摘要：介紹了嵌入式計算機的特點及分類。然后討論了DSP技術(shù)在軟件無線電中面臨的挑戰(zhàn)及如何應用DSP技術(shù)進行軟件設計。并給出了一 種基于TMS320C5402的軟件無線系統(tǒng)模式。

關(guān)鍵詞：嵌入式計算機；嵌入式系統(tǒng)；DSP；軟件無線電

引言

嵌入式計算機通常指埋藏在宿主設備中的微處理機系統(tǒng)，此類計

算機一般不被設備使用者注意，亦稱埋藏式計算機，典型機種如微控 制器、微處理器和數(shù)字信號處理器（DSP）等。嵌入式系統(tǒng)的出現(xiàn)至 今有三十多年了，嵌入式技術(shù)也歷經(jīng)了幾個發(fā)展階段。近十年來，以 計算機和軟件為核心的數(shù)字化技術(shù)迅猛發(fā)展，不僅廣泛滲透到社會經(jīng)濟、軍事、交通、通信等相關(guān)行業(yè)，而且深入到家電、娛樂、藝術(shù)、 社會文化等各個領(lǐng)域，掀起了一場數(shù)字化技術(shù)革命。隨著移動通信與 互聯(lián)網(wǎng)的應用迅速普及，消費電子、計算機、通信（3C）一體化趨勢 日趨明顯，嵌入式技術(shù)的研究掀起了新的高潮。

隨著DSP技術(shù)的逐步發(fā)展，相信將會使軟件無線電的發(fā)展更加迅 速，從而也推動無線通信的進一步發(fā)展。

1. 嵌入式計算機

嵌入式計算機是嵌入應用系統(tǒng)中的計算機。例如：嵌入到醫(yī)療儀

器、工業(yè)機器人、高級音響、通訊設備、潛艇等系統(tǒng)中的計算機都是 嵌入式計算機。嵌入式微處理器和通用微處理器最大的不同就是嵌入 式微處理器多數(shù)工作在用戶自己設計的系統(tǒng)中。

以往我們按照計算機的體系結(jié)構(gòu)、運算速度、結(jié)構(gòu)規(guī)模、所適 用的領(lǐng)域，對計算機進行分類。隨著計算機技術(shù)和產(chǎn)品對其它行業(yè)的 廣泛滲透，以應用為中心的分類方法變得更為切合實際，也就是按計算機的嵌入式應用和非嵌入式應用將其分為嵌入式計算機和通用計算 機。通用計算機具有計算機標準形態(tài)，通過裝配不同的應用軟件，以 類同面目出現(xiàn)并應用在社會的各個方面，其典型產(chǎn)品為PC。而嵌入式 計算機則是以嵌入式系統(tǒng)的形式隱藏在各種裝置、產(chǎn)品和系統(tǒng)中。

嵌入式系統(tǒng)的核心部件是各種類型的嵌入式處理器，據(jù)不完全統(tǒng) 計，全世界嵌入式處理器的品種總量已超過1000多種，流行的體系結(jié)構(gòu)有30幾個系列，其中8051體系的占有多半。嵌入式處理器的尋址空間一 般從64KB~16MB，處理速度從0.1MIPS到2000MIPS，常用封裝從8個引 腳到144個引腳。根據(jù)其現(xiàn)狀，嵌入式計算機可分為以下幾類。

（1）嵌入式微處理器(Embedded Microprocessor Unit ，EMPU) 嵌入式微處理器的基礎是通用計算機中的CPU。在應用中，將 微處理器裝配在專門設計的電路板上，只保留和嵌入式應用有關(guān)的母 板功能,這樣可以大幅度減小系統(tǒng)體積和功耗。為了滿足嵌入式應用 的特殊要求，嵌入式微處理器雖然在功能上和標準微處理器基本是一 樣的，但在工作溫度、抗電磁干擾、可靠性等方面一般都做了各種增強，和工業(yè)控制計算機相比，嵌入式微處理器具有體積小、重量輕、 成本低、可靠性高的優(yōu)點，但是在電路板上必須包括ROM、RAM、

總線接口、各種外設等器件，從而降低了系統(tǒng)的可靠性，技術(shù)保密性 也較差。嵌入式微處理器及其存儲器、總線、外設等安裝在一塊電 路板上，稱為單板計算機。如STD-BUS、PC104等。近年來，德國、 日本的一些公司又開發(fā)出了類似“火柴盒”式名片大小的嵌入式計 算機系列OEM產(chǎn)品。嵌入式處理器目前主要有Am186/88、386EX、 SC-400、PowerPC、68000、MIPS、ARM系列等。

（2）嵌入式微控制器(Microcontroller Unit，MCU) 嵌入式微控制器又稱單片機，顧名思義，就是將整個計算機系

統(tǒng)集成到一塊芯片中。嵌入式微控制器一般以某一種微處理器內(nèi)核 為核心，芯片內(nèi)部集成ROM/EPROM、RAM、總線、總線邏輯、定 時/計數(shù)器、WatchDog、I/O、串行口、脈寬調(diào)制輸出、A/D、D/A、 FlashRAM、EEPROM等各種必要功能和外設.為適應不同的應用需 求，一般一個系列的單片機具有多種衍生產(chǎn)品，每種衍生產(chǎn)品的處理器內(nèi)核都是一樣的，不同的是存儲器和外設的配置及封裝。這樣可以 使單片機最大限度地和應用需求相匹配，功能不多不少，從而減少功 耗和成本。

SoC可以分為通用和專用兩類。通用系列包括Infineon(Siemens) 的TriCore，Motorola的M-Core，某些ARM系列器件，Echelon和 Motorola聯(lián)合研制的Neuron芯片等。專用SoC一般專用于某個或某 類系統(tǒng)中，不為一般用戶所知。一個有代表性的產(chǎn)品是Philips的 SmartXA，它將XA單片機內(nèi)核和支持超過2048位復雜RSA算法的 CCU單元制作在一塊硅片上，形成一個可加載JAVA或C語言的專用的 SoC，可用于公眾互聯(lián)網(wǎng)如Internet安全方面。

2. 軟件無線電概述

軟件無線電（Software Radios，簡稱SWR）技術(shù)是近年來提出的

一種實現(xiàn)無線通信的新的體系結(jié)構(gòu)。它是針對現(xiàn)有無線通信領(lǐng)域存在 的如多種通信體系共存、各種標準競爭激烈、頻率資源緊張等等一些 問題，尤其是個人無線通信系統(tǒng)的發(fā)展，使得新的系統(tǒng)層出不窮，產(chǎn)品生存周期越來越短，原有的以硬件為主的無線通信體制難以適應新 形勢的需要運用而生的。

軟件無線電技術(shù)通過構(gòu)造一個具有開放性、標準化、模塊化的通 用硬件平臺，將各種功能，如工作頻段、調(diào)制解調(diào)類型、數(shù)據(jù)格式、 加密模式、通信協(xié)議等用軟件來完成，并使寬帶模數(shù)（A/D）和數(shù)模

（D/A）轉(zhuǎn)換器盡可能靠近天線，以研制出具有高度靈活性和開放性 的新一代無線通信系統(tǒng)。其主要特點有：

靈活性強，可以通過增加軟件模塊來增加新的功能； 集中性較強，多個信道享有共同的射頻前端與寬帶A/D/A轉(zhuǎn)換器

以獲取每一信道的相對廉價的信號處理性能； 開放性較強，具有標準化、模塊化的結(jié)構(gòu)，硬件可以更新或擴

展，軟件可以隨需要而不斷升級。 軟件無線電的宗旨就是將寬帶A/D和D/A的變換盡可能地靠近天

線，對數(shù)字化后的信號采用數(shù)字信號處理（DSP）技術(shù)，在可編程控 制的硬件平臺上，利用軟件來實現(xiàn)無線電的各部分功能，即整個無線 電臺從高頻、中頻、基帶直到控制協(xié)議部分全由軟件編程來實現(xiàn)。

理想軟件無線電的結(jié)構(gòu)如（圖1）所示。主要由天線、射頻 前端、寬帶A/D-D/A轉(zhuǎn)換器、通用和專用數(shù)字信號處理器以及各

一組程序總線和三組數(shù)據(jù)總線，高度并行的算術(shù)邏輯單元ALU，專用 硬件邏輯，片內(nèi)存儲器，片內(nèi)外設和高度專業(yè)化的指令集，使該芯片 速度更快，操作更靈活。[!--empirenews.page--]

程序和數(shù)據(jù)空間分開允許同時對程序指令和數(shù)據(jù)進行訪問，提供 了很高的并行度?？梢栽谝粋€周期完成兩個讀和一個寫操作。因此，并行存儲指令和專用指令可以在這種結(jié)構(gòu)中得到充分的利用。另外， 數(shù)據(jù)可以在數(shù)據(jù)空間和程序空間之間傳送。并行性支持一系列算術(shù)、 邏輯和位處理運算，它們都能在一個機器周期里完成。另外，C54X 具有管理中斷、循環(huán)運算和功能調(diào)用的控制結(jié)構(gòu)。

4.2  由TMS32005402構(gòu)成的一種軟件無線電系統(tǒng)模式 在以上模式中可選用多個C5402對數(shù)據(jù)進行并行處理。而在其軟

件實現(xiàn)中應注意以下幾個問題：

（1）數(shù)據(jù)格式：

TMS320C5402是16位定點DSP，在進行復點運算時，必須用定 點數(shù)來表示復點數(shù)，這

種軟件組成。軟件無線電的天線一般要覆蓋比較寬的頻段，例如

1MHZ~2GHZ，要求每個頻段的特性均勻，以滿足各種業(yè)務的需要。 射頻前端在發(fā)射時主要完成上變頻、濾波、功率放大等任務。接

受實現(xiàn)濾波、放大、下變頻等功能。模擬信號進行數(shù)字化后的處理任 務完全由DSP軟件完成。為了減輕通用DSP的處理壓力，通常把A/D 轉(zhuǎn)換器傳來的數(shù)字信號，經(jīng)過專用的數(shù)字信事情處理器件（如數(shù)字下 變頻器DDC）處理，降低數(shù)據(jù)流速率，并把信號變至基帶后，再把數(shù)

樣做盡管提高了運算速

度卻很可能會使精度不 夠。實現(xiàn)時采用以下幾種方法：對精度過高的 地方，將計算的中間變 量采用32 位來表示；對 有些幅度變化較大的數(shù)

據(jù)傳給通用DSP進行處理。通用DSP主要完成數(shù)據(jù)率相對較低的基帶 信號的處理。

3. DSP技術(shù)在軟件無線電中的應用

3.1  DSP的特點及在軟件無線電中面臨的挑戰(zhàn)

數(shù)字信號處理器是整個軟件無線電方案的靈魂和核心所在。軟 件無線電的靈活性、開放性、兼容性等特點主要是通過數(shù)字信號處理 器為中心的硬件通用平臺及DSP軟件來實現(xiàn)的。軟件無線電的發(fā)展使 DSP技術(shù)不斷面對新的挑戰(zhàn)。

在軟件無線電中，經(jīng)過寬帶A/D（模/數(shù)轉(zhuǎn)換器）后的數(shù)據(jù)流速率 高達幾十甚至幾百兆MBPS，對數(shù)字中頻進行數(shù)字濾波、數(shù)字變頻、 數(shù)字頻率合成往往需要幾十甚至上百MOPS運算資源和幾十甚至幾百 MBPS的I/O速度。而基帶部分主要完成各種同步數(shù)字的處理，每路 需要幾兆，幾十兆甚至幾百兆MOPS的處理能力；比特流處理主要完 成信道編解碼，復分接或分接、信令、控制、操作、管理或加接密等 功能，也需要100 MOPS以下的處理能力。另外信源編解碼部分為完 成話音、圖象的編解碼算法同樣需要幾十兆甚至幾百兆BPS的DSP運 算能力，外加管理所需的開銷，所以軟件無線電要求DSP能達到每秒 千兆指令數(shù)的數(shù)字處理能力。

3.2  DSP系統(tǒng)的軟硬件設計

（1）硬件設計主要是根據(jù)所運用DSP芯片的性能、結(jié)構(gòu)與封 裝，按照系統(tǒng)的性能要求完成DSP芯片外圍電路的設計，如A/D轉(zhuǎn) 換、時鐘電路和外存儲器電路等。軟件設計主要是根據(jù)系統(tǒng)要求和選 用的DSP芯片編寫相應的匯編源程序，若系統(tǒng)的運算量不大且高級語 言編譯器支持，也可用高級語言（如C語言）編程。但由于用高級語 言編寫的代碼，其最終的執(zhí)行效率比手工編寫的匯編的執(zhí)行效率要 低，因此在實際系統(tǒng)中，通常采用高級語言和匯編語言混合編程的方 法，在運算量大時，采用匯編語言完成，運算量不大時則采用高級語言完成。采用這種方法，既可縮短軟件開發(fā)周期，提高編程的可讀性 和可移植性，又能滿足系統(tǒng)實時性運算的要求。

4. 一種軟件無線電中DSP應用模式

4.1  TMS320C54X的結(jié)構(gòu)特點

TMS320C54X是16 bit定點DSP，采用改進的哈佛結(jié)構(gòu)。C54X有

值，采用適當?shù)姆椒▉頊p小幅度變化，從而在同樣的數(shù)據(jù)格式下提高

精度。

（2）存儲器空間的分配：

TMS320C5402片內(nèi)存儲區(qū)包括10  K的RAM和2 K的ROM。若 RAM不夠，可以通過外接RAM或選用其它芯片來解決。當處理的數(shù) 據(jù)量較大時也可以采用多個芯片并行處理的方法。處理時，可將存儲 區(qū)分成不同的段，以存放程序、已初始化數(shù)據(jù)和未初始化數(shù)據(jù)，并重 新設置堆棧和中斷向量表。

（3）DSP的互連技術(shù)： 當要求滿足高速處理和軟件重構(gòu)等要求的多功能電臺時，則必

須采用基于全局和局部存儲器的多處理器互連技術(shù)。這是因為其連接 鏈路加快了數(shù)據(jù)流的速度，同時統(tǒng)一的地址空間和專用的控制操作簡 化了存儲器的訪問與處理過程，而內(nèi)部的存儲器簡化了I/O的數(shù)據(jù)流 量，從而減輕了總線的瓶頸效應。

5. 結(jié)束語

嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展主要體現(xiàn)在芯片技術(shù)的進步上，以及在芯片

技術(shù)限制下的算法與軟件的進步上。隨著數(shù)字化的急速進程，DSP技 術(shù)的地位將會更加突顯。因為數(shù)字化的基礎技術(shù)就是數(shù)字信號處理， 而數(shù)字信號處理的任務，主要是由通用的或?qū)Ｓ玫腄SP處理器來完成 的。因此，隨著DSP技術(shù)的逐步發(fā)展，相信將會使軟件無線電的發(fā)展 更加迅速，從而也推動無線通信的進一步發(fā)展。

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