使用新型 Virtex FPGA 開發(fā)小型軟件無線電平臺(tái)：SFF SDR

SFF SDR(小型軟件定義無線電)開發(fā)平臺(tái)是一種模塊化的 RF/IF/基帶平臺(tái)(圖 1 和圖 2)。該平臺(tái)展示了 Xilinx 和德州儀器 (Texas Instruments, TI) 的最新芯片產(chǎn)品以及最新高級(jí)設(shè)計(jì)流程和軟件架構(gòu)。 這個(gè)平臺(tái)還為手持設(shè)備開發(fā)人員提供了特定的關(guān)鍵功能，如實(shí)時(shí)功耗配置和監(jiān)測(cè)。

圖 1 – SFF SDR 開發(fā)平臺(tái)的模塊平臺(tái)

此平臺(tái)是德州儀器、Xilinx 和 Lyrtech 以及眾多主要軟件工具供應(yīng)商聯(lián)合開發(fā)的成果。 此平臺(tái)具有一個(gè) Xilinx® Virtex-4 器件，該器件的先進(jìn)功能可為您開發(fā)高效的功耗優(yōu)化設(shè)計(jì)助一臂之力。

本文將討論組合 DSP/FPGA 架構(gòu)和設(shè)計(jì)的趨勢(shì)及其在 SFF SDR 開發(fā)平臺(tái)中體現(xiàn)的方法。 本文還將介紹用混合設(shè)計(jì)流程(對(duì)于 FPGA 使用基于模型的開發(fā)方法，對(duì)于片上系統(tǒng)的 DSP 使用 C/匯編語言)設(shè)計(jì)的簡單的家用無線電服務(wù) (FRS) FM 調(diào)制方法和較復(fù)雜的 GSM 調(diào)制方法。

圖 2 – SFF SDR 開發(fā)平臺(tái)的框圖與技術(shù)

SFF SDR 開發(fā)平臺(tái)

SFF SDR 開發(fā)平臺(tái)提供從天線到基帶處理的完整信號(hào)鏈。 可以用這套系統(tǒng)為軍事、公安和商業(yè)應(yīng)用創(chuàng)建單協(xié)議或多協(xié)議無線電手持設(shè)備。 這套系統(tǒng)還可用作快速原型設(shè)計(jì)和測(cè)試平臺(tái)。 另外，該平臺(tái)為了與 The MathWorks 的 Simulink 基于模型的設(shè)計(jì) (MBD) 工具一起使用而進(jìn)行了集成，所以可以選擇使用 C/HDL 或 MATLAB Simulink 快速測(cè)試概念驗(yàn)證設(shè)計(jì)以及對(duì)架構(gòu)進(jìn)行成本和功耗優(yōu)化。

與市場(chǎng)上其他 SDR 開發(fā)產(chǎn)品不同，SDR 開發(fā)平臺(tái)是軟硬件共同開發(fā)環(huán)境，可為多協(xié)議 SDR 設(shè)備提供全套構(gòu)件，包括 RF 前端模塊、模數(shù)及數(shù)模數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊和數(shù)字處理模塊。 通過將基帶、IF 和 RF 分割成分立模塊而非采用單一混合架構(gòu)，就可以用替換己方或第三方模塊的方法增強(qiáng)您的無線電開發(fā)能力，并進(jìn)行成本和功耗優(yōu)化。 這一靈活性至關(guān)重要，因?yàn)樗鼓心芰︶槍?duì)日新月異的行業(yè)要求調(diào)整自己的產(chǎn)品。

基帶模塊具有一個(gè) Xilinx Virtex-4 SX35 FPGA 和一個(gè) TI TMS320DM6446 芯片。 TI 芯片包含一個(gè) TMS320CC64x+ DSP 內(nèi)核和一個(gè) ARM9 通用處理器內(nèi)核。 SDR 開發(fā)平臺(tái)具有一個(gè)獨(dú)特的功耗測(cè)量 API。 此 API 可測(cè)量 FPGA、DSP 和 ARM 的加載并報(bào)告實(shí)時(shí)功耗數(shù)據(jù)。 這樣，您就可以提取特定數(shù)據(jù)速率下的突發(fā)和峰值功耗等重要信息，從而準(zhǔn)確地估計(jì)電池壽命。 您還可以快速估計(jì)不同系統(tǒng)配置的功耗影響。 例如，您可以嘗試在 FPGA 和 DSP 之間進(jìn)行不同的系統(tǒng)功能分配，以獲得最佳的功耗/性能平衡。

FRS 和 GSM 應(yīng)用示例

SFF SDR 開發(fā)平臺(tái)包含一個(gè)基本應(yīng)用示例： 簡單的 FRS FM 波形。 圖 3 所示示例完全采用基于模型的方法設(shè)計(jì)，以便顯示該平臺(tái)的快速原型設(shè)計(jì)功能。 此應(yīng)用還說明了如何在 DSP 和 FPGA 之間分配應(yīng)用功能，并且說明了將不同處理部分從 FPGA “轉(zhuǎn)移”到 DSP(以及相反過程)的效果。

( a) (b)

圖 3 – 用“完全基于模型設(shè)計(jì)”的方法設(shè)計(jì)簡單的 FRS 波形。 圖 3(a) 所示為 DSP 處理(Tx 端);圖 3(b) 所示為 FPGA 處理(Rx 和 Tx 端)。

圖 4 所示為使用 Simulink/Xilinx System Generator for DSP 中基于模型的方法實(shí)現(xiàn)的 GSM 物理層的 FPGA 部分。 此模型實(shí)際上是一個(gè)可執(zhí)行的框圖，其中所有信號(hào)處理功能都可以通過結(jié)合 Simulink 信號(hào)源、信道仿真、輸出示波器和數(shù)據(jù)誤碼率分析進(jìn)行仿真和驗(yàn)證。

這一方法的優(yōu)點(diǎn)是，一旦完成仿真，即可將模型綜合到 FPGA 比特流中去用實(shí)際信號(hào)執(zhí)行。

我們先淺釋開發(fā)過程，然后對(duì)非常具體的 DSP 相關(guān)實(shí)現(xiàn)和時(shí)序?qū)崿F(xiàn)方面進(jìn)行較深入的探討。

該 GSM 項(xiàng)目當(dāng)初的目標(biāo)器件是 Virtex-II 系列，用一個(gè) Virtex-4 器件對(duì)同樣的 System Generator 模塊進(jìn)行了重新綜合和重新驗(yàn)證。 可見采用基于模型的方法的最主要好處就是 便于器件重定向。

圖 4 – GSM 物理層的 FPGA 模型

這種重定向的實(shí)現(xiàn)方法尚可通過第一關(guān)，但是，使用 Virtex-4 FPGA 中 DSP48 處理單元的更高級(jí)功能是為了優(yōu)化設(shè)計(jì)，因?yàn)閮?yōu)化設(shè)計(jì)越多功耗就越小。 圖 5 所示為模型的一個(gè)關(guān)鍵的高速部件——發(fā)送端 IF 混頻器，其運(yùn)行速度是 I

F 采集速度 (104 MHz)。 優(yōu)化這一部分是降低功耗的關(guān)鍵。 這是通過“調(diào)整”DSP48 微碼(如圖形用戶界面子窗口中所示)實(shí)現(xiàn)的，該微碼被編程為執(zhí)行一個(gè)乘加指令。 這樣，與 Virtex-II 器件相比，F(xiàn)PGA 資源就會(huì)低得多。 由于這一優(yōu)化，用電量(用此平臺(tái)的功耗測(cè)量功能驗(yàn)證)也會(huì)低許多，Virtex-4 器件的整體功耗配置也會(huì)得到改善。

圖 5 還顯示了 System Generator 另一個(gè)令人非常感興趣的優(yōu)化功能——重定時(shí)功能。 這一強(qiáng)大功能使 System Generator 可以在整條流水線的適當(dāng)位置插入鎖存器。 這一自動(dòng)重新定時(shí)功能確實(shí)起到了簡化作用，特別是對(duì)直接數(shù)字合成 (DDS) 功能等高速部分。

Virtex-4 架構(gòu)和工具的使用使 GSM 物理層的實(shí)現(xiàn)大受裨益。 就 FPGA 的資源和功耗而言，我們用 SFF 的功耗測(cè)量功能大大優(yōu)化了實(shí)現(xiàn)過程。 連續(xù)功耗監(jiān)測(cè)等其他功能將使您能夠?qū)\(yùn)算過程中的用電量進(jìn)行表征，從而進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)處理優(yōu)化。

圖 5 – 使用微碼自定義 DSP48 處理單元

結(jié)論

SFF SDR 開發(fā)平臺(tái)為手持設(shè)備開發(fā)人員提供了非常靈活的平臺(tái)。 此平臺(tái)以 TI 和 Xilinx 等芯片供應(yīng)商提供的高級(jí)處理器以及 The MathWorks 等主要供應(yīng)商提供的軟件工具為依托，為手持設(shè)備開發(fā)人員提供了一個(gè)真正的“樂高模塊箱”，在不斷加速、競(jìng)爭激烈而又極有前途的無線設(shè)備市場(chǎng)中構(gòu)建出先進(jìn)的產(chǎn)品。