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DSP在实时信号模拟器中的应用
通信、雷达等数字信号处理系统的设计中，信号模拟器发挥着至关重要的作用。模拟器用来模拟实际工作过程中信号处理系统的各种输入信号，从而方便了系 统调试。可以利用现有仪器模拟这些信号，也可以设计专门的模拟器。这两种方法各有特点：仪器模拟省去了模拟器的设计和调试过程，比较方便；但有时现有仪器 并不能完全满足系统测试的要求，另外有些仪器的价格相当昂贵（专用的信道仿真设备一般在24000到500000美元之间[1]）。因此，在信号模拟的方 法上应视实际情况而定：对于ADC这样输入信号比较简单的的系统，可以利用任意波形发生器这些测试仪器进行测试；而对需要多输入或输入信号种类比较多的系 统一般需要设计专用的模拟器。一般来说，能用容易得到仪器完成的信号模拟不需要设计专用模拟器。
　　近年来，随着电子技术的飞速发展，DSP、FPGA的性能得到很大提高的同时，其价格也在下降。因而，使DSP、FPGA得到了广泛的应用。另 外，支持即插即用的USB总线技术，可以方便地完成与计算机的连接。本文利用DSP、FPGA完成了一个基于USB总线的可编程信号模拟器，该模拟器可以 应用到雷达、通信等领域，尤其是无线个人网（WPAN）方面。
　　本文首先介绍模拟器所能完成的功能；接下来将对该模拟器的系统结构进行介绍；在第三部分，详细介绍各部分硬件的功能；在第四部分，介绍各部分软件结构；最后各该模拟系统的性能指标，以及模拟WPAN信号的方法。
    1 模拟器的系统结构和功能
　　本模拟器的核心处理芯片采用TI的TMS320VC5402，该芯片是一款性价比较高的16bits定点DSP处理器。系统结构如图1所示。

　　该模拟器由4个外部接口：USB接口、双路模拟输出接口、数字量输出接口、用户可编程输出接口等。其中USB接口负责模拟器与计算机之间的通 信，接收PC发送来的命令，向PC发送模拟器状态等；双路模拟/数字量输出接口以不同的方式将模拟结果送出系统；用户可根据自己的需要编程产生一些自定义 数字量/PWM等信号经过用户可编程接口输出。该模拟器可以由PC机控制，产生I/Q两路信号进行模拟和数字量输出。预留有用户可编程接口，方便用户和其 它系统进行无缝连接，如：RF模块等。
    2 模拟器硬件组成
    2.1 DSP处理器
　　该模拟器用到2个DSP处理器（TMS320VC5402），其处理能力可达100MIPS。其中DSP1负责控制USB接口芯片，与PC进行 通信。并将接收到的数据和命令进行处理后，经FIFO或多缓冲同步串口（McBSP）与DSP2进行通信。DSP2进行最后的处理，产生相应的波形送给 FIFO；同时向FPGA发送相应命令。FPGA根据命令控制DAC、及各输出接口，将波形数据输出。从而实时产生模拟数据和波形。
　　TMS320VC5402片内有16Kⅹ16bitsDARAM可以满足一般系统的处理要求，但考虑到系统扩展，在本系统中预留有外部RAM。该外部RAM可以分配为数据空间或程序空间，进行不同空间的大小扩展。
　　从系统结构图中可以看出，模拟器的数据流是单向的。DSP的数据总线为16bits宽，利用两片8bits异步单向FIFO （IDT72v01）进行宽度扩展，组成一个16bits的单向FIFO进行数据传输。可以将数据从DSP1传送到DSP2，由DSP2传送到各输出接 口。另外，我们利用两个DSP的McBSP进行一些关键参数、及需要进行双向传输的数据进行通信传输。FIFO通信时，将其空/满标志经过译码连接到对应 DSP的READY信号上。这样DSP在进行FIFO读写时，不会出现空读、和漏读现象。从而可以保证数据传输的可靠性和实时性。
    2.2 USB总线接口
　　USB总线是一种通用的计算机串行接口总线标准，可以连接多个设备。USB总线标准目前有：1.0、1.1和2.0多个标准。其中：1.0、 1.1标准最高提供12Mbps的传输速率；2.0标准最高提供480Mbps的传输速率。在该模拟器中，采用1.1标准的USB接口芯片 USBN9602/3。
　　USBN9602/3是美国国家半导体公司生产的一款支持USB1.1标准的接口芯片。该芯片提供多种数据接口方式（8bits并口、并口复 用、和MICROWIRE/PLUS），方便与控制器进行连接。相对来说，8bits并口访问方式，访问简单读取速度比较快。该模拟器利用DSP对 USBN9602/3进行控制，其数据线和地址线访问比较方便，因此采用8bits并口访问方式。USBN9602/3中断信号通知DSP进行时间处理。

    2.3 可编程逻辑器件
　　本模拟器中两个DSP的外围器件的译码由一片CPLD完成。该CPLD根据DSP的PS、DS、IS、MSTROB、IOSTROB、WR、以及地址线译码得到外围器件（USBN9602/3、FIFO、RAM）的片选、读写等信号。

　　输出接口部分的FPGA负责完成对DAC、及FIFO的控制，产生他们需要的片选、读写、时钟等信号。模拟器中采用alteral公司的 FPGA，在该器件中设计了多个PWM输出控制器、多个数字量输出控制寄存器。DSP2可以按照访问USBN9602/3的方式访问FPGA，对FPGA 内部的寄存器进行操作。从而进行PWM和数字量输出。此外用和还可以根据自己的要求设计相应的功能，以满足不同用户的要求。alteral公司的FPGA 由多种在线可编程方式，为了方便用户升级，我们采用8位并行加载方式。用户生成的下载文件经USB口传送给DSP1，由DSP1经过其总线下载导FPGA 中。从而减少了利用EPROM、JTAG等其他方式加载时，对硬件进行的EPROM烧写、插拔等其他操作。对编程时FPGA和模拟器正常使用时一样，无需 对硬件进行操作，做到了完全在线编程。
    2.4 DAC模拟输出
　　本模拟器采用AD公司的8-Bit双路发射机用DAC AD9709作为数模转换芯片。该芯片的最大转换速率可达125MSPS，可以应用到通信、基站、数字合成、三维超声等领域。AD9709的数字输入端有 双路并行、交织输入两种模式。我们采用能充分利用数据带宽的双路并行输入方式。AD9709模拟输出为两路差分信号，运放AD8041完成差分转单端。其 功能框图如下：

    3 软件结构
　　本模拟器的软件包括DSP和FPGA两部分。DSP1软件包括：USB控制，数据接收、处理、传输，FPGA配置，DSP2的引导等工作。 DSP2软件相对较少，DSP1送来的数据进行处理，将处理后的数据送到各接口处，并控制各接口的工作状态。FPGA完成数字、模拟各接口的具体控制。图 3为两个DSP的程序流程。

                                           图3　两个DSP的程序流程
    系统引导方式（Bootloader）。TMS320VC5402本身提供多种引导方式：HPI、串行EEPROM、并口、标准串口（McBSP0、 McBSP1）、及IO引导方式等。该系统的程序存放在FLASH中，该FLASH由DSP1访问。因此，DSP1采用并口引导，DSP2采用 McBSP0引导。在系统启动时，首先DSP1从并口将FLASH中的对应程序引导到DSP1的程序存储空间中，并执行相应程序。接着，DSP1从 FLASH中读取DSP2的程序，将该数据经McBSP口传送给DSP2的McBSP0，对DSP2进行引导。在两片DSP引导、及运行过程中，利用 BIO和XF引脚进行握手，从而对整个系统的运行进行同步和协调。
　　DSP1的处理流程如图3中左图所示，DSP1完成除了完成上面提到的两个DSP的引导外。还要完成USB控制、控制FPGA、处理数据、向 DSP2传输数据。DSP1根据USBN9602/3的中断信号，读取USB的状态，判断，进行相应的控制（其中自然包括USB的枚举过程）。两个DSP 之间由BIO和XF引脚进行握手，是并行系统的握手信号，对整个程序的协调执行进行同步。
　　DSP2根据DSP1发送的命令，对数据进行相应处理，并向FPGA发送控制字，调整FPGA的状态。由FPGA控制DAC、数字、PWM等接口的工作。
    4  应用
    综上所述，该模拟器具有数字模拟输出接口，可以方便地和PC及进行连接控制。其性能较高，最高输出带宽可达50MHz。该模拟器经编程可以满足雷达、通信等领域应用的要求。下面以其在信道实时仿真中的应用，说明其应用过程。
    信道仿真在通信系统设计中必不可少的，因此设计一个WPAN信道实时仿真系统具有一定的实用价值。WPAN有着广阔的前景，目前802.15.4标准尚未 确定，商用设备没有出现。尚处于开发研制阶段，而对于系统性能的调试、测试来说，信道实时仿真至关重要。我们知道，WPAN的数据率一般不大，在Kbps 量级，也就是说信道仿真系统的数据吞吐率和数据处理量将不会太大。
　　该模拟器DSP1通过USB接收PC机发送来的MAC数据，DSP1种的发射机程序完成对数据的编码调制，产生相应的波形数据；该数据经过 FIFO传送到DSP2，DSP2的信道模型程序模拟WSSUS信道处理数据，并向FPGA发送控制字，调整DAC的工作状态，经FIFO将波形数据送到 模拟和数字输出接口。另外，用户自定义接口，模拟用户的特定的信号，可以和一些其他电路模块进行连接，以满足其他需要。例如，连接上RF模块就可以将波形 数据发送到对应的无线信道等等。
    5 结论
　　利用DSP+FPGA完成的模拟器具有良好的实用性和可编程性，适合雷达、通信等不同领域的应用。USB接口，可以利用PC机方便地进行通信和数据分析。多种输出接口模拟、数字、用户自定义接口更加扩展了应用领域。