嵌入式计算机在软件无线电方面的应用

摘要：介绍了嵌入式计算机的特点及分类。然后讨论了DSP技术在软件无线电中面临的挑战及如何应用DSP技术进行软件设计。并给出了一 种基于TMS320C5402的软件无线系统模式。

关键词：嵌入式计算机；嵌入式系统；DSP；软件无线电

引言

嵌入式计算机通常指埋藏在宿主设备中的微处理机系统，此类计

算机一般不被设备使用者注意，亦称埋藏式计算机，典型机种如微控 制器、微处理器和数字信号处理器（DSP）等。嵌入式系统的出现至 今有三十多年了，嵌入式技术也历经了几个发展阶段。近十年来，以 计算机和软件为核心的数字化技术迅猛发展，不仅广泛渗透到社会经济、军事、交通、通信等相关行业，而且深入到家电、娱乐、艺术、 社会文化等各个领域，掀起了一场数字化技术革命。随着移动通信与 互联网的应用迅速普及，消费电子、计算机、通信（3C）一体化趋势 日趋明显，嵌入式技术的研究掀起了新的高潮。

随着DSP技术的逐步发展，相信将会使软件无线电的发展更加迅 速，从而也推动无线通信的进一步发展。

1. 嵌入式计算机

嵌入式计算机是嵌入应用系统中的计算机。例如：嵌入到医疗仪

器、工业机器人、高级音响、通讯设备、潜艇等系统中的计算机都是 嵌入式计算机。嵌入式微处理器和通用微处理器最大的不同就是嵌入 式微处理器多数工作在用户自己设计的系统中。

以往我们按照计算机的体系结构、运算速度、结构规模、所适 用的领域，对计算机进行分类。随着计算机技术和产品对其它行业的 广泛渗透，以应用为中心的分类方法变得更为切合实际，也就是按计算机的嵌入式应用和非嵌入式应用将其分为嵌入式计算机和通用计算 机。通用计算机具有计算机标准形态，通过装配不同的应用软件，以 类同面目出现并应用在社会的各个方面，其典型产品为PC。而嵌入式 计算机则是以嵌入式系统的形式隐藏在各种装置、产品和系统中。

嵌入式系统的核心部件是各种类型的嵌入式处理器，据不完全统 计，全世界嵌入式处理器的品种总量已超过1000多种，流行的体系结构有30几个系列，其中8051体系的占有多半。嵌入式处理器的寻址空间一 般从64KB~16MB，处理速度从0.1MIPS到2000MIPS，常用封装从8个引 脚到144个引脚。根据其现状，嵌入式计算机可分为以下几类。

（1）嵌入式微处理器(Embedded Microprocessor Unit ，EMPU) 嵌入式微处理器的基础是通用计算机中的CPU。在应用中，将 微处理器装配在专门设计的电路板上，只保留和嵌入式应用有关的母 板功能,这样可以大幅度减小系统体积和功耗。为了满足嵌入式应用 的特殊要求，嵌入式微处理器虽然在功能上和标准微处理器基本是一 样的，但在工作温度、抗电磁干扰、可靠性等方面一般都做了各种增强，和工业控制计算机相比，嵌入式微处理器具有体积小、重量轻、 成本低、可靠性高的优点，但是在电路板上必须包括ROM、RAM、

总线接口、各种外设等器件，从而降低了系统的可靠性，技术保密性 也较差。嵌入式微处理器及其存储器、总线、外设等安装在一块电 路板上，称为单板计算机。如STD-BUS、PC104等。近年来，德国、 日本的一些公司又开发出了类似“火柴盒”式名片大小的嵌入式计 算机系列OEM产品。嵌入式处理器目前主要有Am186/88、386EX、 SC-400、PowerPC、68000、MIPS、ARM系列等。

（2）嵌入式微控制器(Microcontroller Unit，MCU) 嵌入式微控制器又称单片机，顾名思义，就是将整个计算机系

统集成到一块芯片中。嵌入式微控制器一般以某一种微处理器内核 为核心，芯片内部集成ROM/EPROM、RAM、总线、总线逻辑、定 时/计数器、WatchDog、I/O、串行口、脉宽调制输出、A/D、D/A、 FlashRAM、EEPROM等各种必要功能和外设.为适应不同的应用需 求，一般一个系列的单片机具有多种衍生产品，每种衍生产品的处理器内核都是一样的，不同的是存储器和外设的配置及封装。这样可以 使单片机最大限度地和应用需求相匹配，功能不多不少，从而减少功 耗和成本。

SoC可以分为通用和专用两类。通用系列包括Infineon(Siemens) 的TriCore，Motorola的M-Core，某些ARM系列器件，Echelon和 Motorola联合研制的Neuron芯片等。专用SoC一般专用于某个或某 类系统中，不为一般用户所知。一个有代表性的产品是Philips的 SmartXA，它将XA单片机内核和支持超过2048位复杂RSA算法的 CCU单元制作在一块硅片上，形成一个可加载JAVA或C语言的专用的 SoC，可用于公众互联网如Internet安全方面。

2. 软件无线电概述

软件无线电（Software Radios，简称SWR）技术是近年来提出的

一种实现无线通信的新的体系结构。它是针对现有无线通信领域存在 的如多种通信体系共存、各种标准竞争激烈、频率资源紧张等等一些 问题，尤其是个人无线通信系统的发展，使得新的系统层出不穷，产品生存周期越来越短，原有的以硬件为主的无线通信体制难以适应新 形势的需要运用而生的。

软件无线电技术通过构造一个具有开放性、标准化、模块化的通 用硬件平台，将各种功能，如工作频段、调制解调类型、数据格式、 加密模式、通信协议等用软件来完成，并使宽带模数（A/D）和数模

（D/A）转换器尽可能靠近天线，以研制出具有高度灵活性和开放性 的新一代无线通信系统。其主要特点有：

灵活性强，可以通过增加软件模块来增加新的功能； 集中性较强，多个信道享有共同的射频前端与宽带A/D/A转换器

以获取每一信道的相对廉价的信号处理性能； 开放性较强，具有标准化、模块化的结构，硬件可以更新或扩

展，软件可以随需要而不断升级。 软件无线电的宗旨就是将宽带A/D和D/A的变换尽可能地靠近天

线，对数字化后的信号采用数字信号处理（DSP）技术，在可编程控 制的硬件平台上，利用软件来实现无线电的各部分功能，即整个无线 电台从高频、中频、基带直到控制协议部分全由软件编程来实现。

理想软件无线电的结构如（图1）所示。主要由天线、射频 前端、宽带A/D-D/A转换器、通用和专用数字信号处理器以及各

一组程序总线和三组数据总线，高度并行的算术逻辑单元ALU，专用 硬件逻辑，片内存储器，片内外设和高度专业化的指令集，使该芯片 速度更快，操作更灵活。

程序和数据空间分开允许同时对程序指令和数据进行访问，提供 了很高的并行度。可以在一个周期完成两个读和一个写操作。因此，并行存储指令和专用指令可以在这种结构中得到充分的利用。另外， 数据可以在数据空间和程序空间之间传送。并行性支持一系列算术、 逻辑和位处理运算，它们都能在一个机器周期里完成。另外，C54X 具有管理中断、循环运算和功能调用的控制结构。

4.2  由TMS32005402构成的一种软件无线电系统模式 在以上模式中可选用多个C5402对数据进行并行处理。而在其软

件实现中应注意以下几个问题：

（1）数据格式：

TMS320C5402是16位定点DSP，在进行复点运算时，必须用定 点数来表示复点数，这

种软件组成。软件无线电的天线一般要覆盖比较宽的频段，例如

1MHZ~2GHZ，要求每个频段的特性均匀，以满足各种业务的需要。 射频前端在发射时主要完成上变频、滤波、功率放大等任务。接

受实现滤波、放大、下变频等功能。模拟信号进行数字化后的处理任 务完全由DSP软件完成。为了减轻通用DSP的处理压力，通常把A/D 转换器传来的数字信号，经过专用的数字信事情处理器件（如数字下 变频器DDC）处理，降低数据流速率，并把信号变至基带后，再把数

样做尽管提高了运算速

度却很可能会使精度不 够。实现时采用以下几种方法：对精度过高的 地方，将计算的中间变 量采用32 位来表示；对 有些幅度变化较大的数

据传给通用DSP进行处理。通用DSP主要完成数据率相对较低的基带 信号的处理。

3. DSP技术在软件无线电中的应用

3.1  DSP的特点及在软件无线电中面临的挑战

数字信号处理器是整个软件无线电方案的灵魂和核心所在。软 件无线电的灵活性、开放性、兼容性等特点主要是通过数字信号处理 器为中心的硬件通用平台及DSP软件来实现的。软件无线电的发展使 DSP技术不断面对新的挑战。

在软件无线电中，经过宽带A/D（模/数转换器）后的数据流速率 高达几十甚至几百兆MBPS，对数字中频进行数字滤波、数字变频、 数字频率合成往往需要几十甚至上百MOPS运算资源和几十甚至几百 MBPS的I/O速度。而基带部分主要完成各种同步数字的处理，每路 需要几兆，几十兆甚至几百兆MOPS的处理能力；比特流处理主要完 成信道编解码，复分接或分接、信令、控制、操作、管理或加接密等 功能，也需要100 MOPS以下的处理能力。另外信源编解码部分为完 成话音、图象的编解码算法同样需要几十兆甚至几百兆BPS的DSP运 算能力，外加管理所需的开销，所以软件无线电要求DSP能达到每秒 千兆指令数的数字处理能力。

3.2  DSP系统的软硬件设计

（1）硬件设计主要是根据所运用DSP芯片的性能、结构与封 装，按照系统的性能要求完成DSP芯片外围电路的设计，如A/D转 换、时钟电路和外存储器电路等。软件设计主要是根据系统要求和选 用的DSP芯片编写相应的汇编源程序，若系统的运算量不大且高级语 言编译器支持，也可用高级语言（如C语言）编程。但由于用高级语 言编写的代码，其最终的执行效率比手工编写的汇编的执行效率要 低，因此在实际系统中，通常采用高级语言和汇编语言混合编程的方 法，在运算量大时，采用汇编语言完成，运算量不大时则采用高级语言完成。采用这种方法，既可缩短软件开发周期，提高编程的可读性 和可移植性，又能满足系统实时性运算的要求。

4. 一种软件无线电中DSP应用模式

4.1  TMS320C54X的结构特点

TMS320C54X是16 bit定点DSP，采用改进的哈佛结构。C54X有

值，采用适当的方法来减小幅度变化，从而在同样的数据格式下提高

精度。

（2）存储器空间的分配：

TMS320C5402片内存储区包括10  K的RAM和2 K的ROM。若 RAM不够，可以通过外接RAM或选用其它芯片来解决。当处理的数 据量较大时也可以采用多个芯片并行处理的方法。处理时，可将存储 区分成不同的段，以存放程序、已初始化数据和未初始化数据，并重 新设置堆栈和中断向量表。

（3）DSP的互连技术： 当要求满足高速处理和软件重构等要求的多功能电台时，则必

须采用基于全局和局部存储器的多处理器互连技术。这是因为其连接 链路加快了数据流的速度，同时统一的地址空间和专用的控制操作简 化了存储器的访问与处理过程，而内部的存储器简化了I/O的数据流 量，从而减轻了总线的瓶颈效应。

5. 结束语

嵌入式系统的发展主要体现在芯片技术的进步上，以及在芯片

技术限制下的算法与软件的进步上。随着数字化的急速进程，DSP技 术的地位将会更加突显。因为数字化的基础技术就是数字信号处理， 而数字信号处理的任务，主要是由通用的或专用的DSP处理器来完成 的。因此，随着DSP技术的逐步发展，相信将会使软件无线电的发展 更加迅速，从而也推动无线通信的进一步发展。

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