以高速AD-I/O并数据处理为目标的多核 DSP应用技术实验教学体系建设*

王一博 余波

摘  要  湖南信息学院面向移动通信应用，以“高速AD-I/O并数据处理”作为DSP应用技术教学的终极目标，建设一间全新的DSP应用技术实验室，引进TL138F-TEB型DSP-FPGA-ARM三核教学实验箱作为主要教学器材，以求尽可能地逼近当今移动通信处理器的工作模式。同时，引进NI-USRP-2944软件无线电平台作为“原料”信号（OFDM）发生器，配置三套不同采样率的AD模块作为信号采集装置；建设配套的弱电网络系统，将高频模拟信号引入每台实验桌。在上述硬件条件下，着力建设一套重基础、跟前沿、可扩展的DSP实验教学体系。

关键词  高速AD-I/O并数据处理；DSP应用技术；实验室；实验教学体系；教学实验箱

中图分类号：G642.423    文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2022）16-0019-05

0  引言

DSP（digital signal processor）是一种面向密集计算且任务相对固定的专用微处理器。与通用处理器的复杂指令集相比，DSP通常采用精简指令系统，并使用硬件级译码。与X86处理器的冯·诺伊曼结构不同的是，DSP多基于数据总线和程序总线分立的哈佛结构而设计，在执行上一条指令的同时就可取出下一条指令，这大大提高了微处理器的速度。另外，多总线结构还允许在程序空间和数据空间之间进行并行传输，由此极大地增加了器件的数据吞吐带宽。有测试结果表明[1]，以456 MHz运行的TI-C674X单核DSP在1 024点FFT中的运算性能，达成以1 GHz运行的ARM Cortex-A15单核处理器在同规模FFT运算性能的大致两倍。

由于运算能力很强、速度快、体积小、功耗低，在过去的20多年时间里，DSP已经在通信、图像识别、视频处理等领域得到极为广泛的应用。尤其是移动通信进入3G、4G时代以来，以OFDM为核心的各类复杂调制、解调技术对手机中基带信号处理器的运算性能提出越来越高的要求。在此背景下，以TI C6000系列为代表的高性能通用DSP在软件无线电（SDR）领域的应用，逐渐成为各高校电子信息类学科的研究热点之一。正是基于手机基带信号处理器这一研究热点，湖南信息学院引进广州创龙电子科技有限公司的TL138F-TEB型DSP+FPGA+ARM三核教学实验箱作为本科实验教学设备，并计划以“高速AD-IO并数据处理”为终极目标来建设新型的DSP应用技术实验室。

1  DSP应用技术实验室的硬件建设

1.1  实验用DSP器件的选型

由于湖南信息学院新建的DSP应用技术实验室是以手机基带信号处理器为代表的软件无线电技术为研究目标，那么所选择的DSP实验器件应能仿真、再现当今流行的移动通信制式中的基带信号调制、解调过程。需要指出的是，出于成本、功耗和用户开发周期的考虑，当今移动通信设备中的主处理器并非TI-C6000系列为代表的高性能通用DSP，而是聚集了DSP、FPGA、ARM三种技术的片上系统（SOC）。其中，DSP负责OFDM解调算法中的核心计算部分——FFT，而FPGA作为协处理器，以流水线的形式完成串并转换、星座映射等环节的计算任务，DSP与FPGA所构成的整体，实际上就是基带信号处理器；ARM作为所解调出来的基带信号的应用端，能够运行Linux/Android操作系统且具有成熟研发生态圈，负责各种外设的管理和人机交互应用的运行。

由于手机处理器实际上是面向商业应用的SOC，其开发文档往往只向大客户（手机制造商）开放，不适于实验教学应用，因此必须在市面众多型号的通用处理器中选择一款可以仿真手机处理器的型号。该处理器应当基于（DSP+ARM）的结构（实验箱制造商加入配套的FPGA部分），应当具备3G/4G主流移动通信制式所要求的计算能力。最重要的，作为本科实验教学应用，该处理器应当具备健全的开发文档体系。基于此需求，TI推出的双（多）核异构处理器OMAPL138和66AK，成为新建DSP应用技术实验室的候选器件。综合考虑成本、文档丰富度、开发难易度，选择OMAPL138作为本科实验教学核心器件。

OMAPL138内部集成一个C674x定、浮点DSP核心和一个ARM9核心。其C674x-DSP核心提供了2.7 GFLOPS的计算能力[2]，按照1 000∶1的比例推算，它可以满足基带数据信号带宽为2 Mb/s的OFDM信号的解调运算需求[3]。从TI官方网站OMAPL138器件主页上数量众多的中文技术文档来看，当时（2010年起）TI的确做了大量工作以期其成为3G手机的主处理器，但由于随后（2013年）迅速普及的4G移动通信（基带数据信号带宽150 Mb/s）对手机基带信号处理器提出更高的要求（150 GFLOPS），仅靠多核DSP并行计算本身已经很难同时达成计算力和功耗这两个要求（C66系列计算力达标，但功耗超标）。能够定制流水线的FPGA协处理核心，加上面向大尺寸数组FFT计算的高性能DSP核心，逐渐成为手机基带信号处理器的基本结构。

“不谋全局者，不足以谋一域。”在当今各种移动通信技术蓬勃发展背景下，DSP应用技术教学也应当紧随时代潮流。志在通信研发岗位就业的学生，不仅需要学习以TI-C6000为代表的高性能DSP软硬件开发技术，也要学习DSP与FPGA、ARM的核间通信技术。TL138F-TEB型DSP-FPGA-ARM三核教学实验箱[4]可以满足学生的这种需求，学生在本科阶段先掌握这三种核心相关的基本实验操作和编程开发技能，在随后的研究生阶段可以在后继引进的66AK实验板上进一步掌握多核并行、核间通信知识，最终完成某一具有相当复杂度的软件无线电装置设计。

湖南信息学院新建DSP应用技术实验室所引进的实验设备包括后继的软硬件建设，均兼顾教学和科研两个功能。

1.2  “原料”信号数据来源的解决

如前所述，湖南信息学院新引进的TL138F-TEB型三核教学实验箱的任务之一，是尽可能地在实验教学中再现以OFDM技术为核心的移动通信基带信号调制、解调过程。自然的，在解调链条的起点上需要一台能够产生OFDM调制信号的仪器。经过广泛调研，引进NI-USRP-2944软件无线电平台[5]作为实验室的综合信号发生器，并利用高频模拟信号分配系统将其产生的OFDM调制信号分配到32台实验桌上，如图1所示。

NI-USRP-2944提供了一个用于高性能无线通信系统的集成软硬件解决方案。USRP RIO基于LabVIEW可重配置I/O架构，可以在10 MHz～6 GHz频率范围内实现多输入多输出（MIMO）、异构网络同步、LTE继电保护、RF压缩采样、频谱感知、认知无线电、波束形成和测向等功能。可以判定，未来很长一段时间内，NI-USRP-2944将是新建DSP应用技术实验室的主要信号发生设备。

OMAPL138内部的C674X-DSP核心除了可以胜任通信领域内以FFT为代表的密集浮点乘法运算外，还可以兼容C64X-DSP的定点运算指令，具备一定的视频编码、解码能力。因此，实验室还计划引入有线电视机顶盒高频头所输出的中频信号，该信号可作为那些视频信号处理相关科研项目或毕业设计的信号源。

利用高频模拟信号分配系统向每台实验桌投送模拟信号，是湖南信息学院新建DSP应用技术实验室的重要亮点之一。鉴于OMAPL138是面向3G移动通信基带解码应用的DSP，其配套的AD采样率不会超过100 MPS，故高频模拟信号分配系统采用10片深圳市胜海微科技有限公司的SHWPD4型信号分配器[6]达成1分32的效果。该信号分配器的通带频率为150 kHz～1 GHz，可以在很宽的频率单位内适应NI-USRP-2944所产生的OFDM调制信号。即使未来实验室引入面向4G移动通信基带信号处理任务的TI-C66系列DSP（典型AD采样率为200 MPS），这套高频模拟信号分配系统依然可以沿用。

对于150 kHz以下的模拟信号，这套信号分配系统将会产生可观的禁带衰减。不过此频率范围内的“原料”信号问题，将由实验用PC音频输出口和TL138F-TEB型教学实验箱自带信号发生器填补。

1.3  配套AD器件

应用于移动通信基带信号处理的DSP，基本上需要配置外部AD器件来采集各种类型的模拟信号。为此，湖南信息学院新建DSP应用技术实验室，为TL138F-TEB型教学实验箱配置三种不同采样率的AD器件。实验箱内的外设扩展板上集成一颗采样率为200 kHz的AD7606，该器件用于MP3编码实验，初学者据此可以熟悉AD采样的基本原理。此外，还向广州创龙电子科技有限公司定制两款外接于uPP扩展接口的中、高速AD模块，如图2所示。中速AD模块（AD8568，500 kHz）用于FPGA-DSP-ARM三核通信实验，该实验是学生掌握核间通信技术的关键实验。高速AD模块（AD9226，65 MHz）用于FPGA-DSP双核通信实验。该高速AD模块的采样率十分接近3G移动通信处理器的典型AD采样率，将是仿真3G基带信号处理任务（OFDM解调）的关键部件。

1.4  实验室弱电系统设计

湖南信息学院原有的DSP实验室中，实验PC机与实验箱的弱电线缆连接采用直连，没有任何弱电中转措施。实验者在每次实验中都需要搬动电脑进行连线。带电插拔不仅会增加设备损坏的风险，各种横跨线缆还会严重干扰实验操作。由于新建DSP应用技术实验室已经计划将高频模拟信号分配到每台实验桌的桌面，因此，完全可以顺势将实验PC机的各种弱电接口延伸至实验桌面，这样可以完美地避免线缆横跨的问题，如图3所示。

在上述弱电系统设置下，各种线缆被限制在实验桌有限的面积内，有效地避免了大跨度接线的设备损坏隐患，而且不会侵犯键盘、鼠标的操作空间，最大限度地留住初学者对于复杂的DSP应用技术的学习积极性。此外，实验用PC机均设置双网卡：内置千兆网卡用于组建高速局域网，实验者在做完每次实验后，现场提交实验结果作为评价依据，有效地解决抄袭实验报告的顽疾；外接百兆网卡用于与TL138F-TEB型教学实验箱运行的Linux系统通信，为开展物联网数据采集前端方面的设计型综合实验提供网络硬件支持。

2  DSP应用技术实验室的软件建设

2.1  软件建设的必要性

在湖南信息学院人才培养方案的相关课程中，DSP技术与应用的授课难度是位居前列的。DSP内部结构比较复杂，汇编指令系统比较烦琐，教学课时和教学条件有限，学生普遍反映学习起来比较枯燥、困难，无法将相关课程的内容有效地联系起来，达到融会贯通。湖南信息学院现有的DSP课内实验内容较为陈旧，且多为原理性或验证性内容，进而阻碍学生提升实践能力。而且，以往的DSP教学中理论课与实验课分立而行，学生学习效果不理想。计划新引入的TL138F-TEB实验箱固然带来更接近领域发展前沿的实验内容，但随之而来的理论难度、操作复杂性也显著提升。

通过与实验箱制造商的前期沟通，获得实验箱配套的实验指导书[4]。该实验指导书多达1 300余页，具有200多个实验。基于ARM+DSP+FPGA三核构架实验箱的操作复杂性，相对于学校原有DSP实验室的5509实验箱，有了数量级上的提高。在1 300余页的实验指导书中，ARM9通用处理器、高性能674X DSP以及Xilinx Spartan-6 FPGA处理器各自占据300余页的篇幅（另有近100页论述开发环境搭建，近300页论述双核、三核间通信）。而且，该实验箱所构建的硬件体系的最高AD-I/O速率已经达到65 MHz级别（面向3G移动通信基带信号处理），I/O线程与数据处理线程的有效协调也成为固件程序开发时必须考虑的问题，这是大部分DSP通行教材都没有讨论的问题。

显然，拟引进的TL138F-TEB实验箱应定位于教学、科研两用。作为对上述结论的取证，经过调研发现，知网上关于OMAP138处理器的应用研究论文[7-8]多集中于2015—2018年，具有相对较高的前沿性。同时，OMAP138系列处理器应用方面也累积了大量的中文资料，实验箱制造商[4]也提供了成体系的实验教学文档。与之对应的是，2018年开始，知网上陆续刊登了性能更为强大的C66X多核异构处理器的应用研究论文[9-10]，但目前（2022年3月）C66X列处理器相关的成体系实验教学中文文档较少，更适合作为研究生教学内容。

与TL138F-TEB实验箱厚达1 300余页的实验指导书以及急剧增大的操作难度相对应的是，湖南信息学院开设的DSP技术与应用（本）课程中的课内实验仅有8次、16课时（专科班的DSP技术与应用课程为16次，32课时）。单凭如此少的实验课时，无法让学生走完从开发环境搭建到高速I/O并数据处理这样一个完整教学流程。因此，与学校新建DSP应用技术实验室所引进的各种新型硬件相配套的是，相关的软件建设也应跟进，必须建设一个考虑理论授课内容进度的实验教学体系。该体系必须有效降低原实验指导书的教学难度，同时也应尽量保证对原有实验指导书预设教学内容的完整覆盖；针对部分对数字信号处理感兴趣的拔尖学生，应该为他们提供一个各种保障条件较为完善的DSP应用技术创新平台，同时要兼顾数量居多的中等学力学生群体，探索研究激励型DSP实验教学方法改革，力求课程学习者的整体进步。

2.2  建设重基础、跟前沿、可扩展的DSP实验教学体系

该实验教学体系包含课内实验实施方案、授课教案、操作视频、过程及结果考核方案等。该实验教学体系应充分考虑湖南信息学院大部分学生的实际情况，能在授课信息量显著增长的情况下留住学生的学习积极性。更重要的是，该实验教学体系更应为那些学有余力的学生设置足够的发挥空间，让他们充分接近DSP应用技术领域的发展前沿。此外，该实验教学体系还应包含针对所有实验设备的综合性保养、维护方案。

2.3  打造面向信号处理课程群服务的DSP应用技术创新平台

根据新建的DSP技术实验室的软硬件环境，详细构建DSP实验教学与信号处理课程群中的各前导、后继课程的联动；以“即学即用”为目标，从信号处理课程群中总结出具有挑战性的验证性DSP实验课题，作为新进实验箱原有预设实验项目（厂商提供）所配套的进阶训练，推动学生展开自主学习；从相关科研、竞赛项目中提炼出具有一定研究性质的综合设计型课题，作为课程考核改革方案的一部分，全力激发学生的学习能动性，使其在努力寻求通过课程考核的基础上，深度参与DSP应用技术方面的创新活动。

2.4  探索研究激励型DSP实验教学方法改革

探索中等学力学生群体（人数最多）的专业交流语境，以期找到激发这部分学生展开自主研究学习的共同话题，进而实现对预设的研究型实验课题的引导；探索预设实验实施方案中的操作难点，根据中等学力学生的既有认知水平来确定实验指导策略，既要防止粗放式指导所带来的学生思维脱线，也要防止精细式指导对于学生主观思考能动性的压制；探索实验报告撰写方式改革，引导学生在实验课结束前的一段时间内生成电子版的实验报告，既能够有效解决学生相互抄袭实验报告的顽疾，又能够为学生的课后自主学习腾出充裕的时间。

3  结束语

随着时代的发展，当今DSP的主要应用多集中在以软件无线电编码解码、图像视频采集处理等领域。显而易见，这些领域内所使用的DSP都涉及高速的数据吞吐。而在低速应用领域，如音频处理等，DSP的角色正逐渐被MCU或通用处理器所取代。在高速应用中，作为“原料”的数据多由高速AD器件所采集。因此，当今DSP应用技术中的主要难点，就是DSP与高速AD器件之间的配合，以及各核心之间的协调与通信，这是当今国内很多DSP应用技术方面的通行教材所缺失的。相反，通行教材却把教学重点划定在硬件结构、指令体系中，教学内容与信号处理实际应用脱节，与示例源程序代码解析脱节。

为此，湖南信息学院面向移动通信应用，新建DSP应用技术实验室，将“高速AD-I/O并数据处理”作为湖南信息学院DSP应用技术教学的终极目标。根据此目标，引进TL138F-TEB型DSP+FPGA+ARM三核教学实验箱，同时引进相应的软件无线电平台作为“原料”信号发生器，配置不同采样率的AD模块，并建设配套的弱电网络系统，将高频模拟信号引入每台实验桌。在如此硬件条件下，建设重基础、跟前沿、可扩展的DSP实验教学体系，既针对部分对数字信号处理感兴趣的拔尖学生，打造一个各种保障条件较为完善的DSP应用技术创新平台，又兼顾数量最多的中等学力学生群体，探索研究激励型DSP实验教学方法改革，力求课程学习者的整体进步。

参考文献

[1] 路锦正，张红英，李强.C674x-DSP嵌入式开发与实践[M].北京：科学出版社，2019.

[2] TI. OMAP-L138 DataSheet[EB/OL].[2022-01-02].https：//www.ti.com.cn/product/cn/OMAP-L138#tech-docs.

[3] 崔颖，刘佩林.面向无线基带处理的多核处理器的基准程序设计集[J].计算机与现代化，2013（4）：142-147.

[4] 广州创龙电子科技有限公司.TL138F-TEB型教学实验箱[EB/OL].[2022-01-02].https：//www.tronlong.com/Product/show/153.html.

[5] 赵晶怡.基于NI USRP-RIO的MIMO-OFDM系统物理层关键技术研究与实现[D].郑州：郑州大学，2017.

[6] 150KHz-1000MHz超低频 超宽带 高指标 射频微波 SMA一分四功分器[EB/OL].[2022-01-02]https：//item.taobao.com/item.htm？spm=a1z0d.6639537.1997196601.37.337b7484x4BHiz&id=643087450821.

[7] 谢维波，贺文强.基于OMAPL138的视频监控烟雾检测系统[J]计算机工程与应用，2015，51（20）：183-187.

[8] 卜云祥.基于DSP-ARM双核CPU的塞拉门控制器研制[D].江苏：江苏科技大学，2018.

[9] 陈术涛.多核DSP与FPGA高速数据传输系统设计与实现[J].嵌入式技术，2018，44（12）：40-43.

[10] 李赫.基于TMS320C6678多核DSP的LTE无线网络系统优化技术研究[D].南京：南京航空航天大学，2019.

*项目来源：湖南信息学院校级教育教学研究项目“基于研究激励型实验教学的新型多核DSP应用技术创新平台建设”（项目编号：XXY021ZXYB08）。

作者：王一博，湖南信息学院电子科学与工程学院，副教授，研究方向为电力载波通信技术；余波，湖南信息学院电子科学与工程学院（410151）。