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基于OMAP-L138 DSP+ARM处理器与FPGA实现SDR系统

2018年03月29日 11:05 次阅读

CriTICal Link公司的某客户需要针对多个应用开发一个扩频无线电收发器。该客户已经开发出一套算法,准备用于对信号进行调制和解调,但他们却缺少构建完整系统的资源和专业知识。客户希望利用软件定义无线电(SDR)系统的灵活性优势。本文将探讨如何基于德州仪器(TI)的OMAP-L138 DSP+ARM处理器与FPGA来实现该系统。

平台

CriTIcal Link选择其MityDSP-L138F嵌入式系统模块作为SDR的基础,因为该模块不仅具有很强的处理能力,而且可以为客户节省大量的预先设计成本。MityDSP-L138F模块具有一个TI的OMAP-L138DSP+ARM处理器,该处理器集成了一个456MHz ARM9处理内核和一个456MHz TMS320C674x DSP内核。此外,该模块还包含了FPGA、NAND和NOR闪存以及DDR2存储器。

出于原型考虑,该设计使用了TI针对无线电的高速ADC与DAC评估套件。此外,它还需要能够在60MHz采样频率转换的数据转换器。

针对A/D转换器,该设计选用了TI的ADS5562。该转换器具有16位精度,可以以80MSPs采样速率进行转换。因为扩频无线电需要将信号从背景噪声中抽离,所以高动态范围对于这种无线电来说非常重要。

对于DAC,该平台选用了TI的THS5671。这是一款14位125Msps差分电流输出DAC。负责本项目的客户为该系统提供的前端设计如图所示。

基于OMAP-L138 DSP+ARM处理器与FPGA实现SDR系统

图:客户提供的前端设计。

数据传送问题

许多基于DSP的应用要求具有高速数据传输功能,以使系统能够采集和处理数据,或者将数据传送到外设。通常,数字信号处理器都包含了异步地址/数据总线,以使处理器能够读写外设。这些接口可以满足低速传送数据的要求,但是在高速情况下却会成为瓶颈。

OMAP-L138 DSP+ARM处理器具有一个称为外部存储器接口A(EMIFA)的地址/数据总线。EMIFA允许对外部存储器或设备进行异步寻址,并含有若干控制引脚,以满足不同等待状态和传输宽度等等要求。因为该接口具有很强的通用性,所以每次事务处理都可以利用多个时钟周期来完成。例如,最小的读取周期需要每16位3个周期。在100MHz下运行EMIFA,假设总线上没有其他数据,可得到的数据传输速率最大为66MB/s。在总线上进行交错读写会显著地降低传输速率,因为这必须增加额外的转换周期。

OMAP-L138处理器还包括了一个更为专用的接口,即通用并行端口(uPP)。该接口专门用来将大量数据连续送入处理器内存或从其中读出。uPP的传输速率为每时钟周期1个数据字(8位或16位);或者针对双数据速率为每时钟周期2个数据字,但是时钟速率必须减半。uPP时钟速率可以高达处理器时钟速率的一半。对于在300MHz下运行的OMAP-L138处理器,uPP时钟可以达到75MHz。这使吞吐量可以达到150MB/s。

OMAP-L138处理器实际包括2个uPP接口,每个都可以单独配置。这允许我们为应用建立一个传输端口和一个接收端口,从而消除单一总线上的资源争用问题。

从硬件角度看,uPP接口是一种非常简单的同步数据接口。它包含一个时钟引脚、数据引脚和若干控制引脚,用于指明有效数据和起始/等待条件。事实上,该接口可以与一些并行ADC和DAC实现无缝连接。

架构

因为我们的SDR需要与DSP之间进行高速数据传送,所以我们选择使用uPP端口来实现FPGA接口。我们使用一个端口作为接口的发送端,使用另一端口作为接收端。事实上,该处理系统可以同时进行发送和接收,尽管这并非系统要求。这个功能的优势在于,它允许我们在发送器和接收器之间建立循环,以进行大量的测试和调试工作。

对于一个10MHz载波来说,这种调制所需的处理特性,使系统过多地将全部处理任务在OMAP-L138处理器的DSP中完成。在速度较慢的应用中,DSP可以单独满足数据速率的要求,但由于客户要求以更高的速率发送数据,所以我们需要使用FPGA来执行部分处理任务。

FPGA尤其擅长以非常高的频率执行重复任务,因此,我们选择在FPGA中执行初始解调和基带处理。这样,我们就可以大量减少DSP中的数据并降低DSP的数据速率。在发送侧,DSP可以预先计算最终的射频信号,以便将有效负载数据的编码时间降至最短。因此,FPGA仅仅将发送波形数据从uPP端口发送到DAC。事实上,不使用FPGA也可以完成这项工作,但是我们在设计系统时仍将FPGA加入,以便在需要时使用。

FPGA的双端口RAM中包含一个正弦或余弦查找表,用于合成接收机的本机振荡器信号。FPGA中的乘法器/累加器用于根据要求解调信号。

发送处理链

当ARM微处理器上的软件向DSP发出传输消息包时,发送过程将会启动。DSP对数据进行编码,使其成为扩频调制序列,并将其编入一个预先计算的已调制正弦波查找表。然后,DSP使用uPP的内置DMA引擎建立一个DMA传输,用以将数据从DSP存储器传送到DAC。FPGA则起到中间调解作用,负责向DAC和uPP提供可编程时钟,用于设置发送采样率。

接收处理链

接收流程连续运行。ADC样本被同步送入FPGA——通过将输入样本与正交正弦和余弦波形相乘并积分,对数据进行基带处理,从而以较低的数据速率向DSP提供同相和正交样本。这些样本被uPP DMA引擎以DMA方式送入DSP存储器,再由DSP处理剩余的扩频解调处理步骤。一旦信号被解调,得到的数据包将使用TI的DSPLink处理器之间通信库传送回ARM处理器。ARM软件接收解码数据,并通过命令接口将数据呈现给用户。

使用FPGA执行接收器初始基带处理能够释放足够的DSP处理能力,从而轻松完成剩余的解调和解码工作。如果系统中的输入信号采样率显着低于60MHz,则DSP可不借助FPGA的力量,独自执行基带处理任务。

该系统的初始工作使用了一个低频段(几十或几百kHz)的载频。在初始实施过程中,FPGA仅负责将数据发送至DSP,由DSP执行所有的解调功能。这种方式很奏效,但是无法达到更高采样率应用的要求。通过在FPGA中实施基带处理,我们可以在全采样率下进行数字基带处理和滤波,从而改善系统的噪声性能:这在欠采样下是无法做到的。

本文小结

该项目实现的原型系统已经为多个应用实施过概念验证。与理想扩频无线电的理论性能相比,该系统的性能非常优异。TI OMAP-L138 DSP+ARM处理器与FPGA的结合,实现了具有出色性能的高性价比解决方案。将DSP的部分处理负载分配给FPGA,使系统可以使用低成本、低功耗的处理器来构建,而不是由GHz级的DSP处理所有工作。uPP接口支持简单的FPGA接口功能,并且与其他可用的DSP接口相比,具有明显的性能优势。使用uPP中的DMA进行数据传送,可以进一步释放DSP资源,将DSP周期用于更加重要的工作。

在OMAP-L1x平台中加入ARM处理器后,便可使用嵌入式Linux提供通信基础设施,来管理系统中的用户界面和所有的内务处理功能。此外,使用SD卡、USB驱动器或者以太网连接,可以对系统软件(ARM、DSP和FPGA)进行现场升级。因此,SDR系统的灵活性可以充分满足处理算法的发展要求。

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CAN总线结构与CAN总线标准帧

CAN总线规范采用了ISO-OSI(Open System Interconnection Refe...

发表于 2018-03-13 14:09 700次阅读
CAN总线结构与CAN总线标准帧

传统FPGA调试方案与EXOSTIV Probe...

相信每一个电子工程师在项目开发的过程中都不可避免的要进行方案的调试,除了模拟调试我们还必须进行真机调...

发表于 2018-03-13 13:54 602次阅读
传统FPGA调试方案与EXOSTIV Probe...

PWM蜂鸣器驱动之引脚分配

在Pin Planner界面最下面出现的“Node Name”一列中,有我们的3个信号接口,这里“L...

发表于 2018-03-13 10:09 529次阅读
PWM蜂鸣器驱动之引脚分配

人眼仿生学原理设计一种嵌入式的微型3D图像传感器

3D图像传感器系统结构包含两只CMOS型图像传感器及缓存图像数据的SDRAM,为了对两只图像传感器...

发表于 2018-03-13 09:55 647次阅读
人眼仿生学原理设计一种嵌入式的微型3D图像传感器

AS配置方式由FPGA器件引导配置操作过程

JTAG模式在线下载FPGA的原理如图7.15所示,PC端的Quartus II软件通过下载线缆将b...

发表于 2018-03-13 09:46 565次阅读
AS配置方式由FPGA器件引导配置操作过程

莱迪思发布新一代FPGA设计软件 适用于开发低功...

莱迪思半导体公司布推出全新的FPGA设计软件——Lattice Radiant™,适用于需要开发低功...

发表于 2018-03-12 15:52 161次阅读
莱迪思发布新一代FPGA设计软件 适用于开发低功...

献给那些刚刚踏上硬件之路的同学们:硬件开发经验

在进行FPGA学习的时候,我遇到过问题停滞不前,试验没有进展,心情沮丧的时候。那时对底层硬件一无所知...

发表于 2018-03-12 14:18 967次阅读
献给那些刚刚踏上硬件之路的同学们:硬件开发经验

FPGA设计的经验技巧,FPGA开发设计经验总结

FPGA(Field-Programmable Gate Array),即现场可编程门阵列,它是在P...

发表于 2018-03-12 10:35 608次阅读
FPGA设计的经验技巧,FPGA开发设计经验总结

FPGA控制的无人机电源管理系统

工业电子产品的发展趋势是更小的电路板尺寸、更时尚的外形和更具成本效益。由于这些趋势,电子系统设计人员...

发表于 2018-03-12 09:48 3046次阅读
FPGA控制的无人机电源管理系统

一个电子工程师的硬件初学之路分享

抱着热情,自己后来一点一点地深入的学习fpga,一些常规逻辑电路的设计,包括逻辑门电路、数据选择器、...

发表于 2018-03-09 16:45 697次阅读
一个电子工程师的硬件初学之路分享

初学者爱问这个问题,FPGA到底能做什么?

各种方案虽然只是初步的了解一些,但是发现这方面虽然有类似SOPC概念的海思和TI双核解决方案,而且是...

发表于 2018-03-09 14:19 696次阅读
初学者爱问这个问题,FPGA到底能做什么?

主动噪声控制平台的FPGA实现

主动噪声控制平台的FPGA实现。基于FPGA搭建了针对汽车的主动噪声控制平台,此平台可以正确实时地采...

发表于 2018-03-05 10:34 601次阅读
主动噪声控制平台的FPGA实现

学习硬件必须掌握的基础知识点总结

如果你认为这么多书,怎么看都看不完。那是以一种静止、偏面的观点来分析问题了。其实上介绍那么多课,很多...

发表于 2018-03-04 15:28 1269次阅读
学习硬件必须掌握的基础知识点总结

基于FPGA的惯性导航系统设计

惯性导航系统(INS,Inertial Navigation System)也称作惯性参考系统,是一...

发表于 2018-03-04 09:25 93次阅读
基于FPGA的惯性导航系统设计

基于FPGA的压控晶振同步频率控制系统的研究与设...

本文主要介绍了基于FPGA的压控晶振同步频率控制系统的研究与设计。利用GPS提供的1pps秒脉冲信号...

发表于 2018-03-02 14:55 321次阅读
基于FPGA的压控晶振同步频率控制系统的研究与设...

基于FPGA的超级电容均压及充放电设计方案

由于超级电容器单体性能参数的离散性,当多个单体串联组成电容器组时,在充放电过程中容易造成过充或过放现...

发表于 2018-02-28 08:40 428次阅读
基于FPGA的超级电容均压及充放电设计方案

英特尔发售业内首款基于58G PAM4 技术的F...

英特尔宣布开始发售英特尔® Stratix® 10 TX FPGA ,这也是业内唯一一款采用 58G...

发表于 2018-02-27 11:55 493次阅读
英特尔发售业内首款基于58G PAM4 技术的F...

针对Linux BSP开发的Petalinux,...

本实验工程将介绍如何利在赛灵思异构多处理器产品系列 Zynq UtralScale+ MPSoC ...

发表于 2018-02-27 11:01 4989次阅读
针对Linux BSP开发的Petalinux,...

基于FPGA的改进型FIR滤波器的实现

FIR数字滤波器在数字信号处理的过程中有很好的线性相位和稳定性,被广泛应用于音频处理、语音处理、信息...

发表于 2018-02-26 18:44 249次阅读
基于FPGA的改进型FIR滤波器的实现

如何经济的设计一个新的芯片

我们最近与Bunny Huang进行了有趣的交流,他是硬件大师以及Chumby,NetTV和Nove...

发表于 2018-02-24 10:53 971次阅读
如何经济的设计一个新的芯片

嵌入式设计开发中的常见问题小总结

单片机等小的外部总线单片机等小的MCU一般都有外部总线,可以用来接真彩LCD(异步总线接口TFT显示...

发表于 2018-02-24 10:23 1428次阅读
嵌入式设计开发中的常见问题小总结

FPGA基础知识及其工作原理与基本的功能块案例

高端设计工具为少有甚是没有硬件设计技术的工程师和科学家提供现场可编程门阵列(FPGA)。无论你使用图...

发表于 2018-02-17 19:38 1843次阅读
FPGA基础知识及其工作原理与基本的功能块案例

Stratix IV内嵌DPA电路的基本结构分析

不论从哪个角度看,今天的现场可编程门阵列(FPGA),都显得鹤立鸡群,真是非常棒的器件。如果在这个智...

发表于 2018-02-16 17:38 2882次阅读
Stratix IV内嵌DPA电路的基本结构分析

低成本FPGA中实现动态相位调整方案

在FPGA中,动态相位调整(DPA)主要是实现LVDS接口接收时对时钟和数据通道的相位补偿,以达到正...

发表于 2018-02-16 17:32 1549次阅读
低成本FPGA中实现动态相位调整方案