多天线软件无线电平台中多片AD9238与DSP接口设计
2008-07-03
作者：谢泽明，刘樟华，林武呈
摘 要： 设计了一个应用于多天线" title="多天线">多天线软件无线电" title="软件无线电">软件无线电平台的阵列数据采集" title="数据采集">数据采集系统，重点设计了ADC转换和DSP之间通过EMIF总线进行数据传输的接口电路" title="接口电路">接口电路。提出了一种类似数字复用技术的共享总线，采用同步转换、分时读取的多路AD信号与FIFO存储接口机制，取得良好的数据传输效率。
关键词： 软件无线电 A/D" title="A/D">A/D转换器 FPGA DSP EMIF
软件无线电的中心思想是构造一个具有开放性、标准化、模块化的通用硬件平台，用软件完成各种功能，从而研制出具有高度灵活性、开放性的新一代无线通信系统[1]。本文基于软件无线电的思想，提出并实现了一种多天线软件无线电接收机[2]。基本思想如下：4路天线同时进行分集接收，接收信号零中频变换后得到4路基带I/Q信号，基带I/Q信号同时送入4片双通道A/D转换器进行模数转换，模数转换后数据送入DSP中进行处理。本文重点研究了多天线系统中对多片ADC的控制及其与DSP之间接口电路的设计和实现。
应用FPGA的可重复编程性，可以灵活地设计各种控制和接口电路。采用FPGA直接控制A/D转换的方式可以达到高速数据采集的目的。但对于此多天线、多通道的多片并行A/D系统，如不优化设计，则接入到FPGA的管脚数太多，这样会造成FPGA系统的资源浪费和成本增加。本设计给出一种类似于多路数字复接的共享总线，采用同步采集、分时读取的方法，达到了对A/D进行有效控制和数据高速传输的目的，同时合理地应用了FPGA的资源，降低了硬件成本。
1 控制与接口电路的基本原理和设计
A/D数据采集与DSP接口电路的系统结构如图1所示。由图可知，系统主要包括A/D数据采集和控制、FIFO数据存储、EMIF总线接口等部分。4路射频信号经过前期的处理得到4组共8路I、Q信号。将8路I、Q信号分别送入四片双通道A/D转换器同时进行模数转换，转换数据经A/D控制单元分时，轮转存入FPGA中的FIFO单元，由EMIF接口模块送入DSP进行处理。
1.1 基本原理
共享总线、同步转换、分时读取方法借鉴了分时操作的数字复用思想，按照时间片来对A/D转换结果进行轮换读取。如图1所示：在硬件设计上，4片8路A/D转换器的时钟信号由DSP外部时钟经过分频电路提供，所有的A/D共用同一时钟，共享数据总线，共享时钟保证了4片A/D转换芯片的同步，共享数据总线节约了FPGA的管脚，合理地利用了FPGA的资源。通过分别使能OE1～OE4信号，在A/D转换完成后的数据有效时间内，分时读取转换结果并存入FIFO缓冲单元。当FIFO内部存储的数据达到设定的数量时，就触发DSP中断，调用中断服务程序从EMIF总线通过EDMA控制器将数据读入DSP中。
1.2 模数转换器AD9238简介
本文采用ADI公司的AD9238作为A/D转换芯片。AD9238为双通道，每个通道具有独立的时钟，可以灵活设置进行隔离模数变换的12位高速A/D变换芯片[4]。AD9238有20MSPS、40MSPS和65MSPS三种速度级别可供选择。本设计最高采样频率20MHz，并行采集4组共8路I、Q信号。A/D采样时序如图2所示，AD9238的数据输出有7个时钟周期的流水线延迟，所以在开始采样后前7个数据是无用的，应该在后端数字信号处理时舍弃掉。AD9238两个通道的12bit数字信号输出是独立的，在本设计使用共同时钟的条件下，各自独立输出转换结果。在转换结束后，通过控制各片A/D的输出使能信号OEA/OEB就可以把输出数据通过总线输入到FPGA中的FIFO中。完成整个4片A/D采样和读取控制的步骤如下：
(1)FPGA为ADC提供采样时钟CLK；
(2)在CLK高电平时段，顺次使得OE1～OE4分别有效，数据轮换读入FIFO中；
(3)OE无效，进入下一个转换周期。
1.3 EMIF总线控制原理
EMIF总线是C6000系列DSP与外部存储器的接口，C6713的EMIF接口具有很强的接口能力，其数据总线为32位，可寻址空间为4GB，可以实现与SBSRAM、SDRAM、SRAM、ROM、FIFO等的无缝接口[3]。本文通过EMIF异步读写外部FIFO，其读时序要求如图3所示。每个读/写周期由建立、选通、保持这三个阶段组成。相关的信号/CS为外部存储器片选信号；/BE为字节选择信号，确定数据宽度；时序设计时，先按照器件的典型参数计算读/写周期，并保持一定的时间裕量，然后实际测试，验证通过。/ARE为异步读使能；/AOE为异步输出使能；/AWE为异步写使能；EA为外部地址线；ED为外部数据线。
2 FPGA逻辑控制功能的实现
本文采用ALTERA公司的ACEX1K系列FPGA完成逻辑控制功能，主要包括时钟分频及控制，4路并行双通道A/D数据采集与控制，FIFO数据存储与传输控制，与DSP的EMIF接口，EDMA事件触发控制等。
2.1 A/D控制模块
根据前面介绍的A/D数据采集时序图可知：在采样频率CLOCK为高电平的半个周期内，输出转换结果是可靠和稳定的，在时钟信号CLOCK的半个周期内，以共享总线方式可以完成4路A/D的数据采集。图4为4路A/D共享数据总线的控制时序图，采用quarts II 仿真工具完成，其中EQ0为A/D采样时钟，EQ1～EQ4分别为4片A/D的片选信号(低电平有效)，在有效时，允许A/D转换数据输出，输出数据的同时，必须把数据写入FIFO，否则数据会丢失。当EQ1-EQ4有效时，WRREQ输出高电平作为FIFO的写允许，CLKN的非信号WRCLK作为FIFO的写时钟，在WRCLK的上升沿刚好把ADC的输出数据写入FIFO。
2.2 FIFO 数据缓冲模块
FIFO模块暂存A/D转换数据；在FIFO中开辟一定大小的数据存储区，在每个A/D转换周期内，通过数据总线读入4×24bit数据；在FIFO中数据达到设定的容量后，FPGA向DSP发中断信号，触发DSP读取FIFO数据。在DSP读取数据的同时，为了防止数据的丢失，此期间内的A/D转换数据也要同时存入到FIFO中，所以，要求使用可以同时进行读写的双口FIFO实现此模块。用MAX+Plus II自带的可调参数模块LPM-FIFO-DC可快速实现，此FIFO是双时钟同步FIFO，具有异步清零ACLR、读时钟RDCLK、读允许RDREQ、写时钟WRCLK、写允许可自定义容量。定义大容量可以减少DSP外部中断次数，EDMA每次可以搬移的数据块增大。根据DSP异步读外部存储器的时序[3]，控制信号/CE2、/AOE、/ARE把FIFO数据读入DSP，仿真时序如图5所示。
3 试验测试及性能分析
实测数据传输率及性能分析是设计数据采集系统的重要步骤。在本文中，ADC到FIFO数据传输和DSP读取FIFO速度测试是两个主要内容。
3.1 ADC 模块数据传输测试
本平台的4个ADC模块数据写入FIFO时共用数据总线，使用74VHC541作为总线控制开关。在接口设计中，综合考虑74VHC541的传输延迟，选通延迟、写FIFO的建立和保持时间以及控制接口和ADC模块的排线及PCB传输延迟。实测结果表明：4个ADC模块同时采样速率为2.8125MSPS时，采样数据正确。此种情况下，相当于单板ADC采样频率可达11.25MSPS。图6是该情况下一个ADC通道采样波形，可看出采样波形完整。
3.2 DSP数据传输测试
DSP通过异步方式读取外部FIFO，在设置读取过程的建立、选通和保持时间等时序参数后，当DSP的外部存储器时钟为90MHz时，实测表明：若采用CPU中断，中断服务程序通过执行语句的方式从FIFO中读入512×32bit的数据块，即使中断服务程序经过优化，数据吞吐率也只有4.5×32Mbps。且此时CPU时间全部消耗在数据搬移工作上，无力进行数据的处理工作。
若采用外部中断触发EDMA传输的机制，利用存储器的乒乓操作，则同样从FIFO中读入512×32bit的数据块，控制接口到DSP中L2的传输数率可以达到22.5×32Mbps的理想传输效率。
本文设计了一种多片双通道ADC与DSP的传输接口电路。实测结果表明：采用共享总线、同步转换、分时读取的方法，可以有效减少FPGA管脚的使用，同时达到数据高速传输的效果。本文中，若要进一步提高ADC的数据传输速率，可以选用内部自带FIFO的ADC或者选用性能较好的缓冲器作为总线控制开关。
参考文献
[1] 杨小牛，楼才义，徐建良.软件无线电原理与应用．北京：电子工业出版社，2001：1－7，88－173
[2] 谢泽明，赖声礼，龙智文．智能天线实验平台研究．电子技术应用，2004，30（3）：39－42.
[3] Texas Instruments Incorporated．TMS320C6000 EMIF to External FIFO Interface.pdf.
[4] Analog Devices，Inc.AD9238.pdf，REV.A.