基于PCI接口的高速數(shù)字信號處理板卡的設計

隨著數(shù)字信號處理器（DSP）及其外圍支持芯片性能的提高，軟件無線電已經(jīng)得到廣泛應用，大大增強了實時信號處理系統(tǒng)的整體性能。但另一方面，隨著ADC和DAC向射頻方向前移，信號的采樣頻率也相應地提高，使得DSP系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換的帶寬成倍增長。傳統(tǒng)數(shù)據(jù)交換接口的瓶頸效應日趨明顯，因而相應地誕生了一批新的接口標準。PCI接口從1993年提出至今，得到了眾多計算機設備廠商的支持，已經(jīng)在PC機、工業(yè)控制等相關領域得到了廣泛的應用。

無源雷達是利用非合作的外輻射源發(fā)出的信號作為探測信號（如廣播信號、電視信號、GSM手機基站信號等），從接收目標反射的回波信號中提取目標的方位、速度等參數(shù)的設備。與傳統(tǒng)的雷達相比，它是被動接收的，因此隱蔽性強。在隱身飛機出現(xiàn)后，無源雷達技術得到了廣泛的關注。由于隱身飛機引入特殊的微波吸收材料，并采用了特別的外形設計，因而傳統(tǒng)的單基地毫米波雷達很難發(fā)現(xiàn)它。而無源雷達采用的探測信號是廣播電視號，由于廣播電視信號波長在米波范圍內(nèi)，從而使針對毫米波波長設計的微波吸收材料失去作用；另外，在收發(fā)站的配置上，由于無源雷達設計為雙站或多站系統(tǒng)工作，因此也破壞了隱身飛機對收發(fā)同方向消隱發(fā)射電磁波信號的設計思路；因而無源雷達正成為對抗隱身飛機的有力武器。本文針對無源定位雷達信號處理機的應用，利用PCI接口實現(xiàn)了將DSP處理結(jié)果快速實時地傳輸給PC機，由PC機完成數(shù)據(jù)融合與顯示記錄等功能。

1 基于PCI接口的高速信號處理板卡的設計

圖1是該板卡的原理框圖。無源雷達接收機輸出的中頻（30MHz）窄帶（帶寬為30MHz）窄帶（帶寬為200kHz）正交信號經(jīng)過緩沖、濾波后送入A/D變換器AD9051進行高速模數(shù)轉(zhuǎn)換。由于采用直接中頻帶通采樣，不但降低了接收機的復雜度，而且減小了接收機的輸出噪聲電平，有利于提高接收機的靈敏度和動態(tài)范圍。采用30MHz的采樣頻率，數(shù)據(jù)流首先進入FIFO存儲器IDT72V255中緩存。當FIFO充滿時，EPLD（EMP7128）給TMS3206701 DSP一個外中斷信號，啟動DSP的DMA傳輸，將FIFO中的數(shù)據(jù)快速地傳輸?shù)紻SP片外的同步突發(fā)靜態(tài)存儲器（samsung K7A163601M）中。DMA傳輸結(jié)束后，DSP對采樣的數(shù)據(jù)作時-空二維相關處理[1]，處理的結(jié)果首先寫入雙口RAM（IDT70V25）中。PCI總線與雙口RAM的數(shù)據(jù)交換，采用了郵箱寄存器（Mail Box）的方式進行。具體實現(xiàn)如下：先在雙口RAM中的某一固定的地址定義一個存儲單元作為雙方通信的“郵箱”，該存儲單元被答作郵箱寄存器。數(shù)據(jù)通信的發(fā)起方先檢查郵箱寄存器是否為空，如果郵箱寄存器是空的，則將數(shù)據(jù)寫入雙口RAM中；否則就等待郵箱寄存器為空。數(shù)據(jù)的接收方不斷地查詢郵箱寄存器，如果發(fā)現(xiàn)郵箱寄存器的值為非空，則將雙口RAM中的數(shù)據(jù)讀入，同時將郵相寄存器置為空值。利用這種方法的優(yōu)點是無需外加數(shù)據(jù)通信握手信號和邏輯，就可以直接完成雙向數(shù)據(jù)流的交換，對通信重復間隔長、數(shù)據(jù)塊大的傳輸十分適用。


2 PCI接口設計

1991年下半年，Intel公司首先提出了PCI總線的概念，并聯(lián)合IBM、Compaq、AST、HP、DEC等100多家公司，于1993年推出了PC局部總線標準——PCI總線。PCI是一套整體的系統(tǒng)解決方案，較其它只為加速圖形或視頻操作的局部總線優(yōu)越。PCI局部總線采用32位或64位數(shù)據(jù)總線，以33MHz或66MHz的時鐘頻率操作，可支持多組外圍部件及附加卡。在33MHz情況下，其數(shù)據(jù)傳送率高達132MB/s；在66MHz情況下，其數(shù)據(jù)傳送率翻倍。另外，它支持線性突發(fā)的數(shù)據(jù)傳輸模式，可確保總線不斷滿載數(shù)據(jù)。外圍設備一般會由內(nèi)存某個地址順序接收數(shù)據(jù)，這意味著可以由一個地址起讀寫大量數(shù)據(jù)，然后每次只需將地址自動加1，便可接收數(shù)據(jù)流下一個字節(jié)的數(shù)據(jù)。線性突發(fā)傳輸能夠更有效地利用總線的帶寬傳送數(shù)據(jù)，以減少無謂的地址操作。在雷達信號處理中，對信號的實時性要求很高，這就要求信號傳輸?shù)膸捯銐蚋?，PCI接口非常適合將高速信號處理模塊和計算機橋接在一起。目前PCI接口的設計一般采用兩種方法：其一是采用通用接口芯片完成。常用的芯片有：AMCC公司的S5933，PLX公司的PLX9054等。其二是采用EPLD或FPGA實現(xiàn)。這種方法可以針對自身的需要定制一定的功能，因而設計靈活性大，但必須嚴格遵循PCI總線的規(guī)范。采用通用接口芯片完成的好處是設計時可以不用關心PCI總線操作，只要處理好本地總線接口即可。設計簡單省時。本文采用PLX9054的C模式完成PCI接口功能。PLX9054有著獨立的本地總線（Local Bus），由它負責對雙口RAM進行訪問控制。


3 EPLD控制時序的實現(xiàn)

EPLD選用Altera公司的EMP7128S，用它來完成ADC采樣控制、FIFO的讀寫控制、采樣結(jié)束中斷的產(chǎn)生等功能。采用Altera提供的MAXPLUS II集成開發(fā)環(huán)境軟件，它支持VHDL、Verilog HDL和AHDL語言，此外它還支持直接輸入原理圖的方式。本文采用AHDL語言編寫。圖2是仿真的時序圖，其中CLK是輸入的外時鐘信號，WR是FIFO的寫信號，ENCODE是ADC的采樣時鐘信號，TR是采樣觸發(fā)信號，INT是輸出的中斷信號。COUNT是數(shù)據(jù)采樣長度計數(shù)器，雖然FIFO可以提供全滿、半滿的標志位，但僅以此作為中斷的產(chǎn)生條件，就限制了采樣長度的靈活性。為在應用中自定義采樣長度，實現(xiàn)對任意大小的數(shù)據(jù)（最大不超過FIFO的存儲深度）進行采樣，設計中引入了采樣長度計數(shù)器。只要恰當設置COUNT的計數(shù)初值（大小為采樣長度的補碼），使計數(shù)器溢出時給出INT中斷信號，就可以實現(xiàn)此項功能。ADC采用的是AD9051，它采用5級流水線（Pipeline）結(jié)構(gòu)輸出數(shù)據(jù)，所剛啟動采樣時，由于流水線未被充滿，前面輸出的5個數(shù)據(jù)是無效的，自第6個數(shù)據(jù)起才開始將A/D變換的結(jié)果存入FIFO中。