基于DSP TMS320C6416的數(shù)字下變頻技術(shù)
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該數(shù)字接收機(jī)采用主從機(jī)方式。多DSP并行處理機(jī)作為系統(tǒng)的從處理機(jī)主要負(fù)責(zé)對(duì)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理，主處理機(jī)主要完成整機(jī)的控制、顯示及其它人機(jī)交互功能。ADC的采樣頻率為500MHz，中頻帶寬為20MHz。主處理機(jī)選用的高性能的通用微處理器，整機(jī)的數(shù)據(jù)總線可以選擇通用的PCI總線。其特點(diǎn)是傳輸速度快，最高可達(dá)132Mbytes/s，開(kāi)發(fā)比較便捷。也可選用CPCI或VME總線，其中CPCI兼有PCI總線的優(yōu)點(diǎn)同時(shí)結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，符合軍用標(biāo)準(zhǔn)，也可以采用VME總線結(jié)構(gòu)。以上總線結(jié)構(gòu)可以根據(jù)用戶的需要確定。該數(shù)字接收機(jī)的數(shù)據(jù)處理是由多DSP從處理機(jī)完成的，該從處理機(jī)的DSP個(gè)數(shù)可以根據(jù)不同用戶對(duì)算法的要求來(lái)確定，對(duì)于I、Q兩通道的數(shù)字下變頻運(yùn)算需要4片C6416芯片。圖3以4片DSP為例給出了該多DSP處理機(jī)的硬件框圖。該并行處理機(jī)工作在共享存儲(chǔ)區(qū)方式下，SDRAM和SBSRAM是全局共享存儲(chǔ)區(qū)，AD和DSP之間通過(guò)FIFO按照DMA方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，主機(jī)不直接與DSP的HPI口連接，而是通過(guò)一個(gè)總線接口電路，采用不同的接口芯片實(shí)現(xiàn)與不同總線結(jié)構(gòu)的主機(jī)接口。
3.2 數(shù)字下變頻的軟件實(shí)現(xiàn)
在該數(shù)字接收機(jī)的原理樣機(jī)階段，筆者在C6416 Simulator上實(shí)現(xiàn)了該數(shù)字下變頻算法。以一個(gè)通道為例，該軟件包括混頻和濾波抽取兩部分，考慮到算法的通用性采用了C語(yǔ)言，并對(duì)代碼進(jìn)行了優(yōu)化。這兩部分分別在一片DSP上實(shí)現(xiàn)，其中一片實(shí)現(xiàn)混頻，一片實(shí)現(xiàn)濾波抽取。這兩片DSP采用乒乓緩存方式并行工作，其軟件流程見(jiàn)圖4。從圖4中可以看出DSP1實(shí)現(xiàn)混頻，存儲(chǔ)區(qū)SBSA及SBSB通過(guò)DMA方式實(shí)現(xiàn)的，從FIFO來(lái)的數(shù)據(jù)也通過(guò)DMA方式讀入。由于DMA方式可以在DSP運(yùn)算的同時(shí)完成數(shù)據(jù)的交換，所以數(shù)據(jù)交換不占用額外的時(shí)間，實(shí)現(xiàn)了混頻和濾波抽取的并行運(yùn)算?；祛l運(yùn)算實(shí)際就是乘法運(yùn)算。通常為節(jié)省片內(nèi)存儲(chǔ)空間可以根據(jù)正余因子的對(duì)稱性存儲(chǔ)半個(gè)周期的數(shù)據(jù)，但該數(shù)字接收機(jī)中，復(fù)振蕩信號(hào)的頻率為190MHz，采樣頻率為500MHz，每周期僅3.8個(gè)樣值點(diǎn)，所以沒(méi)有必要存儲(chǔ)半個(gè)周期。實(shí)際應(yīng)用中存儲(chǔ)50個(gè)樣值點(diǎn)，也就是19個(gè)周期，其余的由對(duì)稱性給出。由于C6416采用16bit定點(diǎn)算法，為防止溢出復(fù)振蕩信號(hào)可由下式給出： W(n)=k%26;#215;sin(2πf/fs%26;#215;n） n=0,1,……,49 (1) 這里k=32767，f=190MHz，fs=500MHz，同時(shí)混頻運(yùn)算的結(jié)果要右移15位，對(duì)應(yīng)的C6416代碼如下： for(j=0;j>15; } 其中IN[n]為采樣數(shù)據(jù)，OUT[n]為混頻后的結(jié)果，SINNUM是復(fù)振蕩信號(hào)長(zhǎng)度。
低通抽取濾波器實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵是通過(guò)合理確定抽取的位置來(lái)減少運(yùn)算量。從圖1可以看出抽取是在濾波之后完成的，實(shí)際上根據(jù)變采樣率系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)互易性，抽取也可放在濾波之前。這相當(dāng)于把低通濾波和抽取看作一個(gè)濾波器，則
其中K為抽取率，h(i)為低通濾波器的單位樣值響應(yīng)。當(dāng)>>1時(shí)，當(dāng)抽取率為10時(shí)，經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明這種算法的運(yùn)算時(shí)間約為先濾波后抽取運(yùn)算時(shí)間的1/10。該濾波器是利用MATLAB的FDAT00l工具包設(shè)計(jì)的。設(shè)計(jì)時(shí)綜合考慮其性能及C6416的處理能力，確定此為一個(gè)17階、截止頻率為25MHz的濾波器。軟件實(shí)現(xiàn)抽取濾波時(shí)為防止溢出，采取了與混頻相似的處理方法，相應(yīng)的C6416代碼如下： sum=0； for(j=0;j>15; } IN[i]=sum；其中，RATE為抽取率，H[n]為濾波器系數(shù)，HNUM為其長(zhǎng)度。 圖5 某中頻采樣信號(hào)波形頻譜及數(shù)字下變頻后的波形頻譜為驗(yàn)證以上算法的可行性，筆者在C6416 Simulator上作為大量實(shí)驗(yàn)。圖5(a)、(b)分別給出了某采樣信號(hào)的波形與頻譜，該信號(hào)為簡(jiǎn)單脈沖，頻率為201MHz；(c)、(d)分別是下變頻后的信號(hào)波形與頻譜。從圖5中可以看出下變頻后的信號(hào)有和采樣信號(hào)相同的包絡(luò)，頻率被搬移到了11MHz，其數(shù)據(jù)長(zhǎng)度僅為采樣信號(hào)長(zhǎng)度的1/10，可以大大減輕后續(xù)處理的運(yùn)算量。對(duì)于20MHz帶寬的中頻信號(hào)，以500MHz采樣時(shí)，使用兩片C6416就可以實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)一個(gè)通道（I或者Q)的數(shù)字下變頻，滿足了設(shè)計(jì)要求。采樣長(zhǎng)度（bit定點(diǎn)數(shù)）采樣時(shí)間（μs）混 頻低通濾波周期數(shù)時(shí)間（μs）周期數(shù)時(shí)間（μs） 2000 4 1812 3.02 2165 3.61 4000 8 3612 6.02 4215 7.19 8000 16 7212 12.02 8615 14.35 16000 32 14412 24.02 12215 20.36 注：表中給出的混頻及低通濾波時(shí)間是10次實(shí)驗(yàn)的平均結(jié)果，采樣頻率為500MHz，C6416的時(shí)鐘頻率為600MHz。
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