多通道高频数字信号同步处理装置的制作方法

1.本发明涉及一种广泛应用于航空、通信等领域信号处理多通道高频数字信号同步处理装置。


背景技术：

2.随着电子技术、数字信号处理技术和自动化的飞速发展，信号的采集开始从机械化转为智能化，并不断向着自动化、智能化方向发展，信号的监测设备也在朝着微型化、多功能化和低功耗的方向发展，采样频率和分辨率都在逐步的提高。随着检测与控制装置复杂性的提高，对信号处理装置模块的要求和标准也更加多了。在很多信号处理装置中，都期望能够对尽可能多个信号通道进行实时和高速处理。采用高性能的微控制芯片和高精度的ad芯片以及搭配前端信号调理电路的采集监控装置得到了广泛应用。pc上位机应用程序与外部硬件设备的数据传输，是通过外围硬件设备通过编写相关的设备驱动程序来实现的。由于本信号处理装置需要对信号进行较多的处理，所以对微控制器的数据处理能力和处理速度等方面的性能有比较高的要求。如果选用不同性能的微控制器，则外围设备和电路也要有与之相匹配的性能指标。通常信号采集装置的任务和指标所能采集的信号的最大通道数:16个；输入信号的幅度范围:几十微伏到几十毫伏；所采集的信号的频率范围:100hz以下；a/d转换芯片的位数:16位。通常用usb总线来实现微控制器与上位机pc之间的数据传输。微控制器通过spi总线控制a/d转换芯片对信号进行采集，并通过spi将数据传输到微控制器中。由于dsp之间或dsp与主机之间一般用hpi(hostportinterface)或pci互连。它们的主要缺点是：带宽小；信号线多；主从模式接口，不支持对等传输。另外，dsp不能直接进行背板传输。
3.dsp是面向电子信息学科的专业基础课，它的基本概念、基本分析方法已经渗透到了信息与通信工程，电路与装置，集成电路工程，生物医学工程，物理电子学，导航、制导与控制，电磁场与微波技术，水声工程，电气工程，动力工程，航空工程，环境工程等领域。数字信号处理问题无处不在，信息科学已渗透到所有现代自然科学和社会科学领域。数字信号处理前后需要一些辅助电路，它们和数字信号处理器构成一个装置。高速实时信号处理是信号处理中的一个特殊分支。它的主要特点是高速处理和实时处理，被广泛应用在工业和航空、通信的关键领域，如对雷达信号的处理、对通信基站信号的处理等。高速数字信号处理技术是以dsp为核心，具有高速，实时的特点的一种信息处理技术。其本质是信息的变换和提取。高速实时信号处理技术除了核心的高速dsp技术外，还包括很多外围技术，如adc、dac等外围器件技术、装置总线技术等。随着数字信号处理器(dsp)在信号处理各领域的开发和应用；dsp的应用己向计算机、通讯及数字视、音频技术的各个方面深入发展。数字信号处理器dsp是一种专用于数字信号处理的可编程芯片，是一种特别适合于进行数字信号处理运算的微处理器，其主要应用是实时快速地实现各种数字信号处理算法。信号处理的本质是信息的变换和提取，是将信息从各种噪声、干扰的环境中提取出来，并变换为一种便于为人或机器所使用的形式。数字信号处理单元实际上是一个计算机，它按照指令对二进制
的数字信号进行计算。例如，将声波信号与一个高频正弦波信号相乘，可实现幅度调制。实际上，数字信号往往还要变回模拟信号，才能发挥它的作用。例如，无线电是电磁波通过天线向外发射的，这时的电磁波只能是模拟信号。多数科学和工程中遇到的是模拟信号。以前都是研究模拟信号处理的理论和实现。模拟信号处理缺点:难以做到高精度，受环境影响较大，可靠性差，且不灵活等。从某种意义上说，信号处理类似于"沙里淘金"的过程:它并不能增加信息量(即不能增加金子的含量)，但是可以把信息(即金子)从各种噪声、干扰的环境中(即散落在沙子中)提取出来，变换成可以利用的形式(如金条等)。如果不进行这样的变换，信息虽然存在，但却是无法利用的，这正如散落在沙中的金子无法直接利用一样。dsp有多种分类方式。其中按照数据类型分类，dsp被分为定点处理器(如adi的adsp218x/9x/bf5xx、ti的tms320c62/c64)和浮点处理器(如adi的sharc/tigersharc装置、ti的tms320c67)。雷达信号处理装置对dsp的要求很高，通常是使用32bit的高端dsp；而且浮点dsp更能满足雷达信号大动态范围的要求。虽然dsp的芯片系列很多，其指令装置互有差异，但它们的主要特点却是相似的，如运算速度快、芯片功能强、所需外围器件少。然而，它们也都存在开发及编程比单片机较为复杂的问题。因此，虽然它功能强大，但要大规模普及和进入传统单片机所占据的工业和消费领域还须有一个普及推广阶段。目前。一般的dsp信号处理装置处理信号路数少，速度慢，难以满足高速大容量的数据处理要求。不同的dsp的应用场合也不同。早期的dsp都是定点的，它的成本比较低可以低可以胜任大部分数字信号处理，但是住某些场合，如雷达一声纳信号处理中，数据的动态范围很大，按定点处理会发生数据溢山或者下溢出，严重时候处理无法进行。浮点dsp的出现解决了这个问题，它拓展了数据的动态范闱，32bit浮点数的动态范围为1536db，此外浮点dsp只备更大的访问空间，高级语言的编泽器也主要面向浮点dsp，如adsp2106x的c编译器，直接把c程序编译以后放到dsp上去运行，可以简化编写程序的过程。为了突破处理数据的局限，兼顾机载、舰载、飞行器载等平台的使用需求，使得信号处理装置能够在雷达、卫通、数据链等不同领域灵活广泛的应用，信号处理就必须通过提高集成度来降低体积功耗、通过兼容性设计打破多平台通用化的壁垒。
4.高速信号处理处理广泛应用于各个领域，随着科学技术的飞速发展，对信号处理处理装置的性能要求也越来越高。在该领域，我国的研究与产业化均起步较晚，大多数国内厂商的设备依赖进口，价格昂贵，功能灵活性不足，现有信号处理处理装置存在处理通道数少、动态接收范围小、灵活性针对性差等不足。在传统的模拟接收机中，模拟正交混频器难以做到严格的90
°
相位差，且i/q两路放大器滤波器几乎不可能做到完全相同。现有的一些高速处理卡应用场景受限，必须配合一整套设备使用，且有处理通道数少、处理速率低、灵活性针对性差等不足。


技术实现要素：

5.针对上述问题，本发明提供一种通道多、速度高、易扩展，调试方便处理信号准确可靠的多通道高频数字信号同步处理装置，以克服传统信号处理通道少、速度低，调试不方便，设计周期长，不能复用，不可扩展，可靠性验证不充分等问题。
6.本发明的上述目的可以通过以下措施来达到，一种多通道高频数字信号同步处理装置，包括：封装在上下盖板5的盒体3中，与多通道信号处理子卡2交互数据的多通道信号
处理载板4和通过离散线对外连接pc主机的lrm连接器，其特征在于：多通道信号处理子卡2和多通道信号处理载板4上设有与以太网电路、网络交换电路、控制电路进行通信的数字信号处理器dsp1、dsp2、dsp3和dsp4，其中dsp1和dsp2组成多通道信号处理子卡2，dsp3、dsp4连通以太网电路、网络交换电路、控制电路和电源转换电路组成多通道信号处理载板4；以太网电路通过sgmii和lrm连接器对外连接功能设备，通过串行链路sgmii和1
‑
4个数字信号处理器dsp传输通信数据；网络交换电路基于数据包交换的开放式互连技术标准rapidio协议架构进行板到板间的通讯，rapidio协议架构以包格式，互连拓扑结构以及串行rapidio物理层规范建立基础
‑‑
用于基带的标准srio功能的互连架构，通过定义了操作协议的逻辑层和定义了包交换、路由和寻址机制传输层对外连接lrm连接器和1
‑
4个数字信号处理器dsp传输串行差分模拟信号；控制电路通过离散线对外连接lrm连接器和消息传递，通过定义了电气特性、链路控制和纠错重传的rapidio物理层控制电源转换电路加电和版本控制，单独和/或全部给1
‑
4个dsp的版本使能工作和其他芯片的加电独立工作，控制4个dsp的版本管理和温度、电压的采集，以太网电路使用网线和1
‑
4个dsp交换数据，网络交换电路接收数据，将数据分发给1
‑
4个dsp，用于程序加载更新，以太网电路调试1
‑
4个dsp信号，处理电路接收输入的差分信号，然后利用中断的方式将多通道高频数字信号同步处理数据不断传送到硬件设备usb端点接收缓存中，之后传送到上位机，usb外部设备直接访问该数据缓存区，传输数据的字节数和缓冲区地址。
7.本发明相比于现有技术的有益效果是：通道多、速度高，易扩展。本发明采用通过离散线对外连接pc主机的lrm连接器，与信号处理电路微控制器之间传输与通信数据的以太网电路、网络交换电路、控制电路和电源转换电路，包含32路信号处理，速度高，易扩展，易于大规模集成。每路信号可以在1ghz频率工作。16路信号处理采用子卡2设计，16路信号处理采用载板4设计，功耗低、精度高、可靠性高、灵活性大，可以只使用载板4的16路信号处理。克服传统信号处理通道少、速度低，调试不方便，设计周期长，不能复用，不可扩展，可靠性验证不充分等问题。
8.通道多、速度高。本发明采用包含数字信号处理器dsp1、dsp2、dsp3和dsp4的信号处理电路，每个dsp包括8核，每核可以单独工作，4个dsp可以同时处理32路数据。其中dsp1和dsp2组成多通道信号处理子卡2，dsp3、dsp4、以太网电路、网络交换电路、控制电路和电源转换电路组成多通道信号处理载板4；网络交换电路可以将外部的数据分发给4个dsp，用于程序加载更新。以太网电路用于调试4个dsp。控制电路用于控制其他芯片的加电、4个dsp的版本管理和温度、电压的采集，电源转换电路提供其他芯片所需的电压，可以提供32通道信号处理，可靠性高、易扩展、可适配不同的信号处理平台。集成度高、性能可靠。本发明通过串行链路sgmii和4个数字信号处理器dsp交互数据；网络交换电路通过采用串行差分模拟信号传输的rapidio标准的srio对外连接lrm连接器和4个数字信号处理器dsp交互数据；使用srio(serialrapidio)数据可被送到任何一个通过srio交换器互连的处理器中，从而达到各个处理器的负载均衡，更加有效的利用装置的整体处理能力。可有效的解决带宽小，信号线多，主从模式接口，不支持对等传输这些问题，大大提高无线基站的互连性能。通过srio交换器件互连可以进一步提高基带处理的灵活性。由于srio实现了大部分器件之间的互连，甚至可支持dsp进行直接背板传输。灵活的点对点对等互连、交换互连，满足了装置对管脚数量的限制及对背板传输的需求；这种高集成度的把大部分外设器件都制作在芯片
内，减少了外设器件数量，从而减少了故障率。
9.本发明采用控制电路通过离散线对外连接lrm连接器，通过版本控制可以单独和全部给4个dsp的版本使能工作，电源转换电路通过加电控制可以单独和全部给4个dsp加电；控制电路可以单独控制4个dsp的加电的独立工作，控制其他芯片的加电、4个dsp的版本管理和温度、电压的采集，以太网电路使用网线可以和4个dsp交换数据，网络交换电路接收数据，将数据分发给4个dsp。实现了上位机应用程序要想与外部usb硬件设备dsp通信，和信号的转换保存和原始波形的显示等操作，完成了该信号处理装置的硬件设计和搭建和软件设计过程。现场可更换模块，lrm在装置的功能中与其他模块相互独立且安装结构上与其他模块也互不相干扰，因此当装置有故障时，其故障定位排除可以直接到模块这一级，模块更换就可以完成故障修理的工作。由于lrm模块与其他模块功能相互独立，因此当lrm模块内部发生故障时，启动其智能内部结构自检装置，对其进行二级维护修理，可以大大缩减故障排查时间，降低更换模块成本。可同时实现射频、差分、光、电源等多种信号集成传输，lrm模块化电连接器中射频接触件，传输射频信号高达40ghz，己达到毫米波频段。
10.本发明利用中断的方式将多通道高频数字信号同步处理数据不断传送到硬件设备usb端点接收缓存中，之后传送到上位机，usb外部设备直接访问该数据缓存区，传输数据的字节数和缓冲区地址。实现了高精度和多通道的结合，为信号的分析和处理带了更多的选择。上位机应用程序可以在不知道外部硬件设备连接端口的物理地址和控制外部硬件设备需要的信号的情况下，只通过代码间的转化就可以完成任务，处理速度比模拟信号快60％以上，射频输出功率0.5
‑
5w可软件调节。因此规避了硬件设备的复杂性，为用户提供统一标准的编程接口。
附图说明
11.下面结合附图和实施例对本专利进一步说明。
12.图1是本发明多通道高频数字信号同步处理装置的分解示意图；图2是图1的电路原理示意图；图3是本发明电源转换电路原理框图；图4是图1数字信号处理器dsp电压和温度检测原理框图。
13.图中：1为上盖板，标号2为多通道信号处理子卡，3为盒体，4为多通道信号处理载4，5为下盖板。
14.下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案。
具体实施方式
15.参阅图1、图2。在以下描述的优选实施例中，一种多通道高频数字信号同步处理装置，包括：封装在上下盖板5的盒体3中，与多通道信号处理子卡2交互数据的多通道信号处理载板4和通过离散线对外连接pc主机的lrm连接器，其中：多通道信号处理子卡2和多通道信号处理载板4上设有与以太网电路、网络交换电路、控制电路进行通信的数字信号处理器dsp1、dsp2、dsp3和dsp4，其中dsp1和dsp2组成多通道信号处理子卡2，dsp3、dsp4连通以太网电路、网络交换电路、控制电路和电源转换电路组成多通道信号处理载板4；以太网电路通过sgmii和lrm连接器对外连接功能设备，通过串行链路sgmii和1
‑
4个数字信号处理器
dsp传输通信数据；网络交换电路基于数据包交换的开放式互连技术标准rapidio协议架构进行板到板间的通讯，rapidio协议架构以包格式，互连拓扑结构以及串行rapidio物理层规范建立基础
‑‑
用于基带的标准srio功能的互连架构，通过定义了操作协议的逻辑层和定义了包交换、路由和寻址机制传输层对外连接lrm连接器和1
‑
4个数字信号处理器dsp传输串行差分模拟信号的；控制电路通过离散线对外连接lrm连接器和消息传递，通过定义了电气特性、链路控制和纠错重传的rapidio物理层控制电源转换电路加电和版本控制，单独和/或全部给1
‑
4个dsp的版本使能工作和其他芯片的加电独立工作，控制4个dsp的版本管理和温度、电压的采集，以太网电路使用网线和1
‑
4个dsp交换数据，网络交换电路接收数据，将数据分发给1
‑
4个dsp，用于程序加载更新，以太网电路调试1
‑
4个dsp信号，处理电路接收输入的差分信号，然后利用中断的方式将多通道高频数字信号同步处理数据不断传送到硬件设备usb端点接收缓存中，之后传送到上位机，usb外部设备直接访问该数据缓存区，传输数据的字节数和缓冲区地址。
16.以太网电路调试1
‑
4个dsp信号，将差分信号输入处理电路，然后利用中断的方式将多通道高频数字信号同步处理数据，不断传送到硬件设备usb端点接收缓存中，并传送到上位机，usb外部设备直接访问该数据缓存区，传输数据的字节数和缓冲区地址，完成16
‑
32路输入信号的处理。
17.参阅图3所示。电源转换电路包括：多通道信号处理子卡212v电源和多通道信号处理载板412v电源，多通道信号处理子卡2的12v电源通过ltm4650分别输出2路1.1v给dsp1和dsp2使用，通过ltm4644分别输出2路1.0v和2路1.8v给dsp1和dsp2使用。多通道信号处理子卡4的12v电源通过ltm4650分别输出2路1.1v给dsp3和dsp4使用，通过ltm4644分别输出2路1.0v和2路1.8v给dsp3和dsp4使用，通过ltm4650分别输出2路1.0v给dsp3和dsp4使用；另一个ltm4650分别输出2路1.0v给交换芯片和控制芯片使用。第二个ltm4644分别输出3路1.2v、2.5v、3.3v给以太网芯片使用，第三个ltm4644分别输出4路1.2v、3.3v、1.8v和3.3v给交换芯片和控制芯片使用。
18.dsp1和dsp2组成多通道信号处理子卡2，dsp3、dsp4连通以太网电路、网络交换电路、控制电路和电源转换电路组成多通道信号处理载板4。
19.如图4所示。优选的，dsp温度检测通过传感器lc423检测温度，使用i2c总线通过上报信号控制电路，通过控制电路自带的adc采集电路检测电压，采集后上报信号控制电路。
20.以上所述仅是实现一种多通道高频数字信号同步处理装置的优选实施方案，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。