基于软件无线电架构的手持式频谱仪硬件设计

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(1.榆林学院 能源工程学院测控教研室，陕西 榆林 719000； 2.中国人民解放军 96658部队，北京 100094； 3.厦门软件职业技术学院，福建 厦门 361024)

0 引言

频谱分析仪(下文简称频谱仪)是进行频谱转换与测量的专用设备，用来对各种信号进行包括频率、功率、失真产物等在内的频域分析，被广泛运用于各种频率测试场合，有着频域“万用表”之称。然而随着现代技术不断的发展，无论是在军事领域还是民用工程测试里，都急需一种轻便的、高性能的、低功耗的测试设备用于无线信号频谱测量，因此设备的集成度方面将面临更高的要求。

近年来，随着半导体技术的发展，宽带高速ADC、高性能数字信号处理芯片DSP及现场可编程逻辑阵列芯片FPGA的出现，基于软件无线电架构的数字式频谱技术迅速发展起来。2003年，国外论文报告已经研制出1 024个点、带宽为1 00 MHz的FFT频谱仪[1]，2007年出现了16 384、带宽1 GHz通道的FFT频谱仪，甚至还出现了将32个1.5 GHz带宽的频谱仪组合成带宽为32×1.5 GHz=48 GHz的FFT频谱仪[2]，这些技术的发展，促使基于软件无线电手持式频谱仪的成为了可能。

国内电子科技大学的研究生周三[3]以zedboard开发板为平台，搭建了手持式频谱仪。本文拟基于软件无线电架构研发一种手持式频谱仪，采用数字信号处理方法进行解决，以尽可能缩减模拟电路的复杂性及不可预测性，同时针对手持式特性，对电源管理系统进行功率优化，采用低功耗处理芯片，缩小产品体积，方便野外与现场测试时携带。

1 主要性能指标及框架设计

本设计主要针对基于软件无线电的数字处理平台展开研究，性能指标主要为信号实时处理能力、并行处理的吞吐量以及整体功耗等，其指标如下：

1) 功耗小于12 W；

2) 浮点计算能力大于2 000 MFLOPS；

3) 实时处理FFT计算点数1 024点/20 ms；

4) 可实现数字下变频流水线操作且配置可控；

5) 具备人机交互及存储功能。

根据上述性能指标要求，可将频谱仪数字处理系统平台内部的核心处理器划分为FPGA、DSP及ARM三部份组成，工作主要是1) 完成各个接口控制；2) 实现数学模型的实时解算；3) 完成人机交互及数据存储等。频谱仪系统核心组成及各个模块连接示意如图1所示。

图1 基于DSP + FPGA架构的测量框架

该架构除了核心处理器FPGA、DSP及ARM外，包括的功能模块还有：ADC模数转换模块、SDRAM数据缓存模块、FLASH数据存储模块、时钟模块、电源管理系统模块、显示系统模块等，其中核心处理器模块FPGA、DSP及ARM的主要功能如下。

1) FPGA核心处理器模块主要功能：同步控制ADC模式转换模块将模拟信号转换成数字信号；完成数字滤波、数字检波、数字下变频及FFT信号处理等工作；通过EMIFA、UPP总线，将FPGA计算初步结果，传输给DSP进一步做浮点计算处理。FPGA自身优点是并行运算与流水线信号处理速度快、数据吞吐量大，适合于中频信号做前级处理。

2) DSP核心处理器模块主要功能：接收FPGA传输来的初步解算结果，利用DSP高速浮点计算的优势，进一步做高精度浮点高速计算，同时将这部分计算结果传输给ARM处理芯片，实现功率谱的显示与用户控制。DSP自身优点是浮点计算速度快，精度高，可实现多条指令同时进行，与FPGA形成优势互补。

3) ARM 核心处理器模块的主要功能：主要实现频谱显示、人机交互操作控制及数据存储管理等工作。

2 频谱仪主处理模块选型

手持式频谱仪主处理器的选型在满足性能要求的基础上，需要进一步考虑：1) 功耗问题，尽量避免采用发热量大，功耗高的芯片，包括外围接口芯片；2) 芯片集成度问题，随着芯片技术不断的发展，芯片向集约化、智能化、低功耗方向发展，在选型时需考虑芯片集成度问题，以让产品体现“手持式”特征；3) 硬件成本问题，手持式频谱仪的研究设计不仅需要考虑性能，还要考虑总体性价比，这样在市场才能受到用户的认同。针对芯片的选型，论文主要从FPGA、DSP、ARM及显示模块这几个方面进行选型论证。

1) 随着现场可编程门阵列FPGA技术的发展与不断成熟，其体积小、集成度高、可重复配置、功耗低、实验风险小等优点，使得大多逻辑数字电路的设计逐渐被FPGA取代，目前FPGA主要生产厂家有Xilinx、Altera、Lattice、Actel等公司，其中规模最大的公司属Xilinx和Altera公司。根据市场调查，综合考虑性能、处理速度及硬件资源，针对FPGA选型主要考虑Xilinx高效、低成本系列产品Spartan 7，该系列产品采用28 nm技术构建，提供业界最高性能功耗比，可满足苛刻要求，它比传统45 nm的Spartan 6器件系列快30%，总体功耗比45 nm器件系列低50%。根据性能要求，对比分析，最终选择FPGA芯片选择XC7S100-2FGGA484I工业级产品。

XC7S100-2FGGA484I[4-5]该芯片具有338个IO管脚满足ADC、EMIF等模块管脚数量的要求；160个DSP48A1硬件乘法器，满足数字下变频及FFT实时处理要求；1 100 kb分布式RAM及4 320 kb Block RAM可灵活配置多个FIFO要求；BGA封装可缩小芯片体积，降低辐射噪声级管脚之间的串扰，阵列管脚可提高系统抗振动能力，GCLK全局时钟最高可达到461 MHz。

2) 数字信号处理器(DSP)具有哈佛结构，流水线操作，高速硬件乘法器等特点，非常适合于高速实时信号处理以及实时控制系统。目前国内主流DSP生产厂家有TI、ADI、Motorola、Lucent等多家大型公司，芯片覆盖的范围包括图像处理、工业控制、浮点计算等。综合考虑性能、处理速度、硬件资源、及功耗问题，最终选用将DSP和ARM集成一起的双核芯片——TI公司的OMAP-L138系列的双核处理器芯片[6]，该芯片具有C674X系列的浮点DSP内核和ARM926EJ系列ARM内核结构，其中DSP内核是一款32位高性能浮点型DSP，弥补了FPGA中DSP48乘法器资源及精度的限制，完成浮点计算及策略控制。最高主频可达456 MHz，内部采用VLIW超长指令字结构，总指令字长达到256位，可以将256位指令包同时分配到8个处理单元，并由8个单元同步运行，最大处理能力可达到3648 MIPS，浮点处理能力可达到2746 MFLOPS，采用二级缓冲结构，4 KB直接匹配程序缓冲L1P，4 KB直接匹配数据缓冲L1P，256 KB L2额外内存，16位EMIFA结构可无缝衔接DDR2、NorFlash、NandFlash。DSP与ARM之间共享128 KB RAM，可实现数据的无缝衔接。

3) 显示模块是整个手持式频谱仪耗电量较大的模块，因此在选择色彩、像素性能等指标外，还需要考虑显示模块的供电问题。在项目中拟选用三星的AMOLED屏，AMOLED是有源矩阵有机发光二极管即自主发光，它继承了OLED优点的同时，由于自身会发光的特点，无死角、能在阳光下显示清晰画面，特别适合于野外作业，低温性能好，能在-40 ℃条件下正常工作，耗电量仅为OLED屏的六成。通过市场调研，最终选择三星AMOLED液晶屏AMS495QA01，该显示模块为5.0英寸，960*544点阵，接口为MIPI。

3 关键硬件电路设计

数字处理中频硬件总体框架结构如图2所示，通过SMA连接中频信号，经ADC将中频模拟信号转换成数字信号，利用FPGA的可灵活配置，完成数字下变频处理，将FPGA初步处理的零中频信号传给OMAP-L138进一步浮点计算和人机交互显示，除了FPGA、OMAP-L138主控制器外，主要还包括FPGA与OMAP之间通信、ADC控制模块、电源模块等。

图2 频谱仪中频处理框架

3.1 OMAP与FPGA通信设计

OMAP-L138与FPGA之间的通信采用4种总线方式：I2C、SPI、UPP、EMIFA，如图3所示。

图3 FPGA与OMAP通信连接

4种总线各自任务分工不同：

1) I2C、SPI主要完成FPGA配置；

2) UPP总线为通用并行接口，专门用于大量数据送入内存或从中读取数据，实现中频数据的传输及显示模块指令的传递，最高可达到75 MHz*16 bit = 1.2 Gbps；

3) EMIFA总线模块为DSP外部扩展总线结构[5]，传播速率可达到25 MHz*16 bits/4 = 100 Mbps，与FPGA连接关系如图4所示

图4 OMAP的EMIFA与FPGA通信连接关系

3.2 DDR2总线模块

设计中SDRAM数据模块采用1片Micro公司生产的DDR2内存芯片MT46H32M16LFBF-5，该芯片具有512 Mb容量，32 M存储深度，16 bit位宽，最高时钟可达到200 MHz，能够完全兼容OMAP- L138专用的DDR2/mDDR内存控制器接口，且OMAP-L138自带DDR2接口驱动，与DDR2连接如图5所示。

图5 OMAP-L138 与DDR2内存接口连接图

3.3 AMOLED模块接口设计

本系统拟选用的AMOLED显示模块采用MIPI接口规范，根据DPHY协议和DSI协议，MIPI接口定义可分为从属端和主控端，每个端口包括物理层、通道管理层、协议层和应用层。根据上述主处理芯片，系统架构设计图6所示[7-]。

其中，物理层功能模块包括：时钟接收通道、高速数据接收、低速数据接收发送；协议层功能模块包括：高速数据处理、低速数据的接收处理；应用层功能模块包括DBI写发生器，DBI读发生器、DPI生成器；顶层模块为对应的输入输出管脚。

图6 电源管理系统

3.4 时钟模块

系统时钟是数字处理系统设计的关键，为了使各个模块严格实现同步，需要有效地设计时钟系统。系统中需要同步时钟的模块包括：OMAP-L138、FPGA、ADC以及SDRAM存储模块。

图7 时钟管理系统

为了实现系统时钟可控，由高精度恒温晶振或温补晶振发出方波信号，中频系统中由两个始终芯片驱动：一个是24 MHz的晶振驱动OMAP输入时钟OSCIN，经内部PLL锁相环拓扑电路，形成输送至FPGA的EMA_CLK时钟和输送至DDR2差分时钟；另一个是有LVTTL100 MHz的方波信号驱动FPGA内部全局时钟GCLK，并利用DCM时钟管理模块，生成ADC所需要的差分时钟。时钟系统连接如图7所示，图中加粗箭头为多线时钟，双箭头表示差分时钟，单箭头为单端时钟。

3.5 电源模块

电源系统是高集成电路系统设计的核心工作之一，本系统采用冗余设计方法，利用芯片官方提供的数据手册得到的每个芯片最大功率，降额计算出每个电源芯片的功率要求，并此进行电源芯片选型，同时在系统设计过程中需注意电源的上顺序：一般是“先IO后CPU”电源上电顺序。

此外为了使系统具有良好的电磁兼容性，设计中将模拟电路和数字电路的电压相互独立供电：针对接地处理，采用分割的方法，将不同性质的接地分开，最终通过磁珠在电路板的某一点汇总，以减少模拟电路和数字电路之间的相互串扰；针对电压输入，一般采用低噪声输出电源芯片由总电源驱动输入，降低系统噪声，电源框图如图8所示。

图8 电源管理系统

4 频谱仪软件流程设计

手持式频谱仪系统软件包括三部分组成：DSP、FPGA和ARM(上位机软件)。其中FPGA软件主要完成数字下变频等信号调理调理工作及各个部件控制；DSP软件主要完成FPGA初级信号调理送来的数据进行FFT浮点计算，ARM主要实现人机交互显示与控制。

图9 手持式频谱仪软件设计

5 试验结果与分析

由于基于FPGA的数字下变频技术已经很成熟，可套用成熟的模型即可，另一方面Spartan 7系列的主频可高达456 MHz，对于处理低速中频信号，可采用硬件资源分时重利用方法，提高硬件资源利用率，该试验部分此处不再赘述。

本节只针对DSP模块对核心的数字算法FFT处理的速度进行实验。由于OmapL138中的DSP内核C674X是老一代C6713的衍生体，其运行速度和主频都比C6713快，因此只要老一代的C6713能够通过试验验证，则可进一步说明论文所阐述基于C674x硬件框架的正确性与可行性。

实验中以大数据量FFT成熟算法库利-图算法为试验算法，利用C6713硬件平台进行验证。经分析可得到，库利-图总的任务量为Nlog2N复数相加运算，及3/8Nlog2N次复数乘积运算，表1给出了1 M点复数FFT运算时总任务量和运行时间。

表1 采用单核DSP进行1 M点数FFT处理

通过上述试验得到如下结论：

1) 采用1 M点数的FFT进行运算，C6713总的运行时间为183.5 ms，当运算点数缩小到1 k点数时，也就是1 024点时，根据运算量的对比关系，其耗时至少是ms级别，满足系统所提指标要求；

2) 由于OmapL138内嵌的DSP C674x运行速度和主频均比C6713高，由此说明C674x也能够满足指标要求，也进一步说明系统方案的可行性。

6 结论

论文以手持式频谱仪为背景，设计基于软件无线电架构的频谱仪，为了体现“手持式”特征，该频谱仪以高性能功耗比为出发点，采用Xilinx公司Spartan 7序列的FPGA芯片XC7S100和TI公司集DSP和ARM为一体的双核CPU芯片OMAP-L138为主处理器，同时配合低功耗、高宽温、自身发亮的AMOLED屏，实现总体硬件框架设计，形成了并行与浮点计算优势互补的手持式数字信号处理系统。该系统能具有体积小、精度高、高性能功耗比等特点，具有广泛的运用前景。

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[3]周 三. 基于嵌入式SOC手持式频谱仪的硬件设计与实现[D]. 成都：电子科技大学, 2013.

[4]Xilinx, Inc. 7 Series FPGA Data Sheet: Overview DS180 (v2.4)[Z]. 2017.

[5]Xilinx, Inc. Spartan-7 FPGA Data Sheet: DC and Switching Characteristics DS189 (v1.2)[Z]. 2017.

[6]Texas Instruments, Inc. OMAP-L138 C6000TMDSP+ ARM Processor[Z]. 2009.

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