多制式的通信信号处理模块设计研究.docx

多制式的通信信号处理模块设计研究军事通信系统在现代化战争中发挥的作用越加重要[1]，其对无线电台多制式通信的要求也逐渐提高为了满足通信系统多样化需求，调制解调方式也变得更加复杂和多样[2]，常见的有多进制数字频率调制（MFSK）、最小频移键控（MSK）、多进制数字相位调制（MPSK）、正交相移键控（QPSK）和幅移键控（ASK）等调制解调技术不断发展，又有许多新技术被应用于通信系统中，如正交频分复用技术（OFDM）、正交振幅调制（QAM）等目前，军用无线电台大多是根据某种特定用途而定制，只能使用特定制式进行通信，不能满足无线电台对多制式并存以及可扩展性的需求因此，如何使无线电台多种通信方式并发执行，并可根据不同应用需求而动态更新，成为了亟待解决的问题数字信号处理器（digitalsignalprocessor,DSP）凭借其强大的数字信号处理能力，在军事通信中扮演着非常重要的角色但由于传统单核DSP在处理性能、功耗、散热等方面的局限性，使其性能提升受到限制高性能多核DSP的出现，使得多任务的并发执行成为可能[3]然而，要充分发挥多核DSP性能，还需要多核多任务的软件开发同步发展[4,5,6]。

并行处理技术是近十年来研究和发展出的一项新的科学技术，它在高性能处理器、通信、图像处理等领域得到广泛应用[7,8,9]Jiang等[10]提出了一种面向控制的多核任务调度模型，使多核处理器中每个处理器都可以像主处理器一样管理任务调度和资源分配，实现了更好的实时性冯富辉[11]将并行处理技术应用于通信系统中基带信号的处理，实验结果表明多核并行处理技术的应用加快了信号处理速度谢克家[12]提出多核图像处理并行设计模型，设计实现基于并行模型的多核并行图像拼接算法，有效缩短了大规模凸显拼接的运行时间动态可重构技术最早是应用于现场可编程门阵列（field-program-mablegatearray,FPGA）平台[13,14]，由于多核DSP的发展，基于多核DSP的可重构技术也在逐渐发展与应用王国洗[15]提出了一种动态可重构技术，该技术是基于多核DSP面向算法的部分可重构技术，实现了类似于Linux动态链接库实现机制的重构方案，但是局限于多处理器内核上运行的主体软件框架不可变当内核的整体运行逻辑需要改变时，采用这种方案明显达不到该需求本文以无线电台的多制式通信为应用背景，以多核DSP处理平台为对象，以并行处理技术和动态重构技术为核心进行研究，设计了一种多核多任务并行处理和任务可切换的多制式通信模块。

多核并行处理技术可实现多种调制解调方式的并行化，可重构技术可实现系统内多通信方式的动态切换本文的可重构方案，克服已有的多核DSP重构技术必须依赖固定软件框架的局限性，可将内核的整体软件框架替换，实现软件真正意义上的完全更新1、多制式通信设计1.1多制式通信的硬件设计本文根据无线电台的多制式通信需求，设计了一个基于多核DSP的多制式通信信号处理模块，实现对多种通信制式的并行处理和多制式通信的可重构设计该模块主要由多核DSPTMS320C6678、FPGA以及各种外围设备组成其硬件设计方案如图1所示图1硬件设计方案图1中，多核DSP作为核心处理单元，负责多种调制解调方式的并行处理，以及程序的动态加载和更新，即重构DSP还需通过千兆以太网接口SGMII与外界进行数据传输以及通信，DSP外部有挂载大容量的DDR3扩展内存，可实现复杂算法的运行以及大数据量的存储DSP可通过SPI接口和EMIF接口挂载NorFlash，实现用户对所需的镜像文件及镜像文件信息的存储DSP还负责接收和存储远程动态加载的不同调制解调方式的镜像文件，并将其传送至各核的运行内存中，再通过IPC核间中断，由主核触发从核，实现多核程序的执行。

DSP还可根据系统需求，完成系统程序的重构FPGA作为管理单元，通过配置系统时钟产生芯片和控制各电源芯片的使能引脚，可对系统时钟和电源进行控制FPGA还可以通过配置DSP的16个GPIO引脚对DSP的启动方式进行管理DSP处理器和FPGA处理器的JTAG调试接口都被引出到内部连接器，以方便程序的加载和调试系统采用了双时钟输入，即内部时钟和外部时钟，为了保证系统的时钟稳定性1.2多制式通信的软件设计本文的通信信号处理模块实现的是多种调制方式的并发执行和可重构，TMS320C6678DSP是整个模块的核心，既要与外界进行数据交互，还要与FPGA进行控制命令的交互多制式通信的软件总体设计方案如图2所示图2总体设计方案(1）核0作为主控管理核，负责任务的控制管理，当多制式通信模块接收到通信任务时，核0将通信任务分配给相应从核；同时接收FPGA的控制指令重构从核多制式通信模块与外界进行通信时，从外部获取通信数据，当DSP重构时系统需要加载新的算法镜像，都需要核0执行网络通信任务，通过千兆以太网与外界进行数据交互2）核1—核7数据处理核，实现具体算法的执行当接收到处理任务时，执行特定的调制解调算法，对来自核0的数据进行处理，并将处理后的数据发送。

而且核1—核7执行的调制解调算法可以被核0进行动态切换3）核0启动后建立以太网通信线程，在收到通信数据或收到重构命令后触发网络通信任务核1—核7启动后建立核间通信线程，时刻检测核0发送的数据，在接收到数据后进行指定调制解调算法的处理4）通信数据在TMS320C6678DSP内的处理流程为：核0通过千兆以太网接收来自外界的数据，并将其放入8核的共享内存中，然后通知相应数据处理核去读取数据，读取并处理之后再将数据放入共享内存，并告知核0，核0接收到通知去读取处理好的数据，然后通过千兆以太网发送1.2.1多核并行设计TMS320C6678是一款集成了8个C66x的多核DSP，与传统单核DSP相比，其最大的优势就是8个核同时工作时所提供的强大的运算性能对于多核并行处理的最重要的一点就是如何将任务合理地分配给每个核，使多核处理器发挥出其并行处理的优势[16,17]最常见的3种并行处理模型：主从模型、数据流模型、OpenMP模型主从模型的主要特点是控制相对集中、执行相对分布，即一个处理单元作为主处理单元，其他处理单元作为从处理单元主处理单元负责整体的控制，从处理单元负责任务的具体执行数据流模型主要的特点是分散式控制和分散式执行，每个核之间依赖性较强。

OpenMP是一种基于线程的并行处理模型，支持跨平台的对线程进行并行处理[18]本设计中，为了实现无线电台多制式通信，需要多种调制解调方式并行，且相互之间互不影响，而主从模型符合该设计需求，所以选用了主从模型主从调度模型如图3所示.图3主从调度模型并行设计：TMS320C6678是一款8核DSP，对于多核多任务的并行执行，本文采用了主从处理模式，将核0设计为主核，主要负责控制从核、与外界进行数据的交互、接收来自FPGA的控制命令；其余7核设计为从核，主要负责具体算法的实现，接收数据并进行处理在多核DSP的并行设计中，将应用程序并行化，实现不同核在同一时间可处理不同的调制解调方式，以提高通信系统的处理效率本设计以核1和核3的并行为例当DSP接收到2ASK调制任务，核0将其分配给核1，并通过核间通信的方式通知核1若核1此时正在处理数据，则核1会在当前数据处理完之后再去读取核0新分配的数据，并对其进行处理在核1运行过程中，核0又接收到需要2FSK调制的任务，核0将该数据分配给核3此时核1和核3同时运行执行着2ASK调制和2FSK调制两个任务，而且互不影响核1和核3任务并行执行流程如图4所示若多制式通信模块同时接收到其他的任务，核0可以将任务分配给其他核执行。

此时多种通信方式并行执行，实现了多制式通信模块的并行化1.2.2动态重构设计对于可重构技术，一般是指一个系统的硬件或者软件模块，能够根据变化的控制流或者数据流对系统结构和算法进行重新配置或者重新设置[19,20]可重构系统最重要的功能是可根据不同的项目需求，改变其中某个或多个可重构器件或算法，使其符合具体项目的应用需求图4核1和核3任务并行流程重构设计：在系统工作过程中，核0收到从核的重构需求时，首先将该从核复位，使该核停止工作，然后加载待重构镜像到指定地址处，并将新程序的入口地址写入该从核的BootMagic地址处，当重构镜像搬移完成后对该核进行解复位，然后主核向该从核发送IPC中断，唤醒该核并使其重新运行本模块设计了本地和远程的动态重构本地模式的动态重构是从本地存储器中加载待重构的镜像文件在通信时，将无线电台使用频率较高的几种通信方式存储到DSP外接的SPINorFlash中，当接收到重构命令时，从本地存储器中读取调制解调的镜像文件，并将其加载到相应重构核中对核x进行本地动态重构，将核x正在执行的2ASK解调替换为2PSK调制，核x的本地动态重构流程如图5所示远程模式的动态重构的镜像文件由外部控制模块进行加载，对核x进行远程动态重构，将核x正在执行的2PSK的调制替换为QPSK的调制，核x的远程动态重构流程如图6所示。

图5核x的本地动态重构流程图6核x远程模式的重构流程2、多制式通信的测试与分析本节对多制式通信模块设计进行测试和验证，采用两块核心处理板卡，A板作为主测试板，用于测试通信模块的整体性能，B板作为辅助测试板，为主测试板提供测试数据和控制信号等在测试中连接PC机，通过代码调试器（codecomposerstudio,CCS）开发环境对系统板卡进行测试CCS中提供了多种图形化的分析工具，可以根据分析的需要跟踪数据，通过读入测试数据并将其制作成图，通过图形可以直观的对数据进行展示，便于开发人员进行工程分析本文使用的是CCS5.5版本测试环境如图7所示图7硬件测试环境2.1测试方案2.1.1多制式通信并行处理测试方案并行测试方案如图8所示图8并行测试方案图8中，由辅DSP将需调制解调的数据通过以太网发送给主DSP，主DSP将数据分配给相应从核处理，从核处理之后的数据再经以太网传输给辅DSP，辅DSP将数据读出并存储到数组中，然后使用CCS的Graph功能，跟踪该数组数据，并画出其波形若可在同一时间观察到跟踪的多个数组数据，并显示其相应波形，证明多制式通信模块可实现无线电台多种通信方式的并行处理2.1.2本地模式动态重构测试方案本地模式动态重构测试方案如图9所示。

当通信模块中DSP接收到重构需求时，DSP从SPI的NorFlash中读取要重构的镜像文件，替换掉要重构核的现存镜像文件同样，主DSP将从核处理完的数据传输给辅DSP，并从CCS中观察数组数据，若重构核数据波形发生变化，说明用于无线电台的多制式通信模块的本地重构完成图9本地模式动态重构测试方案2.1.3远程模式动态重构测试方案远程模式动态重构测试方案如图10所示图10远程模式动态重构测试方案当通信模块中DSP接收到重构需求时，DSP通过以太网发送镜像需求的指令给辅DSP，辅DSP通过以太网将镜像文件发送给主DSP，替换掉要重构核的现存镜像文件同样，从CCS中观察数组数据，若重构核数据波形发生变化，说明用于无线电台的多制式通信模块的远程重构完成2.2并行测试与分析核1、核3、核5并行处理的测试结果如图11所示图11核1、核3、核5并行测试结果对于多制式通信模块多核并行的测试，多核DSP的核1、核3、核5分别将任务处理后的数据输出，通过跟踪多核DSP的核1、核3、核5处理的数据，显示了3个核在同一时间分别进行着2ASK调制、2FSK调制、2PSK调制3个任务的处理，这说明多制式通信模块可实现多种调制方式的并行。

核2、核4、核6并行处理的测试结果如图12所示图12核2、核4、核6并行测试。