DSP Builder在軟件無線電實(shí)驗(yàn)平臺的應(yīng)用

黨小宇，朱秋明，陳小敏，陶 靜

(南京航空航天大學(xué)電子信息工程學(xué)院，江蘇南京 210016)

0 引言

軟件無線電(Software Radio)是一種實(shí)現(xiàn)無線通信的新手段和新方法，它的出現(xiàn)使得無線通信的發(fā)展經(jīng)歷了由固定到移動，由模擬到數(shù)字，由硬件到軟件的三次變革。其核心思想是在具有標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化的通用開放硬件平臺上，將無線電通信中的多種功能用軟件來實(shí)現(xiàn)，并使寬帶A/D和D/A轉(zhuǎn)換器盡可能靠近中頻或射頻天線［1］。

軟件無線電的基本概念是由J.Mitola首次在1992年5月美國通信系統(tǒng)會議上提出的［2］。不久美國防部高級研究局(DARPA)便提出了基于軟件無線電的“易通話”(Speakeasy)計(jì)劃。到了21世紀(jì)，軟件無線電已經(jīng)從軍事領(lǐng)域轉(zhuǎn)向民用領(lǐng)域，成為第三代移動通信的應(yīng)用基礎(chǔ)［3］。

軟件無線電傳統(tǒng)的開發(fā)首先采用Matlab算法仿真驗(yàn)證，再選擇主流的 Altera或者Xilinx的硬件平臺，編寫硬件描述語言，然后綜合、實(shí)現(xiàn)、生成下載文件并下載到硬件。這一過程需要熟練掌握Matlab語言和硬件描述語言Verilog或者VHDL。

我們在“軟件無線電”課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中感到，有必要開發(fā)一套簡化通用的開發(fā)平臺軟件。讓學(xué)生可以在計(jì)算機(jī)上利用DSP Builder操作平臺搭建實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，然后進(jìn)行調(diào)試、仿真和下載，并快速完成所需波形的繪制與驗(yàn)證。學(xué)生對實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果與傳統(tǒng)開發(fā)提供的參考波形標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比對，提高了他們的調(diào)試能力和對軟件無線電理論開發(fā)的理解。

1 設(shè)計(jì)平臺的介紹和設(shè)計(jì)流程

1.1 設(shè)計(jì)平臺介紹

DSP Builder是一個連接系統(tǒng)級(SL)和寄存器傳輸級(RTL)兩個層面的設(shè)計(jì)工具。它可作為一個模塊庫嵌入在Matlab/Simulink中，方便我們在Simulink/DSP Builder環(huán)境中進(jìn)行圖形化設(shè)計(jì)和仿真驗(yàn)證，同時又可通過Signal Compiler模塊把 Matlab/Simulink的設(shè)計(jì)文件(.mdl)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的硬件描述語言VHDL設(shè)計(jì)文件(.vhd)，并生成用于控制綜合與編譯的TCL腳本。該TCL腳本可以由Altera公司的 FPGA/CPLD開發(fā)工具 Quartus II來處理完成［4］。

DSP Builder平臺的設(shè)計(jì)目的是采用圖形化界面，方便學(xué)生通過搭建Simulink/DSP Builder模塊從而實(shí)現(xiàn)硬件下載的功能。

考慮到系統(tǒng)的穩(wěn)定性和軟件的兼容性，我們選用的設(shè)計(jì)環(huán)境由Matlab 2008a，Altera DSP Builder 8.1，ModelSim Altera Edition 8.1，Quartus II 8.1 組成，學(xué)生只需要熟悉Matlab/Simulink的界面和常見模塊的功能，就可以快速進(jìn)入DSP Builder的設(shè)計(jì)中。

1.2 設(shè)計(jì)流程

DSP Builder系統(tǒng)級設(shè)計(jì)流程如圖1所示。

圖1 DSP Builder系統(tǒng)級設(shè)計(jì)流程

設(shè)計(jì)流程包括如下三個部分。

1)搭建系統(tǒng)模型

(1)在 Matlab/Simulink2008a軟件下生成由Simulink與DSP Builder模塊組合的.mdl模型文件;

(2)在Simulink中，使用Scope模塊觀測仿真結(jié)果，并進(jìn)行驗(yàn)證和評估。

2)編譯和綜合

(1)運(yùn)行Signal Compiler模塊進(jìn)行RTL仿真和綜合;

(2)執(zhí)行RTL仿真，DSP Builder支持帶有TCL腳本的ModelSim自動化仿真流程;

(3)使用由DSP Builder Signal Compiler模塊生成的輸出文件來執(zhí)行RTL綜合。對于帶有TCL腳本的 Quartus II，Synthesis，Precision RTL Synthesis或LeonardoSpectrum軟件，DSP Builder支持自動化綜合流程。作為選擇，還可以使用其它的綜合工具，手工綜合 VHDL 文件［5］;

(4)在Altera的Quartus II軟件中編譯設(shè)計(jì)。

3)下載并測試

(1)采用JTAG方式下載到硬件開發(fā)平臺上;

(2)測試和驗(yàn)證系統(tǒng)功能。

2 測試平臺軟件設(shè)計(jì)

2.1 利用DSP Builder設(shè)計(jì)AM調(diào)制

用DSP Builder搭建的AM調(diào)制模塊如圖2所示。該設(shè)計(jì)模塊簡單，系統(tǒng)直觀，易于學(xué)習(xí)。

圖2 DSP Builder AM調(diào)制模塊

其主要設(shè)計(jì)模塊由如下六個部分組成［6］。

(1)Signal Compiler模塊，用于進(jìn)行RTL仿真和綜合;

(2)時鐘模塊和分頻模塊，時鐘模塊默認(rèn)的頻率是50MHz，分頻模塊將時種頻率進(jìn)行5分頻得到10MHz的系統(tǒng)時鐘;

(3)正弦波發(fā)生模塊產(chǎn)生兩個頻率分別為10MHz和10KHz的正弦波，幅度為127;

(4)常數(shù)模塊和加法器模塊，常數(shù)模塊設(shè)置參數(shù)為127，完成100%調(diào)幅，加法器模塊設(shè)置輸入?yún)?shù)為2，模式選擇為加法模式;

(5)乘法器模塊的兩個輸入信號分別是高頻載波和低頻調(diào)制信號;

(6)Scope模塊用于觀測輸出的信號波形。

2.2 與編寫Verilog實(shí)現(xiàn)的AM調(diào)制對比

本課程傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中AM調(diào)制是在Xilinx ISE平臺上用Verilog編寫實(shí)現(xiàn)的，如圖3所示。對比DSP Builder的設(shè)計(jì)，用Verilog編寫語言較為復(fù)雜，除了頂層文件的編寫，還需要添加三個IP核。學(xué)生不僅要熟練掌握Verilog，還要熟悉如何調(diào)用IP核，進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。同時，由于要理解時鐘時序，需要近一周的時間專門學(xué)習(xí)硬件語言，花費(fèi)時間太長。

圖3 Verilog AM調(diào)制

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

調(diào)制信號采用頻率為10kHz的正弦波，幅度為127，載波采用10MHz的正弦波，可以得到調(diào)制度為100%AM調(diào)制信號。分別采用2.1和2.2兩種方法，借助ModelSim仿真，結(jié)果對比采用如圖4所示。

圖4 仿真得到的調(diào)幅波形

圖4(a)是利用Altera的DSP Builder平臺搭建模塊，采用ModelSim仿真得到的AM調(diào)制波形。圖4(b)是采用Xilinx的ISE平臺，編寫Verilog代碼，利用測試文件，在ModelSim仿真得到的AM調(diào)制波形，兩者調(diào)制效果完全一樣。比較上述兩種方法，DSP Builder平臺采用模塊、圖形化界面，其學(xué)習(xí)快，效率高。

4 結(jié)語

綜上所述，本文所介紹的采用圖形化編程工具DSP Builder，可讓設(shè)計(jì)者先在Matlab中完成算法設(shè)計(jì)，在Simuink中完成系流集成仿真。用它來開發(fā)軟件無線電測試平臺軟件，具有快速入門、編程效率高，且設(shè)計(jì)界面美觀友好的優(yōu)點(diǎn)。利用該軟件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，可以提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效率。該系統(tǒng)已經(jīng)使用于軟件無線電的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中，取得了良好的效果。

［1］ 楊小牛，樓才義，徐建良.軟件無線電技術(shù)與應(yīng)用［M］.北京:北京理工大學(xué)出版社.2010.4

［2］ Mitola Joe.Software radio architecture［J］.IEEE Communication-Magazine，NewYork，May 1995:6-38

［3］ Buracchini Joe.Software Radio Concept［J］ .IEEE Communication，NewYork，Sep.2000:138-143

［4］ 潘松.現(xiàn)代DSP技術(shù)［M］.西安:西安電子科技大學(xué)出版社，2003

［5］ Tu Ya，Zhou Runjing，Zhang Guanying.Design of Electrotherapeutical Signal Generator Based on DSP Builder.Information Technology and Applications in Biomedicine，2008.30-31

［6］ Guohai Xiong，Xuejun Zhou，Peirong Ji.Implementation of the Quadrature Waveform Generator Based on DSP Builder.Intelligent Information Technology Application Workshops，2008，21-22