DSP在实时信号模拟器中的应用

在通信、雷达等数字信号处理系统的设计中，信号模拟器发挥着至关重要的作用。模拟器用来模拟实际工作过程中信号处理系统的各种输入信号，从而方便了系统调试。可以利用现有仪器模拟这些信号，也可以设计专门的模拟器。这两种方法各有特点：仪器模拟省去了模拟器的设计和调试过程，比较方便；但有时现有仪器并不能完全满足系统测试的要求，另外有些仪器的价格相当昂贵（专用的信道仿真设备一般在24000到500000美元之间）。因此，在信号模拟的方法上应视实际情况而定：对于ADC这样输入信号比较简单的的系统，可以利用任意波形发生器这些测试仪器进行测试；而对需要多输入或输入信号种类比较多的系统一般需要设计专用的模拟器。一般来说，能用容易得到仪器完成的信号模拟不需要设计专用模拟器。  

近年来，随着电子技术的飞速发展，DSP、FPGA的性能得到很大提高的同时，其价格也在下降。因而，使DSP、FPGA得到了广泛的应用。另外，支持即插即用的USB总线技术，可以方便地完成与计算机的连接。本文利用DSP、FPGA完成了一个基于USB总线的可编程信号模拟器，该模拟器可以应用到雷达、通信等领域，尤其是无线个人网（WPAN）方面。  

本文首先介绍模拟器所能完成的功能；接下来将对该模拟器的系统结构进行介绍；在第三部分，详细介绍各部分硬件的功能；在第四部分，介绍各部分软件结构；最后各该模拟系统的性能指标，以及模拟WPAN信号的方法。  

1 模拟器的系统结构和功能  

本模拟器的核心处理芯片采用TI的TMS320VC5402，该芯片是一款性价比较高的16bits定点DSP处理器。系统结构如图1所示。



该模拟器由4个外部接口：USB接口、双路模拟输出接口、数字量输出接口、用户可编程输出接口等。其中USB接口负责模拟器与计算机之间的通信，接收PC发送来的命令，向PC发送模拟器状态等；双路模拟/数字量输出接口以不同的方式将模拟结果送出系统；用户可根据自己的需要编程产生一些自定义数字量/PWM等信号经过用户可编程接口输出。该模拟器可以由PC机控制，产生I/Q两路信号进行模拟和数字量输出。预留有用户可编程接口，方便用户和其它系统进行无缝连接，如：RF模块等。  

2 模拟器硬件组成

2.1 DSP处理器  

该模拟器用到2个DSP处理器（TMS320VC5402），其处理能力可达100MIPS。其中DSP1负责控制USB接口芯片，与PC进行通信。并将接收到的数据和命令进行处理后，经FIFO或多缓冲同步串口（McBSP）与DSP2进行通信。DSP2进行最后的处理，产生相应的波形送给FIFO；同时向FPGA发送相应命令。FPGA根据命令控制DAC、及各输出接口，将波形数据输出。从而实时产生模拟数据和波形。  

TMS320VC5402片内有16Kⅹ16bitsDARAM可以满足一般系统的处理要求，但考虑到系统扩展，在本系统中预留有外部RAM。该外部RAM可以分配为数据空间或程序空间，进行不同空间的大小扩展。  

从系统结构图中可以看出，模拟器的数据流是单向的。DSP的数据总线为16bits宽，利用两片8bits异步单向FIFO（IDT72v01）进行宽度扩展，组成一个16bits的单向FIFO进行数据传输。可以将数据从DSP1传送到DSP2，由DSP2传送到各输出接口。另外，我们利用两个DSP的McBSP进行一些关键参数、及需要进行双向传输的数据进行通信传输。FIFO通信时，将其空/满标志经过译码连接到对应DSP的READY信号上。这样DSP在进行FIFO读写时，不会出现空读、和漏读现象。从而可以保证数据传输的可靠性和实时性。  

2.2 USB总线接口  

USB总线是一种通用的计算机串行接口总线标准，可以连接多个设备。USB总线标准目前有：1.0、1.1和2.0多个标准。其中：1.0、1.1标准最高提供12Mbps的传输速率；2.0标准最高提供480Mbps的传输速率。在该模拟器中，采用1.1标准的USB接口芯片USBN9602/3。  

USBN9602/3是美国国家半导体公司生产的一款支持USB1.1标准的接口芯片。该芯片提供多种数据接口方式（8bits并口、并口复用、和MICROWIRE/PLUS），方便与控制器进行连接。相对来说，8bits并口访问方式，访问简单读取速度比较快。该模拟器利用DSP对USBN9602/3进行控制，其数据线和地址线访问比较方便，因此采用8bits并口访问方式。USBN9602/3中断信号通知DSP进行时间处理。

2.3 可编程逻辑器件

本模拟器中两个DSP的外围器件的译码由一片CPLD完成。该CPLD根据DSP的PS、DS、IS、MSTROB、IOSTROB、WR、以及地址线译码得到外围器件（USBN9602/3、FIFO、RAM）的片选、读写等信号。  

输出接口部分的FPGA负责完成对DAC、及FIFO的控制，产生他们需要的片选、读写、时钟等信号。模拟器中采用alteral公司的FPGA，在该器件中设计了多个PWM输出控制器、多个数字量输出控制寄存器。DSP2可以按照访问USBN9602/3的方式访问FPGA，对FPGA内部的寄存器进行操作。从而进行PWM和数字量输出。此外用和还可以根据自己的要求设计相应的功能，以满足不同用户的要求。alteral公司的FPGA由多种在线可编程方式，为了方便用户升级，我们采用8位并行加载方式。用户生成的下载文件经USB口传送给DSP1，由DSP1经过其总线下载
导FPGA中。从而减少了利用EPROM、JTAG等其他方式加载时，对硬件进行的EPROM烧写、插拔等其他操作。对编程时FPGA和模拟器正常使用时一样，无需对硬件进行操作，做到了完全在线编程。