为采样速率；输入模拟信号的最高频率。本文介绍的高速数字信号处理平台的 A/D转换器采用AD9235芯片，转换位数为12比特，采样率最高可达65MSPS；D/A转换器采用AD9765芯片，输入数据率可达 125MSPS，转换位数为12比特。
高速DSP芯片
本文设计的高速数字信号处理平台中采用的DSP芯片为——TI公司的TMS320C6203B芯片，由于 TMS320C6000系列芯片的开发环境比较完善，特别是C语言的编译可以达到很高效率，因此对缩短软件开发周期很有利；同时TMS320C6000系列芯片速度高，可以应付复杂的数字信号处理技术。TMS320C6203B芯片的核电压为1.5V，采用的I/O电压为3.3V，需要双电压供电。设计中采用的供电芯片为TI公司的TPS70348芯片，该芯片5V输入，1.5V和3.3V双电压输出，专为DSP和FPGA等需求设计。供电的示意图如图2 所示。
超大规模FPGA芯片
本文设计高速数字信号处理平台的FPGA芯片均采用ALTERA公司APEX系列。其中用于完成数字信号处理算法的芯片为EP20K400E，由它完成DSP芯片前端高速、复杂的数字信号处理。ALTERA公司的EP20KE系列芯片核电压为1.8V，采用的I/O电压为3.3V，也需要双电压供电。设计中采用的供电芯片为TI公司的TPS70351芯片，该芯片5V输入，1.8V和3.3V双电压输出，专为DSP和 FPGA等需求设计。供电的示意图与图2相似，只是核电压不同。由超大规模FPGA芯片和高速的DSP芯片组成系统的核心，是为了发挥两者的优势。 FPGA芯片与DSP芯片相比，由于其结构上的优势，FPGA芯片更适合完成并行处理、重复性强、速度要求高的数字信号处理运算；而DSP芯片更适合完成串行顺序处理。两者比较如表1所示。
接口FPGA及FLASH模块
接口FPGA芯片采用EP20K100E，由它完成高速数字信号处理平台与计算机或其它主控设备的连接。该芯片的核电压为1.8V，采用的I/O电压为3.3V，采用的供电芯片也为TI公司的TPS70351芯片。
程序与数据存储器FLASH采用Intel公司的E28F320，其存储容量为32Mbit。由DSP的供电芯片TPS70348为其一起供电，TPS70348芯片的复位信号/RESET为FLASH和DSP的共同复位信号。
动态配置技术
由DSP+FPGA芯片及总线的结构组成高速数字信号处理平台，可以充分发挥软件的重要作用。该平台可以通过DSP的控制，发挥FPGA芯片的动态配置技术，实现了硬件资源动态分配。在同一个硬件平台上，通过动态地调用不同的软件程序，来实现多功能、多模式工作。由于采用了动态配置技术，该平台还具有一定的开放性和可扩展性，可以很好地满足设计的完善、功能的扩充及程序的更改。
系统的软件设计流程
本文设计的平台通过动态配置可以进行多模式工作,能够应用在无线接收、卫星接收、图像处理和信号分析等多个领域。进行多模式工作时，受计算机或主控设备的控制，由接口完成命令的传输，DSP芯片完成命令的执行。加电复位后，DSP和FLASH芯片完成初始化，DSP通过初始程序对FPGA芯片进行配置，系统开始进行数据的收发，并送往计算机或主控设备。当计算机或主控设备需要更改工作模式时，将变换工作模式的命令送DSP 芯片，DSP芯片接收到该命令后，通过预置在FLASH的程序对FPGA芯片进行重新配置，并转换工作模式，系统重新开始数据的收发。其软件流程如图3所示。
结语
本文介绍一种高速数字信号处理平台的实现方案，借鉴了软件无线电技术，通过FPGA和DSP芯片来构造一个具有通用、可扩充、灵活的多功能高速数字信号处理平台。该平台可以在软定义无线电结构、图象处理和信号分析等多个领域进行应用。
总参第六

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