嵌入式芯片在軟件無線電方面的應(yīng)用探析

國家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局 富 瑤

嵌入式芯片在軟件無線電方面的應(yīng)用探析

國家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局 富 瑤

DSP是應(yīng)用于軟件無線電的一種嵌入式計(jì)算機(jī)。本文介紹了嵌入式計(jì)算機(jī)和軟件無線電的基本概念和特點(diǎn)，對(duì)用于軟件無線電的嵌入式芯片處理器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其實(shí)現(xiàn)原理進(jìn)行了研究和分析，本文針對(duì)嵌入式芯片在軟件無線電方面的應(yīng)用進(jìn)行探討，以期能夠?yàn)橄嚓P(guān)問題的研究提供一些有價(jià)值的參考和借鑒。

嵌入式芯片；軟件無線電；應(yīng)用；DSP

我國已經(jīng)全面步入信息化時(shí)代，隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，嵌入式技術(shù)已經(jīng)廣泛的應(yīng)用我國不同行業(yè)和領(lǐng)域，尤其是我國軟件無線電方面。嵌入式芯片的應(yīng)用得到了廣泛的推廣和普及，嵌入式技術(shù)與我國民眾的日常生活聯(lián)系的越來越密切，不僅有效深入到了家電、娛樂等領(lǐng)域中，同時(shí)也推動(dòng)了數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展，當(dāng)前消費(fèi)電子、計(jì)算機(jī)以及通信技術(shù)都呈現(xiàn)出一體化的發(fā)展趨勢(shì)，未來軟件無線電的發(fā)展將更加先進(jìn)。

1.嵌入式計(jì)算機(jī)（Embedded Computer）

相對(duì)于普通計(jì)算機(jī)而言，Embedded Computer與其具有明顯不同，嵌入式計(jì)算機(jī)僅僅實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的某部分功能，同時(shí)系統(tǒng)操作人員也可以不將它視為計(jì)算機(jī)來看待，甚至可以忽視它的存在。嵌入式計(jì)算機(jī)的硬件并非專用，通常選擇比較常見的微處理器，但是軟件應(yīng)該是針對(duì)部分功能所使用的專用軟件。作為實(shí)時(shí)計(jì)算機(jī)，嵌入式計(jì)算機(jī)應(yīng)該同時(shí)滿足系統(tǒng)的軟件需求和硬件需求，以使用系統(tǒng)的環(huán)境需要。

2.軟件無線電（Software Radio）

軟件無線電指的是，通過軟件對(duì)物理層面實(shí)現(xiàn)連接的目的得一種無線通訊設(shè)計(jì)。軟件無線電的核心是具有標(biāo)準(zhǔn)化、通用化以及模塊化特征的一個(gè)硬件平臺(tái)，利用軟件實(shí)現(xiàn)多種不同功能。軟件無線電具有可編程性、靈活性以及集中性特點(diǎn)。

（1）可編程性。軟件無線電的運(yùn)行基礎(chǔ)是普通硬件平臺(tái)，多樣化功能的實(shí)現(xiàn)需要使用不同的軟件。通過軟件實(shí)現(xiàn)無線電的多項(xiàng)功能，能夠改變過去功能單一、缺少靈活性的問題，特別是模擬步驟的減少，使得對(duì)信息的數(shù)字處理最大程度的貼近天線。此外，無線電新增的業(yè)務(wù)和功能，可以利用軟件的重新編程來實(shí)現(xiàn)。

（2）靈活性。軟件無線電利用編程的手段，將數(shù)字信號(hào)的接受、調(diào)制等方式進(jìn)行了改變，實(shí)現(xiàn)了新的功能，具有一定程度的靈活性。

（3）集中性。軟件無線電的結(jié)構(gòu)具有性能高、開放、標(biāo)準(zhǔn)等特點(diǎn)，不同的信道所使用的硬件平臺(tái)是相同的，也就是說，使用相同的A/D-D/A轉(zhuǎn)換器以及射頻前端，這樣可以升級(jí)和改進(jìn)硬件模塊，能夠有效降低系統(tǒng)運(yùn)行的成本。

3.Digital Signal Processor（DSP）——用于軟件無線電的嵌入式芯片

Digital Signal Processor 和Digital Signal Processing的縮寫形式都是DSP[1]。Digital Signal Processor指的是可以處理數(shù)字信號(hào)的可編程微處理器。Digital Signal Processing指的是能給力指導(dǎo)處理數(shù)字信號(hào)的辦法和理論[2]。DSP的主要作用是處理數(shù)字信號(hào)，具有良好的穩(wěn)定性、良好的復(fù)制性、抗干擾能力強(qiáng)等諸多優(yōu)勢(shì)。其不僅能夠適應(yīng)更多的算法，同時(shí)還能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的大規(guī)模壓縮，滿足于大規(guī)模集成的需求，在實(shí)踐中具有良好的應(yīng)用效果。

（1）DSP處理器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

作為一種微處理器，DSP專用于處理高速的數(shù)字信號(hào)，相對(duì)于MCU以及CPU而言，DSP的結(jié)構(gòu)上使用了諸多專業(yè)的技術(shù)和策略用于提高數(shù)字信息的處理速度。其所使用的策略和技術(shù)主要有：流水技術(shù)、數(shù)據(jù)地址產(chǎn)生器、哈弗結(jié)構(gòu)、升級(jí)的哈弗結(jié)構(gòu)、乘加指令MAC、浮點(diǎn)DSP處理器等等。

（2）DSP技術(shù)的實(shí)現(xiàn)原理

對(duì)于數(shù)字信號(hào)的接收和解調(diào)，使用DSP技術(shù)，能夠有效提升其接收的功能，同時(shí)使用DSP技術(shù)對(duì)數(shù)字信號(hào)的接收，能夠有效提高接收機(jī)的靈活性，使得接收機(jī)的性價(jià)比大大提升。

1）功能實(shí)現(xiàn)

近些年來，我國所使用的軟件無線電接收機(jī)，大部分都是中頻以下的部分使用DSP技術(shù)，由于DSP技術(shù)的運(yùn)行速度不斷提升，使得射頻使用DSP技術(shù)對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理成為了可能。如果接收機(jī)使用DSP技術(shù)，那么接收機(jī)的中頻數(shù)字接口的構(gòu)成，就是兩個(gè)高速運(yùn)轉(zhuǎn)的DAC和ADC，其中心部分就是常規(guī)CPU以及高速運(yùn)轉(zhuǎn)的DSP，他們組成了具有開放性的模塊化結(jié)構(gòu)[3]。接收機(jī)通過DSP技術(shù)，實(shí)現(xiàn)包括解調(diào)、放大信號(hào)以及濾波等性能。接收機(jī)獲得的數(shù)字信號(hào)，通過下變頻通過中頻以后，進(jìn)入DSP進(jìn)行處理，在DSP處理器當(dāng)中，射頻信號(hào)通過高速運(yùn)轉(zhuǎn)的ADC將信號(hào)做數(shù)字化處理，在這個(gè)過程當(dāng)中，會(huì)出現(xiàn)兩種情況：第一，ADC采樣頻率fs采用Nyquist采樣定理，選擇信號(hào)頻譜的最高點(diǎn)值fH的2倍，這種情況在獲得中頻信號(hào)的時(shí)候，對(duì)于采樣頻率的需求非常高，從而造成ADC的使用成本的提高[4]。第二，使用帶通信號(hào)采樣定理，fs選擇的值的范疇，可以低于2fH而高于通信號(hào)的帶寬。這時(shí)ADC采樣后的數(shù)字信號(hào)則不僅有效保留了原中頻中的信號(hào)頻譜外，同時(shí)也將高頻中的頻譜有效搬移到了原本的中頻信號(hào)中，這主要是因?yàn)镈SP能夠在進(jìn)行信號(hào)處理之前，就對(duì)數(shù)字化信號(hào)帶的信號(hào)進(jìn)行處理，過濾器干擾成分，通過抽取和插入技術(shù)中信號(hào)頻譜中的高次諧波的過濾技術(shù)，能夠使得原有的信號(hào)能夠得以完整的保留，這也為后續(xù)的進(jìn)一步信號(hào)處理工作打下了基礎(chǔ)。但是總的來說，DSP的主要功能在于，將多種不同處理功能的程序進(jìn)行使用，接受不同類型的調(diào)制信號(hào)。

2）處理流程

DSP可以實(shí)時(shí)的對(duì)CPU的命令進(jìn)行回應(yīng)，同時(shí)可以對(duì)軟件程度的處理模塊進(jìn)行隨時(shí)的使用，并對(duì)有關(guān)的參數(shù)進(jìn)行及時(shí)的更新，從而實(shí)現(xiàn)CPU所提出的是所有控制命令。軟件無線電的接收機(jī)布置的多項(xiàng)任務(wù)方式和解調(diào)模式，都是通過CPU利用命令的形式傳遞給DSP，DSP利用串行口中斷模式，接收CPU傳遞的指令和ADC傳遞的數(shù)字信號(hào)[5]。DSP依據(jù)CPU所發(fā)出的制定，將數(shù)字信號(hào)進(jìn)行不同功能的處理。通過DSP處理以后的數(shù)字信息，通過串口發(fā)出并傳遞給DAC，最終形成模擬數(shù)字信號(hào)。

（3）DSP“核”及DSP芯片的發(fā)展

DSP芯片的設(shè)計(jì)目的在于，實(shí)現(xiàn)高計(jì)算強(qiáng)度的性能，比如：FFT以及濾波等等。最初的DSP芯片，更加注重乘加計(jì)算的能力，隨著技術(shù)的進(jìn)步和社會(huì)的發(fā)展，之后的DSP芯片設(shè)計(jì)具有了更多的處理功能，為多處理功能提供了更多的輸入和輸出。

4.結(jié)語

近些年來，我國無線電工程的覆蓋范圍越來越廣泛，無線電充斥著我們生活和工作的多個(gè)領(lǐng)域和行業(yè)，在面對(duì)巨大發(fā)展機(jī)遇的同時(shí)，也面臨著巨大的挑戰(zhàn)。軟件無線電的結(jié)構(gòu)的主要構(gòu)成就是多層級(jí)、多形式以及多波段的實(shí)現(xiàn)。在技術(shù)不斷改進(jìn)有縮減成本的需求之下，軟件無線電的結(jié)構(gòu)獲得了發(fā)展和進(jìn)步，其發(fā)展的決定性因素是軟件的繁雜性。所以，針對(duì)嵌入式芯片的軟件研究是發(fā)展軟件無線電的基礎(chǔ)，其對(duì)于軟件無線電的發(fā)展具有重要的作用和意義。

[1]葛熠,陳為剛.基于嵌入式USRP的無線通信實(shí)現(xiàn)[J].電子測(cè)量技術(shù),2016,06:167-171+189.

[2]華抒軍.基于Zedboard的軟件無線電軟件平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].軟件,2015,10:57-60+64.

[3]羌凌飛,洪露.嵌入式軟件無線電系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].指揮信息系統(tǒng)與技術(shù),2014,01:63-67+72.

[4]麻志濱,王相,張敏.基于DM3730的嵌入式軟件無線電平臺(tái)的研制[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2014,10:107-109+112.

[5]李燕斌,覃超,黃揚(yáng)洲,劉偉敏.基于軟件無線電的嵌入式系統(tǒng)總線研究及應(yīng)用[J].電訊技術(shù),2012,03:273-277.