葉桂林（北京圣非凡電子系統(tǒng)技術(shù)開發(fā)有限公司北京102209）

基于M TCA架構(gòu)的軟件無線電體系結(jié)構(gòu)研究?

葉桂林
（北京圣非凡電子系統(tǒng)技術(shù)開發(fā)有限公司北京102209）

軟件無線電體系結(jié)構(gòu)是實現(xiàn)軟件無線電的具體設(shè)計結(jié)構(gòu)，包括硬件和軟件體系結(jié)構(gòu)兩個方面，是軟件無線電技術(shù)的核心。論文研究了一種基于MTCA硬件架構(gòu)、遵循SCA軟件規(guī)范的軟件無線電軟硬件體系結(jié)構(gòu)，并提出了具體的設(shè)計方法。

軟件無線電；體系結(jié)構(gòu)；MTCA；SCA

Class Num ber TN925

1 概述

軟件無線電技術(shù)是無線通信領(lǐng)域從模擬通信到數(shù)字通信、從固定通信到移動通信后的第三次革命，它的特點是基于統(tǒng)一的、開放的、可方便擴充的硬件平臺，而將盡可能多的無線電功能用軟件加以定義和實現(xiàn)［1］。

軟件無線電體系結(jié)構(gòu)是無線電技術(shù)的核心，因此，實現(xiàn)軟件無線電的具體設(shè)計結(jié)構(gòu)，包括硬件、軟件和接口協(xié)議等，研究在現(xiàn)有的技術(shù)條件下，如何最大程度地實現(xiàn)軟件無線電所要求的通用性和靈活性一直是國內(nèi)外的研究熱點［2］。

本文研究了一種基于MTCA硬件架構(gòu)、遵循SCA軟件規(guī)范的軟件無線電體系結(jié)構(gòu)，該體系結(jié)構(gòu)具有總線簡單、高吞吐率、通用性強、軟件可自動加載、智能管理等優(yōu)點，具有廣泛的應(yīng)用價值和實現(xiàn)意義。

2 硬件體系結(jié)構(gòu)

關(guān)于硬件體系結(jié)構(gòu)的劃分，通常有兩種方法：一種是按照硬件平臺的物理介質(zhì)劃分，如以DSP、FPGA、通用處理器等為基礎(chǔ)進行數(shù)字信號處理的體系結(jié)構(gòu)。另一種是按照系統(tǒng)中各功能模塊的連接方式劃分，即各功能單元如何互聯(lián)組成一個開放的可擴展的標(biāo)準(zhǔn)硬件平臺，如流水線結(jié)構(gòu)、總線式結(jié)構(gòu)、交換式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)等［1］。常見的總線式結(jié)構(gòu)包括PCI總線、VME總線等，但PCI、VME等總線帶寬窄、吞吐率低，不能滿足高速傳輸?shù)囊螅?~4］，因此研究一種高吞吐率、高帶寬的軟件無線電架構(gòu)很有必要，本文著重研究了一種基于MTCA硬件架構(gòu)的總線體系結(jié)構(gòu)。

2.1 M TCA標(biāo)準(zhǔn)

MTCA（Micro Telecom Computing Architecture）是PICMG（PCI Industrial Computer Manufacturers Group）補充標(biāo)準(zhǔn)，2005年P(guān)ICMG在ATCA（AdvanceTelecom Computing Architecture）的基礎(chǔ)上提出的。ATCA是第一個由電信專家專為電信應(yīng)用設(shè)計的計算平臺標(biāo)準(zhǔn)，它由一系列規(guī)范組成，包括一個核心規(guī)范PICMG3.0和五個輔助規(guī)范PICMG3.1、3.2、3.3、3.4、3.5。其中核心規(guī)范定義了板對板通訊的點對點聯(lián)接方式，而輔助協(xié)議定義了點對點連接的協(xié)議、規(guī)范。目的是為了解決電信系統(tǒng)面臨的系統(tǒng)帶寬、高可用性、現(xiàn)場升級、可伸縮性、可管理性以及可互操作等問題［5］。

ATCA是一種標(biāo)準(zhǔn)的、開放的體系結(jié)構(gòu)，可以提供比較好的性能和可靠性、可擴展性、可管理性，再配合使用AMC（Advanced Mezzanine Card）載板和各種類型的AMC板卡，達到快速部署、快速提高處理能力以及快速增加接口能力的目的，而MTCA規(guī)范定義了直接使用AMC卡插入背板組成系統(tǒng)的需求，本質(zhì)上是對ATCA和AMC在更小尺寸上的重新封裝［6］?；贛TCA的平臺支持高速串行總線和智能機箱管理，在板卡尺寸、功耗、總線速率、背板設(shè)計、供電管理和機箱管理上較傳統(tǒng)總線標(biāo)準(zhǔn)更有優(yōu)勢，被視為未來中小型設(shè)備的主流平臺。

2.2 基于M TCA的硬件體系架構(gòu)

軟件無線電基本宗旨是利用數(shù)字信號處理技術(shù)代替現(xiàn)在的主要模擬信號處理，通過智能天線、寬帶RF器件、寬帶模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）及數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC），利用通用可編程處理器實現(xiàn)IF、基帶及比特流處理［7］。在一個復(fù)雜的軟件無線電系統(tǒng)中，一方面實時的信道數(shù)字信號處理要求快速、高密集的計算，另一方面需要實現(xiàn)多信道的并行處理和同步處理?；贛TCA架構(gòu)搭建的軟件無線電硬件平臺如圖1所示，根據(jù)目前的數(shù)字信號處理器件及模擬器件的技術(shù)水平，并結(jié)合當(dāng)前我國軍用電臺的硬件結(jié)構(gòu)，采用中頻采樣數(shù)字化結(jié)構(gòu)，即天線接收/發(fā)射的射頻信號經(jīng)過射頻前端變換到中頻。

一個基礎(chǔ)的MTCA平臺應(yīng)包含：電源板、制冷板、交換板（MicroTCA Carrier Hub），根據(jù)系統(tǒng)業(yè)務(wù)需要，可靈活配置最多12個AMC板卡［8~9］，如中頻板、上下變頻板、信號處理板、系統(tǒng)板等，各板卡符合PICMG AMC.0、AMC.1、AMC.2、AMC.3標(biāo)準(zhǔn)，通過IPMI（Intelligent Platform Management Interface）總線實現(xiàn)互連和數(shù)據(jù)交換，板卡之間通過金手指進行互聯(lián)。

1）電源板：給每個AMC單元板提供1路+12V負載電源、1路+3.3V管理電源，并通過管理總線接受系統(tǒng)板的管理；

2）交換板：高速數(shù)據(jù)交換的中樞以及機箱智能管理，完成路由維護、數(shù)據(jù)交換以及實時監(jiān)控溫度數(shù)據(jù)，控制散熱單元各風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)節(jié)能、降噪、延長風(fēng)扇使用壽命的目標(biāo)；

3）制冷板：用于機箱散熱，并通過管理總線接受系統(tǒng)板的管理；

4）中頻板：主要完成信號的模數(shù)轉(zhuǎn)換及數(shù)字上/下變頻，實現(xiàn)中頻信號與基帶信號轉(zhuǎn)換，通過背板高速總線實現(xiàn)與信號處理板的信息交換；

5）信號處理板：完成數(shù)字信號的高速處理，如信號的調(diào)制解調(diào)、編解碼等，一個機箱可以同時配置多塊信號處理板；

6）安全保密板：安全保密功能；

7）系統(tǒng)板：運行操作系統(tǒng)，為波形應(yīng)用提供標(biāo)準(zhǔn)的接口和服務(wù)，并控制和管理波形應(yīng)用的安裝、加卸載、配置以及與機箱外部信息交互等。

3 硬件設(shè)計

3.1 中頻采樣和輸出

軟件無線電體系結(jié)構(gòu)的一個重要特點是將中頻進行數(shù)字化，以將其變換成適合DSP或PC機處理的數(shù)字信號，這就要求A/D盡量靠近射頻前端，并且要具有較高的采樣速率和工作帶寬。本平臺選用AD公司推出的14bit并行模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AD9240對中頻信號采樣，最高采樣速率可達10MSPS。采樣后的數(shù)字信號經(jīng)FPGA進行下變頻處理后，送給DSP芯片進行基帶處理；數(shù)字上變頻和D/A轉(zhuǎn)換電路選用AD公司的AD9957，該芯片集成了高速DDS及14bit D/A轉(zhuǎn)換功能，經(jīng)過DSP形成的基帶信號經(jīng)過FPGA傳輸給AD9957，進行上變頻和D/A轉(zhuǎn)換，輸出中頻信號。中頻采樣和輸出電路如圖2所示。

3.2 高速信號處理電路

為了滿足高速數(shù)字信號處理要求，平臺采用通用處理器GPP+高速信號處理器DSP+可編程邏輯器件FPGA的數(shù)字信號處理電路，部署于各業(yè)務(wù)板卡。GPP選用Freescale公司Powerpc架構(gòu)下的雙核處理器P2020，具有1.2GHz的時鐘頻率，并集成了豐富的外部高速接口，包括千兆以太網(wǎng)接口，Rapi?d IO接口等；DSP選用TI公司的TMS320C6455和AD公司的ADSP21469進行并行處理，TMS320C6455時鐘頻率為1.2GHz，16位定點處理能力為9600MMAC/S，ADSP21469屬于第四代SHARC處理器系列，具有450MHz/2700MFLOPS的高性能處理能力；FPGA選用Xinlinx公司的可編程邏輯芯片XC5VSX95T，以太網(wǎng)交換選用MARVELL的三層交換芯片88E6165，Rapid IO交換使用交換芯片CPS1616，該芯片可以支持16個串行Rapid IO端口，支持最高速率6.25Gbps。高速數(shù)字信號處理平臺結(jié)構(gòu)如圖3所示。

板內(nèi)高速信號處理：該平臺以兩片DSP芯片為核心數(shù)字信號處理框架，DSP芯片之間通過SPORT接口進行通信，完成信號的并行運算處理；POW?EPC運行操作系統(tǒng)，為波形應(yīng)用提供標(biāo)準(zhǔn)的接口和服務(wù)，并控制和管理波形應(yīng)用加載、卸載和配置；而FPGA作為協(xié)處理器，主要完成POWERPC和DSP之間的高速數(shù)據(jù)傳輸和接口轉(zhuǎn)換功能，POWERPC通過BUS總線與FPGA連接，經(jīng)過FPGA轉(zhuǎn)換成HPI接口和LINK接口，控制波形自動加載到DSP。P2020、XC5VSX95T、TMS320C6455之間通過Rapi?d IO接口實現(xiàn)高速信號的板內(nèi)傳輸，支持高達3.125Gbit/s的傳輸速率。

背板高速總線設(shè)計：基于MTCA的平臺采用一種全新的互聯(lián)結(jié)構(gòu)，通過高速串行總線將中頻板、各數(shù)字信號處理板、安全保密板、系統(tǒng)板、電源板、交換板等進行互聯(lián)，MTCA背板給每個AMC子卡提供21個端口數(shù)據(jù)通路，包含GBE端口、Rapid IO端口、PCIE端口、SATA端口等。該平臺背板總線支持2路GBE以太網(wǎng)接口（port1，port2），可實現(xiàn)千兆以太網(wǎng)通信；2路Rapid IO接口（port4，port8），單路支持最大3.125Gbps的信息速率。其中，POWER?PCP2020處理器集成了以太網(wǎng)控制器，通過SGMII接口與網(wǎng)絡(luò)交換芯片連接，Rapid IO高速總線通過RapidIO交換芯片實現(xiàn)，每個通信芯片都會分配一個唯一的ID號，通過交換芯片實現(xiàn)路由和交換功能，從而實現(xiàn)高速信號的板間傳輸。

3.3 機箱管理功能

MTCA架構(gòu)的優(yōu)越性還在于其先進的機箱管理功能，機箱的智能管理功能通過MCH交換板實現(xiàn)，電源管理分兩個階段，在電源初期上電階段，電源處于自動管理模式，在該階段，電源板自動給MCH交換板和AMC子板上電，不受MCH的控制和管理，第二階段為MCH參與管理階段，此時，電源板自動退出管理模式，所有的負載模塊必須接受MCH的控制和管理，通過電源板給各子板提供12V負載電源（Payload Power）以及3.3V管理電源［10］（Management Power）。

平臺中各AMC子卡通過電源管理功能模塊將本板的溫度、電壓、電流等信息通過背板IPMB-L總線上報給MCH板，MCH根據(jù)所接收到的信息控制AMC板的上電、電壓監(jiān)測、溫度控制以及熱插拔功能。電源管理功能模塊采用LPC3250微處理器作為主CPU，外擴64MB的SDRAM和128MB的FLASH存儲器，支持兩路I2C總線接口，一路I2C用于與MCH板通信，通信協(xié)議遵循IPMI2.0協(xié)議，實現(xiàn)MCH板對AMC子板的管理功能；另一路用于連接多路數(shù)字溫度傳感器，從而實現(xiàn)對溫度的實時監(jiān)控功能；同時通過微處理器的GPIO接口實現(xiàn)熱插拔控制及電源指示，PS0#和PS1#信號用于檢測MCH板是否存在。電源管理功能實現(xiàn)框圖如圖4所示。

4 軟件體系架構(gòu)

基于MTCA架構(gòu)的軟件無線電平臺，在通用硬件平臺上構(gòu)建開放式波形軟件運行平臺，便于波形應(yīng)用安裝、部署和集成。該平臺軟件采用SCA架構(gòu)，SCA架構(gòu)是一個層次化的體系結(jié)構(gòu)，分為六層，由下到上分別為總線驅(qū)動層、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議層和接口服務(wù)層、操作系統(tǒng)層、CORBA中間件層、核心框架層、應(yīng)用層［11~12］，在該體系架構(gòu)中，系統(tǒng)的配置與管理以及各功能組件間的交互是通過已定義的標(biāo)準(zhǔn)API接口實現(xiàn)的，在具體實現(xiàn)時，該結(jié)構(gòu)允許通過加載不同的編碼對象、調(diào)制對象、上下變頻對象等來實現(xiàn)在不同通信模式、不同通信頻段間的靈活切換，并通過IPMI總線控制技術(shù)實現(xiàn)各模塊的互聯(lián)，基于該架構(gòu)，實現(xiàn)了三種不同通信波形的自動加載和應(yīng)用。軟件體系架構(gòu)如圖5所示。

1）總線層

MTCA技術(shù)平臺的背板為每個單元模塊提供AMC.1、AMC.2及AMC.3總線交換，通過插入不同的AMC子卡，可以實現(xiàn)不同的業(yè)務(wù)功能，進而達到業(yè)務(wù)擴展的目的。總線標(biāo)準(zhǔn)支持當(dāng)今高速串行總線技術(shù)中的GBE、Rapid IO、PCIE、StarFabric、In? finiband、SATA中的任意類型。

2）網(wǎng)絡(luò)和串行接口服務(wù)

網(wǎng)絡(luò)和串行接口服務(wù)提供面向各種硬件模塊的底層接口封裝，如千兆以太網(wǎng)、Rapid IO接口設(shè)備驅(qū)動程序、操作系統(tǒng)支撐軟件等。其主要目的是為了支持操作系統(tǒng)，使之能夠更好地運行于不同的硬件平臺上。

3）操作系統(tǒng)

該層用于為嵌入式應(yīng)用程序提供多進程、多線程支持，屏蔽不同硬件平臺的差異，為上層軟件提供標(biāo)準(zhǔn)的硬件訪問接口和基本的操作系統(tǒng)服務(wù)，使得上層應(yīng)用軟件具備設(shè)備無關(guān)性，一般選用實時操作系統(tǒng)如VxWorks等。

4）CORBA中間件

CORBA中間件，位于應(yīng)用層和底層硬件、協(xié)議棧、操作系統(tǒng)之間，CORBA把應(yīng)用程序與所依附的系統(tǒng)底層細節(jié)隔開，屏蔽了平臺間操作系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的不同，屏蔽了處理器間通信方式的不同，屏蔽了底層系統(tǒng)平臺的實現(xiàn)細節(jié)。支持不同編程語言所開發(fā)的應(yīng)用組件進行無縫通信，從而使軟件開發(fā)者可以方便地訪問多種平臺上的對象和資源。

5）核心框架服務(wù)

核心框架是整個軟件體系的核心，為波形應(yīng)用提供標(biāo)準(zhǔn)的接口和服務(wù)，并控制和管理波形應(yīng)用的安裝、加卸載、配置。它為波形應(yīng)用提供了對底層軟件和硬件的更高層次抽象，為波形應(yīng)用組件/設(shè)備的自動裝配、智能化管理定義了統(tǒng)一的接口，包括基本應(yīng)用接口、框架控制接口、框架服務(wù)接口和配置文件，從而保持了波形應(yīng)用組件實現(xiàn)的獨立性，提高波形應(yīng)用組件的可移植性。

6）應(yīng)用層

這一層主要指波形應(yīng)用組件層，每個波形應(yīng)用組件完成無線通信中相對完整的獨立功能處理，它由核心框架中定義的一個或多個Resource組成，并通過Resource接口來控制和配置，在系統(tǒng)運行時，可被動態(tài)加載到對應(yīng)的硬件處理模塊中，并支持動態(tài)配置功能。

5 結(jié)語

軟件無線電體系架構(gòu)包含硬件平臺和軟件體系架構(gòu)，本文提出了一種軟件無線電體系結(jié)構(gòu)，并對其硬件和軟件實現(xiàn)方法進行了詳細的設(shè)計和論述。該體系結(jié)構(gòu)在硬件上采用MTCA架構(gòu)、軟件上基于SCA規(guī)范進行設(shè)計，具有總線形式簡單、速率高、抗干擾能力強、波形應(yīng)用軟件的可移植和可重用等特點，可滿足多通信平臺的要求，具有廣泛的應(yīng)用價值和實現(xiàn)意義。

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Research of Software Radio Architecture Based on MTCA

YEGuilin
（Beijing Shengfeifan Electronic System Technology DevelopmentCo.，Ltd，Beijing 102209）

software radio，architecture，MTCA，SCA

TN925 DO I：10.3969/j.issn.1672-9730.2017.05.004

2016年11月7日，

2016年12月18日

葉桂林，男，碩士，工程師，研究方向：短波通信技術(shù)。

Abstrct Software radio architecture is the specific design structure of software radio，including hardware architecture and software architecture，it is the core of software radio.This paper gives an introduction of hardware architecture based on MTCA and software architecture based on SCA.The concrete design idea is put forward.