趙秋明，胡曉鵬

（桂林電子科技大學(xué) 信息與通信學(xué)院，廣西 桂林 541004）

0 引言

在現(xiàn)代的信息社會(huì)，無(wú)線通信無(wú)處不在，人們對(duì)無(wú)線電通信的需要也呈指數(shù)倍增。各種類型的無(wú)線通信不斷出現(xiàn)，如數(shù)據(jù)通信、語(yǔ)音通信、圖像通信、廣播通信、應(yīng)急通信等。傳統(tǒng)的無(wú)線電通信系統(tǒng)主要使用專用的ASIC硬件芯片來(lái)搭建，這種系統(tǒng)不僅不可重構(gòu)，系統(tǒng)升級(jí)價(jià)格昂貴，而且系統(tǒng)功能單一，無(wú)法勝任現(xiàn)今高速發(fā)展的無(wú)線通信的要求。隨著嵌入式處理器以及可編程邏輯推廣，一種新的無(wú)線電體系——軟件無(wú)線電技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，這種系統(tǒng)可以在一個(gè)硬件平臺(tái)下整合多種通信系統(tǒng)，通過(guò)軟件的方式來(lái)配置和切換。本文主要提出一種基于SCA中間件架構(gòu)的軟件無(wú)線電系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，并詳細(xì)介紹其中軟件無(wú)線電系統(tǒng)控制主板硬件系統(tǒng)框架和結(jié)構(gòu)。

1 SCA軟件無(wú)線電典型框架

圖1為SCA軟件無(wú)線電典型框架，系統(tǒng)主要由數(shù)字子系統(tǒng)、A/D和D/A子系統(tǒng)、模擬子系統(tǒng)組成[1]。

數(shù)字子系統(tǒng)是一種由多個(gè)處理器或者可編程邏輯芯片組成的分布異構(gòu)系統(tǒng)，包括了一些實(shí)際的核心硬件芯片以及運(yùn)行在其上的軟件集合。這些核心硬件芯片主要包括通用處理器（GPP）、數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）、現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FPGA）和特殊應(yīng)用集成電路（ASIC）。由于背離軟件無(wú)線電的初衷，并且缺乏軟件可配置性和靈活性，ASIC芯片并不推薦使用。操作系統(tǒng)以及核心框架主要是運(yùn)行在GPP或者DSP上的，而波形文件是一種負(fù)責(zé)在異構(gòu)系統(tǒng)中模塊與模塊之間通信的文件，主要由通用性、兼容性良好的接口定義語(yǔ)言（IDL）所描述。

A/D，D/A子系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)軟件無(wú)線電中頻信號(hào)的處理以及模數(shù)/數(shù)模轉(zhuǎn)換。模擬子系統(tǒng)主要由混頻器、射頻放大器和天線組成，主要實(shí)現(xiàn)中頻模擬信號(hào)與射頻模擬信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換、射頻模擬信號(hào)的放大以及無(wú)線電信號(hào)的接收和發(fā)射。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

該軟件無(wú)線電系統(tǒng)主要采用獨(dú)立于計(jì)算機(jī)的方案進(jìn)行設(shè)計(jì)，系統(tǒng)并不依賴計(jì)算機(jī)主機(jī)，但預(yù)留有與計(jì)算機(jī)之間的通信接口。軟件無(wú)線電硬件系統(tǒng)主要是由數(shù)字系統(tǒng)主板、中頻A/D和D/A子板、射頻收發(fā)子板這3部分組成。本文只介紹軟件無(wú)線電平臺(tái)的數(shù)字系統(tǒng)主板的電路設(shè)計(jì)方案。

數(shù)字系統(tǒng)主板是整個(gè)軟件無(wú)線電框架中最核心的部分，它主要完成4個(gè)部分功能：1）系統(tǒng)的軟件管理和配置；2）操作系統(tǒng)和軟件無(wú)線電核心框架以及波形文件的生成；3）數(shù)字基帶信號(hào)的生成和處理；4）實(shí)現(xiàn)數(shù)字基帶信號(hào)的上變頻與數(shù)字中頻信號(hào)的下變頻。

按照以上功能來(lái)劃分本系統(tǒng)主要由2個(gè)部分組成：1）嵌入式子系統(tǒng)，主要完成上述的前兩項(xiàng)功能；2）FP?GA數(shù)字子系統(tǒng)，主要實(shí)現(xiàn)上述后兩項(xiàng)功能。

3 嵌入式系統(tǒng)

嵌入式系統(tǒng)的主要功能是實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)軟件無(wú)線電系統(tǒng)的管理以及生成軟件無(wú)線電的波形文件，系統(tǒng)框圖如圖2所示。

為了減少系統(tǒng)硬件的復(fù)雜度，同時(shí)避免多個(gè)異構(gòu)芯片通信所增加的不必要系統(tǒng)開(kāi)銷，本文主要采用DaVinci平臺(tái)的視頻處理器TMS320DM6446作為核心處理器[2]。該芯片是TI公司推出的一款高集成度的SoC視頻嵌入式處理芯片，芯片內(nèi)部包含一個(gè)ARM子系統(tǒng)，一個(gè)DSP子系統(tǒng)，一個(gè)視頻處理子系統(tǒng)（VPSS）以及豐富的外設(shè)接口。其中ARM子系統(tǒng)采用ARM926EJ-S核，主頻可達(dá)297 MHz，DSP子系統(tǒng)采用C64+核，主頻可達(dá)594 MHz，單位周期指令數(shù)更是高達(dá)4 752 MI/s。這款芯片由于集成了帶MMU功能的ARM9內(nèi)核，常用的嵌入式操作系統(tǒng)（如Linux，WinCE，VxWorks）都可以移植到該平臺(tái)上，并且ARM和DSP可通過(guò)TI提供的Codec Engine實(shí)現(xiàn)無(wú)縫通信，在具有強(qiáng)大系統(tǒng)管理功能的同時(shí)提供高速的數(shù)據(jù)傳輸以及強(qiáng)大的數(shù)字信號(hào)處理能力，可以滿足各種苛刻的實(shí)時(shí)性環(huán)境要求[3]。

按照嵌入式子系統(tǒng)的功能細(xì)分，又可將該系統(tǒng)分為存儲(chǔ)器模塊、外設(shè)接口模塊以及嵌入式系統(tǒng)與FPGA數(shù)字系統(tǒng)通信模塊這3部分。

3.1 存儲(chǔ)器模塊

存儲(chǔ)器模塊是軟件管理中的系統(tǒng)信息以及軟件無(wú)線電波形文件存儲(chǔ)的硬件載體，包括系統(tǒng)內(nèi)存部分以及大容量Nand Flash存儲(chǔ)器部分。系統(tǒng)內(nèi)存部分采用兩片Micron公司的MT47H64M16HR芯片構(gòu)成32 bit位寬，容量為256Mbyte的DDR2外部隨機(jī)存儲(chǔ)器，MT47H64M16HR芯片支持多種CL（CAS Latency）設(shè)置，最高可支持到DDR2-1066標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘速率。DM6446只提供8 kbyte的數(shù)據(jù)ROM，用于存儲(chǔ)少量啟動(dòng)代碼，所以必須外擴(kuò)大容量的持久性存儲(chǔ)芯片，Nand Flash具有寫和擦寫速度快的特點(diǎn)，而且容量比較大，十分適合作為大容量塊設(shè)備來(lái)使用。本文采用三星公司的K9K4G08Q0M芯片，該芯片的容量為512 Mbyte，位寬為8 bit。

3.2 外設(shè)接口模塊

DM6446提供了豐富的外圍設(shè)備接口，可以根據(jù)用戶的需要擴(kuò)展不同的應(yīng)用。在本設(shè)計(jì)中，主要使用了以太網(wǎng)介質(zhì)訪問(wèn)和數(shù)據(jù)管理輸入/輸出接口（EMAC/MDIO）、異步串口（UART）、音頻串行接口（ASP）、視頻處理后端接口（VPBE）、通用串行總線接口（USB）以及SD/MMC控制接口[4]。

以太網(wǎng)物理層芯片采用Intel公司的LXT971芯片，支持MII和MDIO接口，提供10/100M自適應(yīng)快速以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)支持。由于DM6446自身集成了硬件的以太網(wǎng)MAC層協(xié)議，所以可以很方便地移植TCP/IP協(xié)議棧，進(jìn)行各種網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)。

異步串口搭配MAX232芯片進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，不僅可以應(yīng)用于各種軟件的調(diào)試，而且可以作為與PC通信的接口來(lái)使用。音頻串行接口搭配TI公司的立體聲音頻轉(zhuǎn)換芯片PCM3008T，提供16 bit高質(zhì)量的模擬音頻編解碼。在實(shí)際設(shè)計(jì)的電路中搭配了150 mW的音頻功率放大器TPA6111，可實(shí)現(xiàn)高保真的立體聲音頻輸出。

由于DM6446帶有完整的圖像處理子系統(tǒng)（VPSS），所以可以用其中的VPBE部分搭建VGA視頻標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議來(lái)傳輸數(shù)字圖像信息。傳輸數(shù)字圖像的基本原理是將視頻數(shù)據(jù)流通過(guò)VPFE轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，通過(guò)VPBE模塊將模擬信號(hào)分離出紅、綠、藍(lán)3種基色信號(hào)，分別輸送給VGA接口，再由FPGA提供高頻的場(chǎng)同步和行同步信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)視頻數(shù)據(jù)流在顯示設(shè)備上顯示。

USB接口和SD/MMC接口可用來(lái)擴(kuò)展移動(dòng)式存儲(chǔ)介質(zhì)，比如U盤和SD卡，另外也可以作為無(wú)線網(wǎng)卡的接口來(lái)使用，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)線局域網(wǎng)（WLAN）應(yīng)用。

3.3 嵌入式系統(tǒng)與FPGA數(shù)字系統(tǒng)通信模塊

軟件無(wú)線電的一個(gè)重要難點(diǎn)是要如何解決高效的，在各種分布式異構(gòu)平臺(tái)和器件之間傳輸波形文件，所以嵌入式系統(tǒng)與FPGA數(shù)字系統(tǒng)通信模塊的任務(wù)主要是解決DSP和FPGA這兩個(gè)異構(gòu)器件之間通信的問(wèn)題。

TI公司的EMIF接口協(xié)議可以很好地解決這個(gè)問(wèn)題。EMIF可以支持最大128 Mbyte的尋址空間，工作時(shí)鐘速率高達(dá)100 MHz，提供8/16 bit的并行數(shù)據(jù)接口。本文在FPGA端利用邏輯資源建立ASRAM寄存器組，并利用DM6446的EMIF接口把FPGA作為一個(gè)外部存儲(chǔ)器來(lái)使用。這樣就可以在FPGA和DSP之間建立高速通信通道，傳送一些數(shù)據(jù)量較大的通信數(shù)據(jù)。

TI公司提供了另一種高效的串行通信接口VLYNQ，它占用管腳數(shù)少，支持8/10 bit編碼，工作在全雙工模式下，總線時(shí)鐘最高可達(dá)到125 MHz。利用Xilinx公司提供的VLYNQ的IP核，可以很方便地與DM6446建立通信鏈路，傳送一些數(shù)據(jù)量較小的控制信令。

4 FPGA數(shù)字系統(tǒng)

FPGA數(shù)字系統(tǒng)主要完成3個(gè)部分工作：1）負(fù)責(zé)接收從嵌入式子系統(tǒng)中傳輸過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)以及控制信令，并把傳送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)封裝成幀，生成數(shù)字基帶信號(hào)波形。2）根據(jù)接收到的控制信令，對(duì)數(shù)字基帶信號(hào)進(jìn)行編碼以及調(diào)制，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)字基帶信號(hào)的數(shù)字上變頻，并通過(guò)接口將上變頻后的數(shù)字信號(hào)傳送給中頻A/D，D/A子板進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換。3）接收從中頻A/D，D/A子板經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換的中頻數(shù)字信號(hào)，對(duì)中頻數(shù)字信號(hào)的載波和符號(hào)進(jìn)行提取，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)中頻數(shù)字信號(hào)的數(shù)字下變頻、解調(diào)以及解碼，還原原始基帶信號(hào)波形。

FPGA數(shù)字系統(tǒng)采用了Xilinx公司最新的Spartan-6系列FPGA。該系列產(chǎn)品具有許多過(guò)去系列不可比擬的優(yōu)點(diǎn)。Spartan-6系列FPGA采用低功耗的45 nm工藝技術(shù)。每個(gè)可編程邏輯塊（CLB）中的邏輯片（Slice）都由先進(jìn)、高效、雙寄存器的6-輸入查找表（LUT）的邏輯結(jié)構(gòu)組成，使得整體系統(tǒng)性能得到全面提高。芯片內(nèi)置低功耗的250 MHz的DSP48A1 Slice和18×18 bit的乘法器，可以實(shí)現(xiàn)高速DSP應(yīng)用。芯片擁有多條時(shí)鐘管理管道，均包含2個(gè)DCM和1個(gè)PLL，并支持1 000 MHz的時(shí)鐘技術(shù)[5]。

FPGA數(shù)字系統(tǒng)框圖如圖3所示，整個(gè)系統(tǒng)主要由編程配置和外圍接口這兩部分構(gòu)成。對(duì)FPGA的編程配置主要通過(guò)編程選通電路來(lái)完成。

編程選通電路通過(guò)CS3與EMIF_A12這2個(gè)管腳取值來(lái)判決是否利用EMIF接口對(duì)FPGA進(jìn)行重新配置。在對(duì)FPGA進(jìn)行配置的同時(shí)也會(huì)自動(dòng)配置SPI接口的Flash芯片W25Q64VSFIG，使得該系統(tǒng)具有掉電非易失的特性。外圍接口部分除了包括外擴(kuò)通用I/O接口、按鍵以及LED指示燈和JTAG編程接口以外，還預(yù)留了一個(gè)高速的FMC夾層卡接口[6]。該接口具有良好的抗電磁干擾特性，數(shù)據(jù)管腳可自由組合成最多68個(gè)獨(dú)立的單端LVCMOS或者34對(duì)差分LVDS，差分LVDS的最高傳輸速率可達(dá)到10 Gbit/s。這個(gè)接口既可直接用于與下級(jí)子板通信，也可用于外擴(kuò)其他功能子板，十分靈活。另外為了系統(tǒng)調(diào)試的方便，從FM接口的68個(gè)數(shù)據(jù)管腳中又引出20個(gè)管腳作為與中頻A/D，D/A子板通信的通用插針DIP20接口。

5 小結(jié)

本文主要介紹了一種新型的SCA軟件無(wú)線電數(shù)字系統(tǒng)主板的硬件結(jié)構(gòu)與框架。該設(shè)計(jì)獨(dú)立于PC自成一個(gè)系統(tǒng)，充分利用DaVinci嵌入式技術(shù)以及新型的FPGA技術(shù)來(lái)構(gòu)建一個(gè)可移植主流操作系統(tǒng)，功能強(qiáng)大，具有較強(qiáng)靈活性的數(shù)字平臺(tái)。目前該平臺(tái)已制作成印制電路板，經(jīng)過(guò)電路的調(diào)試以及軟件的編程測(cè)試，證實(shí)上述方案是可行的。

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