摘要：高速實時信號處理是寬帶數(shù)字信道化偵察接收機的主要特點之一，其性能決定著偵察接收機的整體指標(biāo)。為滿足寬帶偵察接收機對密集雷達(dá)信號實時處理的需求，設(shè)計一種基于FPGA和多片多核DSP的并行實時信號處理平臺，芯片之間通過高速串行總線互聯(lián)，使用FPGA對多核DSP進(jìn)行調(diào)度。本文從硬件系統(tǒng)架構(gòu)、電源供給、時鐘同步、芯片互聯(lián)等方面論述了信號處理平臺硬件實現(xiàn)方法，結(jié)合實際應(yīng)用對該處理平臺的性能進(jìn)行了測試驗證，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計目標(biāo)。
關(guān)鍵詞：高速實時；多核DSP；高速串行接口；硬件平臺
0引言
寬帶數(shù)字信道化偵察接收機通常采用基于軟件無線電的設(shè)計思想，使用高速ADC對射頻或者寬帶中頻信號進(jìn)行直接采樣，采用數(shù)字技術(shù)實現(xiàn)信道化接收和寬帶信號處理［1］。隨著高速ADC和FPGA技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字信道化接收機系統(tǒng)中已經(jīng)可以實現(xiàn)1.8 Gb/s/12 bit的高速采樣及實時信道化［2］。要對如此高速的基帶信號進(jìn)行后續(xù)偵察算法處理，就必須采用實時的并行信號處理平臺，以及高效的信號處理算法，其中信號處理平臺必須具備高效的數(shù)據(jù)傳輸接口以及足夠的浮點運算能力。
針對此應(yīng)用需求，本文設(shè)計一種基于Xilinx公司Kintex7系列FPGA和TI公司多核DSP芯片TMS320C6678的信號處理平臺，用于解決寬帶數(shù)字信道化接收機實時信號處理問題。重點從系統(tǒng)架構(gòu)、電源供給、時鐘同步、芯片互聯(lián)等方面介紹了硬件平臺設(shè)計實現(xiàn)方法，最后給出了實驗測試結(jié)果。
1總體架構(gòu)設(shè)計
在數(shù)字偵察接收機系統(tǒng)中，實時信號處理平臺通過高速接口接收信道化處理后的脈沖信號數(shù)據(jù)，提取信號頻率、脈寬、重頻、脈內(nèi)調(diào)制等特征參數(shù)，通過偵察算法完成信號識別與分選，最后輸出信號處理結(jié)果［3］。高速數(shù)據(jù)傳輸與并行DSP算法實現(xiàn)是本信號處理平臺的關(guān)鍵。為保證接口帶寬和信號處理性能，本文基于高性能FPGA和多片多核DSP芯片構(gòu)建硬件系統(tǒng)，硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。
FPGA選用了Xilinx公司Kintex7系列芯片，主要用于實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)接收及DSP陣列的調(diào)度。FPGA通過x8模式的GTX接口接收信道化模塊發(fā)送過來的IQ數(shù)據(jù)包，然后根據(jù)特定調(diào)度算法，將數(shù)據(jù)分配到不同的DSP內(nèi)核進(jìn)行特征參數(shù)提取、脈內(nèi)調(diào)試識別、信號分選等運算。DSP選用2片TI公司的TMS320C6678芯片，每片TMS320C 6678包含8個1.2 GHz主頻的浮點處理器內(nèi)核，2個芯片總共可提供320 GFLOPS的處理能力。
硬件架構(gòu)采用靈活的互聯(lián)方式，F(xiàn)PGA和2片DSP分別通過高速串行總線（SRIO）接口互聯(lián)。兩片DSP之間通過HyperLink接口互聯(lián)，DSP處理后的數(shù)據(jù)可通過PCIe接口或者千兆以太網(wǎng)口上傳到后續(xù)處理單元。兩片DSP可以設(shè)置為并行或者串行工作模式，在并行模式下，兩片DSP交替進(jìn)行不同數(shù)據(jù)幀的處理，F(xiàn)PGA接收到待處理數(shù)據(jù)后，通過SRIO接口將數(shù)據(jù)分發(fā)到空閑的DSP內(nèi)核進(jìn)行處理；在串行工作模式下，兩片DSP共計16個內(nèi)核采用流水線模式工作，每個內(nèi)核完成特定的信號算法，一個內(nèi)核運算完成后將數(shù)據(jù)傳遞給下一個內(nèi)核，工作模式根據(jù)脈沖信號的密度及信號特點靈活選擇。
為減小系統(tǒng)的啟動時間，采用并行Flash芯片對FPGA和DSP進(jìn)行上電配置，DSP通過EMIF16接口外接的NOR Flash進(jìn)行boot，兩片DSP的上電加載獨立完成，所有處理器核運行起來后，由FPGA統(tǒng)一調(diào)度，協(xié)同工作。
2關(guān)鍵電路設(shè)計實現(xiàn)
2.1電源系統(tǒng)設(shè)計
在本文所設(shè)計的高性能信號處理平臺中，使用多片高速數(shù)字信號處理器以及DDR3等高速器件，高速數(shù)據(jù)線的工作頻率大于500 MHz，總功耗大于30 W，要保證硬件系統(tǒng)的穩(wěn)定工作，必須設(shè)計可靠高效的電源系統(tǒng)。本文采用FPGA和DSP的電源分開設(shè)計的方案，以減小電源之間的影響，提高可靠性。整個電路板采用統(tǒng)一的直流電源，供電電壓范圍為+5.5 V~+15 V，以適應(yīng)不同的電源環(huán)境。電源系統(tǒng)的方案如圖2所示。
FPGA及外圍電路所需的電源，根據(jù)不同需求綜合采用LDO、DCDC以及電源模塊3種方式來產(chǎn)生，需要大電流的內(nèi)核電源通過集成電源模塊產(chǎn)生，對電源質(zhì)量要求較高的與GTX接口相關(guān)的電源用線性穩(wěn)壓器產(chǎn)生，需要高電壓的I/O電源通過DC-DC產(chǎn)生。DSP的電源主要基于數(shù)字電源套片和集成電源模塊來產(chǎn)生，其中內(nèi)核電源采用TI公司UCD系列數(shù)字電源套片產(chǎn)生，由一片數(shù)字PWM控制芯片UCD9244和兩片電源驅(qū)動芯片UCD7242組成，可提供兩組獨立的電源輸出，為兩片TMS320C6678提供CVDD和CVDD1，CVDD1固定為1.0 V，CVDD為0.9 V~1.1 V，可通過DSP的VID來進(jìn)行調(diào)節(jié)［4］，UCD9244的配置可通過Texas Instruments Fusion Digital Power Designer軟件實現(xiàn)。
為滿足FPGA和DSP器件對上電順序的嚴(yán)格要求，本文采用CPLD芯片對各電路單元進(jìn)行上電順序控制及電源健康狀態(tài)的監(jiān)控。上電過程實行閉環(huán)控制，即打開一級電源，檢測到其輸出穩(wěn)定后，再打開下級電源，當(dāng)某路電源出現(xiàn)異常情況時，按上電順序的反序關(guān)閉已打開的電源，上電時序如圖3。
上電過程分為FPGA上電、DSP上電、DSP復(fù)位控制3個階段，主電源打開后，CPLD先工作，然后按順序控制FPGA及其外圍電路上電，檢測到FPGA完成外部Flash加載后，啟動DSP及其外圍電路上電，依次打開內(nèi)核電源、外設(shè)電源、時鐘使能，檢測到時鐘鎖定信號后，進(jìn)入DSP復(fù)位控制階段，按DSP器件的要求依次輸出DSP的PORz、RESETFULLz、RESETz信號，當(dāng)檢測到DSP輸出正常工作指示后，上電完成。
通過對電源系統(tǒng)的精細(xì)化設(shè)計以及上電順序的準(zhǔn)確控制，可減小該信號處理平臺對整個系統(tǒng)電源的沖擊，降低對系統(tǒng)電源瞬時供電能力的要求。逐級上電可提高信號處理平臺硬件的穩(wěn)定性，增加重要元器件的使用壽命，從而提高整個信號處理系統(tǒng)的可靠性。
2.2時鐘電路設(shè)計
在多處理器系統(tǒng)中，時鐘同步問題至關(guān)重要［5］，本設(shè)計中存在2片TMS320C6678處理器、1片F(xiàn)PGA芯片以及多片DDR3等高速器件，使用GTX、SRIO、HyperLink等高速接口，整個電路板需要有多個不同頻率的時鐘信號?？紤]到時鐘源可帶負(fù)載能力、分支線的阻抗效應(yīng)以及噪聲等對時鐘信號質(zhì)量的影響，本文選擇了多路時鐘發(fā)生器加時鐘緩沖器的方案來產(chǎn)生整個信號處理板所需要的各類時鐘信號，時鐘方案如圖4所示。
多路時鐘發(fā)生器選用了TI公司的專用時鐘芯片CDCE62005，該芯片是一款高性能的時鐘發(fā)生和分配器，具有可選的參考輸入方式，根據(jù)需要可選擇不同的參考時鐘方案：進(jìn)行單板調(diào)試時，選擇板上高穩(wěn)晶體振蕩器作為輸入；在與前端信道化采集系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)試時，選擇由信道化采集系統(tǒng)提供的同步時鐘信號作為參考，從而保證信號處理板與系統(tǒng)中其他電路板時鐘的完全同步。CDCE62005可產(chǎn)生5個獨立的差分時鐘輸出，電平格式可選為LVPECL或者LVDS，輸出時鐘頻率125 kHz~1.5 GHz可調(diào)。由于FPGA和DSP需要的時鐘種類和數(shù)量多于時鐘發(fā)生器的輸出，在不增加時鐘發(fā)生器數(shù)量的情況下，對時鐘信號進(jìn)行了歸類合并，可采用相同頻率的時鐘信號，使用同一個時鐘發(fā)生器輸出端口，然后采用時鐘緩沖器SN65LVDS104或者SN65LVDS108將單路信號擴展到多路，同時進(jìn)行電平格式轉(zhuǎn)換、增加驅(qū)動后提供給各電路單元。根據(jù)各電路單元對時鐘信號的要求，CDCE62005輸出端口的配置如表1所示。
CDCE62005的配置通過CPLD編程實現(xiàn)，由器件的SPI接口將用戶的配置參數(shù)寫入內(nèi)部EEPROM存儲器，器件上電后通過控制PowerDown管腳的電平來實現(xiàn)時鐘信號的輸出或關(guān)斷。當(dāng)PowerDown管腳為高電平時，CDCE62005自動調(diào)用用戶配置數(shù)據(jù)輸出正確的頻率。CDCE62005內(nèi)部的EEPROM提供了鎖定功能用于保護(hù)用戶配置數(shù)據(jù)安全，執(zhí)行該命令后，EEPROM將不可再次更改。
2.3互聯(lián)接口設(shè)計
根據(jù)本設(shè)計中FPGA和DSP器件的特點，以及信號處理平臺對數(shù)據(jù)傳輸接口帶寬的要求，選取串行高速總線進(jìn)行芯片之間的互聯(lián)。待處理的脈沖信號數(shù)據(jù)通過x8模式的GTX接口傳入信號處理板的FPGA；FPGA通過兩組GTX接口與兩片DSP連接，采用SRIO協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；DSP之間通過HyperLink接口進(jìn)行通信；信號處理結(jié)果通過DSP芯片的PCIe或者千兆以太網(wǎng)接口進(jìn)行上報［6］。
2.3.1FPGA與DSP互聯(lián)設(shè)計
SRIO（Serial RapidIO）是針對嵌入式系統(tǒng)芯片間和板間互聯(lián)的一種開放式的、基于包交換的高速串行標(biāo)準(zhǔn)［7］。Kintex7系列FPGA的GTX接口可以配置為SRIO協(xié)議，從而與TMS320C6678的SRIO接口無縫連接。FPGA中SRIO協(xié)議通過調(diào)用Xilinx公司提供的IP核實現(xiàn)，在ISE軟件中，使用Core generator調(diào)用Serial RapidIO Gen IP核，進(jìn)行相關(guān)參數(shù)設(shè)置，生成IP核模塊，然后在FPGA中開辟兩個FIFO，分別用于存放發(fā)送和接收到的數(shù)據(jù)，通過編寫有限狀態(tài)機來實現(xiàn)對IP核的控制。
TMS320C6678端SRIO的配置，可通過調(diào)用TI公司CSL庫中相關(guān)的API函數(shù)來實現(xiàn)。需要注意的是，F(xiàn)PGA和DSP中對器件端點ID號的定義要保持一致，否則將無法進(jìn)行通信。在SRIO通信接口的調(diào)試過程中，通過在FPGA中使用ChipScope查看相關(guān)信號的狀態(tài)，判斷SRIO通信是否成功。首先查看SRIO IP核輸出指示信號clk_lock的狀態(tài)，若該信號為高，則說明有時鐘進(jìn)入SRIO核且被鎖??；時鐘鎖定后再檢查FPGA和DSP兩側(cè)各自時鐘是否正確，傳輸速率是否匹配；當(dāng)FPGA端SRIO IP核指示信號link_initialized被拉高后，表明通信已經(jīng)建立，此時可以進(jìn)行SRIO的回環(huán)測試，若兩側(cè)的回環(huán)測試都正確，說明兩側(cè)的物理鏈路已經(jīng)建立，接下來就可以進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸及接口帶寬的測試。
2.3.2DSP之間互聯(lián)設(shè)計
HyperLink總線是面向嵌入式應(yīng)用的具有高效、低引腳數(shù)目的互聯(lián)方案，數(shù)據(jù)傳輸完全由硬件實現(xiàn)，不需要處理器參與［8］。本設(shè)計中兩片TMS320C6678之間通過HyperLink接口互聯(lián)，每片DSP為HyperLink提供4個SerDes通道，傳輸速率最高支持12.5 Gb/s，采用8b9b編碼，數(shù)據(jù)吞吐率為12.5×4×（8/9）=44.5 Gb/s。TI公司在CSL庫中提供了豐富的HyperLink API函數(shù)，在CCS開發(fā)軟件中，通過調(diào)用相關(guān)API函數(shù)對HyperLink接口進(jìn)行配置，采用存儲空間映射方式，將DSP2的存儲空間映射到DSP1上，DSP1即可像訪問自身本地空間一樣去訪問DSP2的存儲空間，方便地實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。
3測試驗證
為測試該信號處理平臺的數(shù)據(jù)傳輸及實時處理能力，進(jìn)行了如下實驗：FPGA通過GTX接口從前端處理系統(tǒng)讀取一幀脈沖信號數(shù)據(jù)，512點IQ數(shù)據(jù)共512×32×2=32 768 bit，DSP通過SRIO接口從FPGA中將數(shù)據(jù)讀入內(nèi)存，并啟動多個內(nèi)核同時進(jìn)行脈內(nèi)調(diào)制特性分析。其中FPGA的GTX為8x模式，波特率10 Gb/s，DSP的SRIO接口為4x模式，波特率6.25 Gb/s，DSP工作主頻設(shè)定為1.2 GHz。通過CCS軟件程序運行時間記錄功能，對整個處理流程的耗時進(jìn)行測試，如圖5所示。
由圖5可以看出，從FPGA開始讀取數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)進(jìn)入DSP內(nèi)存共耗時0.016 251 ms，DSP進(jìn)行脈內(nèi)調(diào)制特性分析耗時為0.010 375 ms，處理一幀脈沖信號總時間約26 μs。
4結(jié)束語
本文從硬件設(shè)計方面介紹了一種高速實時信號處理平臺的實現(xiàn)方法，基于Xilinx公司Kintex7系列 FPGA以及TI公司多核DSP芯片TMS320C6678構(gòu)建系統(tǒng)，對電源電路、時鐘電路以及芯片互聯(lián)方案進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計及測試。采用高速串行接口實現(xiàn)芯片間數(shù)據(jù)交換，基于多核DSP并行運算提高計算效率，解決了寬帶偵察接收機系統(tǒng)中海量數(shù)據(jù)傳輸與實時信號處理速度的瓶頸問題，可提升偵察接收機對密集信號環(huán)境的適應(yīng)性。該信號處理平臺具有數(shù)據(jù)傳輸帶寬大、并行處理能力強、可靠性高等特點，可以滿足實際工程應(yīng)用的需求。
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