葉桂林（北京圣非凡電子系統技術開發(fā)有限公司北京102209）

基于M TCA架構的軟件無線電體系結構研究?

葉桂林
（北京圣非凡電子系統技術開發(fā)有限公司北京102209）

軟件無線電體系結構是實現軟件無線電的具體設計結構，包括硬件和軟件體系結構兩個方面，是軟件無線電技術的核心。論文研究了一種基于MTCA硬件架構、遵循SCA軟件規(guī)范的軟件無線電軟硬件體系結構，并提出了具體的設計方法。

軟件無線電；體系結構；MTCA；SCA

Class Num ber TN925

1 概述

軟件無線電技術是無線通信領域從模擬通信到數字通信、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［1］。

軟件無線電體系結構是無線電技術的核心，因此，實現軟件無線電的具體設計結構，包括硬件、軟件和接口協議等，研究在現有的技術條件下，如何最大程度地實現軟件無線電所要求的通用性和靈活性一直是國內外的研究熱點［2］。

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

2 硬件體系結構

關于硬件體系結構的劃分，通常有兩種方法：一種是按照硬件平臺的物理介質劃分，如以DSP、FPGA、通用處理器等為基礎進行數字信號處理的體系結構。另一種是按照系統中各功能模塊的連接方式劃分，即各功能單元如何互聯組成一個開放的可擴展的標準硬件平臺，如流水線結構、總線式結構、交換式網絡結構等［1］。常見的總線式結構包括PCI總線、VME總線等，但PCI、VME等總線帶寬窄、吞吐率低，不能滿足高速傳輸的要求［3~4］，因此研究一種高吞吐率、高帶寬的軟件無線電架構很有必要，本文著重研究了一種基于MTCA硬件架構的總線體系結構。

2.1 M TCA標準

MTCA（Micro Telecom Computing Architecture）是PICMG（PCI Industrial Computer Manufacturers Group）補充標準，2005年PICMG在ATCA（AdvanceTelecom Computing Architecture）的基礎上提出的。ATCA是第一個由電信專家專為電信應用設計的計算平臺標準，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接方式，而輔助協議定義了點對點連接的協議、規(guī)范。目的是為了解決電信系統面臨的系統帶寬、高可用性、現場升級、可伸縮性、可管理性以及可互操作等問題［5］。

ATCA是一種標準的、開放的體系結構，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的需求，本質上是對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、背板設計、供電管理和機箱管理上較傳統總線標準更有優(yōu)勢，被視為未來中小型設備的主流平臺。

2.2 基于M TCA的硬件體系架構

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

一個基礎的MTCA平臺應包含：電源板、制冷板、交換板（MicroTCA Carrier Hub），根據系統業(yè)務需要，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、系統板等，各板卡符合PICMG AMC.0、AMC.1、AMC.2、AMC.3標準，通過IPMI（Intelligent Platform Management Interface）總線實現互連和數據交換，板卡之間通過金手指進行互聯。

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板的管理；

2）交換板：高速數據交換的中樞以及機箱智能管理，完成路由維護、數據交換以及實時監(jiān)控溫度數據，控制散熱單元各風扇的轉速，實現節(jié)能、降噪、延長風扇使用壽命的目標；

3）制冷板：用于機箱散熱，并通過管理總線接受系統板的管理；

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

5）信號處理板：完成數字信號的高速處理，如信號的調制解調、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）系統板：運行操作系統，為波形應用提供標準的接口和服務，并控制和管理波形應用的安裝、加卸載、配置以及與機箱外部信息交互等。

3 硬件設計

3.1 中頻采樣和輸出

軟件無線電體系結構的一個重要特點是將中頻進行數字化，以將其變換成適合DSP或PC機處理的數字信號，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并行模數轉換芯片AD9240對中頻信號采樣，最高采樣速率可達10MSPS。采樣后的數字信號經FPGA進行下變頻處理后，送給DSP芯片進行基帶處理；數字上變頻和D/A轉換電路選用AD公司的AD9957，該芯片集成了高速DDS及14bit D/A轉換功能，經過DSP形成的基帶信號經過FPGA傳輸給AD9957，進行上變頻和D/A轉換，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的數字信號處理電路，部署于各業(yè)務板卡。GPP選用Freescale公司Powerpc架構下的雙核處理器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。高速數字信號處理平臺結構如圖3所示。

板內高速信號處理：該平臺以兩片DSP芯片為核心數字信號處理框架，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，為波形應用提供標準的接口和服務，并控制和管理波形應用加載、卸載和配置；而FPGA作為協處理器，主要完成POWERPC和DSP之間的高速數據傳輸和接口轉換功能，POWERPC通過BUS總線與FPGA連接，經過FPGA轉換成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接口實現高速信號的板內傳輸，支持高達3.125Gbit/s的傳輸速率。

背板高速總線設計：基于MTCA的平臺采用一種全新的互聯結構，通過高速串行總線將中頻板、各數字信號處理板、安全保密板、系統板、電源板、交換板等進行互聯，MTCA背板給每個AMC子卡提供21個端口數據通路，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以太網接口（port1，port2），可實現千兆以太網通信；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控制器，通過SGMII接口與網絡交換芯片連接，Rapid IO高速總線通過RapidIO交換芯片實現，每個通信芯片都會分配一個唯一的ID號，通過交換芯片實現路由和交換功能，從而實現高速信號的板間傳輸。

3.3 機箱管理功能

MTCA架構的優(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，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，通信協議遵循IPMI2.0協議，實現MCH板對AMC子板的管理功能；另一路用于連接多路數字溫度傳感器，從而實現對溫度的實時監(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。電源管理功能實現框圖如圖4所示。

4 軟件體系架構

基于MTCA架構的軟件無線電平臺，在通用硬件平臺上構建開放式波形軟件運行平臺，便于波形應用安裝、部署和集成。該平臺軟件采用SCA架構，SCA架構是一個層次化的體系結構，分為六層，由下到上分別為總線驅動層、網絡協議層和接口服務層、操作系統層、CORBA中間件層、核心框架層、應用層［11~12］，在該體系架構中，系統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準API接口實現的，在具體實現時，該結構允許通過加載不同的編碼對象、調制對象、上下變頻對象等來實現在不同通信模式、不同通信頻段間的靈活切換，并通過IPMI總線控制技術實現各模塊的互聯，基于該架構，實現了三種不同通信波形的自動加載和應用。軟件體系架構如圖5所示。

1）總線層

MTCA技術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，可以實現不同的業(yè)務功能，進而達到業(yè)務擴展的目的?？偩€標準支持當今高速串行總線技術中的GBE、Rapid IO、PCIE、StarFabric、In? finiband、SATA中的任意類型。

2）網絡和串行接口服務

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

3）操作系統

該層用于為嵌入式應用程序提供多進程、多線程支持，屏蔽不同硬件平臺的差異，為上層軟件提供標準的硬件訪問接口和基本的操作系統服務，使得上層應用軟件具備設備無關性，一般選用實時操作系統如VxWorks等。

4）CORBA中間件

CORBA中間件，位于應用層和底層硬件、協議棧、操作系統之間，CORBA把應用程序與所依附的系統底層細節(jié)隔開，屏蔽了平臺間操作系統和網絡協議的不同，屏蔽了處理器間通信方式的不同，屏蔽了底層系統平臺的實現細節(jié)。支持不同編程語言所開發(fā)的應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

核心框架是整個軟件體系的核心，為波形應用提供標準的接口和服務，并控制和管理波形應用的安裝、加卸載、配置。它為波形應用提供了對底層軟件和硬件的更高層次抽象，為波形應用組件/設備的自動裝配、智能化管理定義了統一的接口，包括基本應用接口、框架控制接口、框架服務接口和配置文件，從而保持了波形應用組件實現的獨立性，提高波形應用組件的可移植性。

6）應用層

這一層主要指波形應用組件層，每個波形應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，在系統運行時，可被動態(tài)加載到對應的硬件處理模塊中，并支持動態(tài)配置功能。

5 結語

軟件無線電體系架構包含硬件平臺和軟件體系架構，本文提出了一種軟件無線電體系結構，并對其硬件和軟件實現方法進行了詳細的設計和論述。該體系結構在硬件上采用MTCA架構、軟件上基于SCA規(guī)范進行設計，具有總線形式簡單、速率高、抗干擾能力強、波形應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，具有廣泛的應用價值和實現意義。

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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。

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.