許惠泉

北京圣非凡電子系統(tǒng)技術(shù)開(kāi)發(fā)有限公司，北京 100141

基于MicroTCA架構(gòu)的軟件無(wú)線電平臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

許惠泉

北京圣非凡電子系統(tǒng)技術(shù)開(kāi)發(fā)有限公司，北京 100141

利用MicroTCA構(gòu)架和AMC模塊，構(gòu)建了基于MicroTCA架構(gòu)的軟件無(wú)線電平臺(tái)。與傳統(tǒng)PCI、CPCI、VME等運(yùn)算架構(gòu)相比，MicroTCA構(gòu)架具有更高的帶寬、更強(qiáng)的處理能力。最后對(duì)該軟件無(wú)線電平臺(tái)實(shí)現(xiàn)軟件無(wú)線電的總體方案和軟件方案進(jìn)行介紹。采用的設(shè)計(jì)方案實(shí)現(xiàn)了完全的可編程性，系統(tǒng)的升級(jí)只需要?jiǎng)討B(tài)加載相應(yīng)的軟件，即可實(shí)現(xiàn)軟件的升級(jí)，是一種非常接近理想軟件無(wú)線電模型的設(shè)計(jì)方案。

MicroTCA；AMC；軟件無(wú)線電

引言

由于在功能和擴(kuò)展能力上的限制，不同無(wú)線通信系統(tǒng)間的兼容性、互聯(lián)互通性以及高成本問(wèn)題成為了無(wú)線通信系統(tǒng)亟待解決的難題。軟件無(wú)線電（Software Defined Radio）則提出了一種新的設(shè)計(jì)制造和使用無(wú)線通信系統(tǒng)與設(shè)備的思想，它擺脫了面向用途而完全依賴硬件的傳統(tǒng)無(wú)線電設(shè)計(jì)思路，通過(guò)以開(kāi)放性、可擴(kuò)展、結(jié)構(gòu)精簡(jiǎn)的硬件為通用平臺(tái)，把系統(tǒng)提供的業(yè)務(wù)從長(zhǎng)期依賴固定電路的方式中解放出來(lái)，利用軟件可編程、可重構(gòu)和成本低的優(yōu)勢(shì)，較好地解決了上述難題，并把無(wú)線通信技術(shù)提升到一個(gè)新的高度，受到人們的普遍關(guān)注。PICMG協(xié)會(huì)在ATCA構(gòu)架的基礎(chǔ)上提出了一種微型電信計(jì)算架構(gòu)（Micro Telecommunicati ons Computing Architecture），此架構(gòu)滿足高吞吐量、低延時(shí)、模塊可定制等優(yōu)點(diǎn)為軟件無(wú)線電平臺(tái)的建立提供了一條可行的技術(shù)路線。

1 總線技術(shù)

業(yè)界應(yīng)用最為廣泛的總線標(biāo)準(zhǔn)主要有兩大系列，分別是VITA組織定義的VMEbus、VXS和VPX和由此衍生的總線規(guī)范，以及PICMG組織定義的ISA、CPCI以及MicroTCA總線。下面對(duì)這些總線中，應(yīng)用較為廣泛的VPX、CPCI與MicroTCA進(jìn)行介紹。

CPCI對(duì)工業(yè)做出了巨大的貢獻(xiàn)，但它仍屬于并行總線，雖然這種總線結(jié)構(gòu)曾經(jīng)因簡(jiǎn)單被廣泛接受，但是由于其總線結(jié)構(gòu)的局限性，無(wú)法提供最佳性能。

MTCA和VPX是目前支持高速串行總線的硬件架構(gòu)的主流發(fā)展發(fā)向。

VPX很好地繼承了已經(jīng)驗(yàn)證過(guò)的技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)，具備很好的兼容性，但是 VPX由于其配置較靈活，存在不同系統(tǒng)的互操作性問(wèn)題，雖然己提出新的 OpenVPX規(guī)范以增強(qiáng)架構(gòu)的開(kāi)發(fā)性，但現(xiàn)在仍存在架構(gòu)無(wú)法統(tǒng)一的問(wèn)題，此外，VPX中管理控制器、交換機(jī)、橋接器等的使用不僅會(huì)抬高成本，同時(shí)也使系統(tǒng)更復(fù)雜，維護(hù)成本更高。當(dāng)然基于堅(jiān)固性和可靠性考慮，若產(chǎn)品對(duì)成本不敏感，VPX也是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。

MTCA技術(shù)源于ATCA與AMC，把AMC模塊直接插入相應(yīng)的背板，是一種特別緊湊且高性能的設(shè)計(jì)。MTCA的目的是在一個(gè)緊湊系統(tǒng)中重用AMC模塊。MTCA的靈活性與其兩個(gè)重要組件的杰出設(shè)計(jì)是分不開(kāi)的，一是背板，二是MTCA控制交換模塊（MCH），用于管理機(jī)箱內(nèi)的板卡與交換互連。MTCA的互聯(lián)技術(shù)包括 GbE、PCI-Express、SATA/SAS、Fibre Channel 與 SRIO，這些技術(shù)的實(shí)現(xiàn)都需要MCH與背板的配合。同時(shí)MTCA支持全冗余配置，其冗余、大容量互連與高吞吐能力是非常強(qiáng)大的[1]。

2 總體方案設(shè)計(jì)

本軟件無(wú)線電平臺(tái)采用MicroTCA架構(gòu)，板卡尺尺寸為雙寬全高，采用雙交換冗余，雙電源雙電源冗余，提供至少8個(gè)AMC板槽位，AMC板通過(guò)RTM板（后插板）連接出線，采用后出線方式，滿足 MTCA.0和 MTCA.4規(guī)范，由整機(jī)平臺(tái)（包括MCH交換板，電源板）和AMC板（包括系統(tǒng)板、鏈路控制板、接口板）組成，板卡之間采用以太網(wǎng)和SRIO總線進(jìn)行通信，如圖1。

圖1 MicroTCA軟件無(wú)線電平臺(tái)框圖

2.1 AMC板卡硬件設(shè)計(jì)

AMC板（包括系統(tǒng)板、鏈路控制板、接口板）采用高性能通過(guò)CPU+FPGA+DSP的架構(gòu)，對(duì)內(nèi)提供2路以太網(wǎng)口，2路RapidIO接口。主要由鏈路控制模塊、電源管理及轉(zhuǎn)換模塊、DSP算法處理模塊及拓展接口組成如圖2。

圖2 AMC板卡框圖

（1）鏈路控制模塊：選用高性能的POWERPC通用處理器，運(yùn)行 VxWorks操作系統(tǒng)，主要運(yùn)行配置管理程序，鏈路控制程序等。

（2）電源管理模塊：選用單片機(jī)做處理器及相關(guān)外圍檢測(cè)控制電路組成實(shí)現(xiàn)電源管理功能，管理協(xié)議滿足IPMB總線規(guī)范的規(guī)定。

（3）電源轉(zhuǎn)換模塊：通過(guò)電源轉(zhuǎn)換模塊得到板卡所需各種電源。

（4）邏輯控制模塊：采用高性能的 FPGA可編程邏輯芯片，用于實(shí)現(xiàn)控制邏輯，同時(shí)可通過(guò)FPGA自帶的RapidIO接口接收和發(fā)送數(shù)據(jù)信息。

（5）DSP處理模塊，選用高性能數(shù)字信號(hào)處理器，主要用于運(yùn)行波形的生成軟件。

管理總線規(guī)范：板卡滿足 IPMB總線規(guī)范的規(guī)定，支持雙交換，基于IPMI協(xié)議接受MCH板對(duì)業(yè)務(wù)板的電源控制、電壓監(jiān)控、溫度監(jiān)控等功能。

（1）AMC.2（GbE）交換總線規(guī)范：AMC Port0-1定議為2個(gè)GbE交換通道，采用Type E2類型總線。

（2）AMC.4（SRIO）交換總線規(guī)范（1X）：AMC Port4，Port8定義為2個(gè)SRIO交換通道，PORT4為主，PORT8為從。

2.2 網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

AMC板卡上的網(wǎng)絡(luò)部分由P2020和88E6131組成。P2020的網(wǎng)絡(luò)接口有3種形式：網(wǎng)口0為RGMII模式、網(wǎng)口1為GMII模式、網(wǎng)口2為SGMII模式；88E6131芯片自身的對(duì)外接口有三種：PHY模式、SERDES模式以及GMII模式，在板卡應(yīng)用中，使用了2個(gè)PHY模式口、4路SERDES模式口和一路GMII模式。P2020網(wǎng)口1和網(wǎng)口2與BCM6131的2路SERDES口連接，屬于MAC與MAC連接模式，如圖3所示。

2.3 Rapid IO設(shè)計(jì)

在AMC板卡上，Rapid IO是板卡對(duì)內(nèi)對(duì)外通信的主要通道之一，板卡上的三個(gè)功能芯片均通過(guò) Rapid IO連接到一起，同時(shí)又通過(guò)接插件和其他設(shè)備連接到一起，如圖 4所示。

圖3 P2020網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 SRIO連接示意圖

3 軟件方案設(shè)計(jì)

利用軟件無(wú)線電的基本思想，本設(shè)計(jì)中鏈路控制板能根據(jù)使用要求，動(dòng)態(tài)加載和更新鏈路控制軟件、波形軟件和FPGA軟件。所有軟件的加載基礎(chǔ)是板卡守護(hù)軟件，守護(hù)軟件要完成動(dòng)態(tài)加載軟件的版本控制，對(duì)原運(yùn)行軟件的動(dòng)態(tài)卸載和新軟件的正確加載，以及在加載過(guò)程中異常斷電時(shí)的現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)等功能。守護(hù)軟件對(duì)其他應(yīng)用軟件不可見(jiàn)，對(duì)其保護(hù)至關(guān)重要，應(yīng)采用加鎖保護(hù)措施，如圖5。

圖5 設(shè)備軟件功能組成圖

板卡軟件動(dòng)態(tài)加載主要分為初始化上電加載和軟件運(yùn)行過(guò)程中加載兩方面。

（1）初始化上電加載：上電時(shí)，守護(hù)軟件通過(guò)板卡主處理器與DSP處理器間的HPI接口完成對(duì)波形軟件的動(dòng)態(tài)加載，通過(guò)與FPGA間的接口完成對(duì)FPGA軟件的動(dòng)態(tài)加載，最后啟動(dòng)運(yùn)行板卡鏈路控制軟件。

（2）軟件運(yùn)行過(guò)程中加載：板卡軟件運(yùn)行時(shí)，若守護(hù)軟件接收到上層動(dòng)態(tài)加載軟件的命令，需先卸載/停止原軟件，再加載相應(yīng)的軟件。

3.1 LINK口設(shè)計(jì)

LINK口是板卡P2020與ADSP的通信及加載接口，P2020 Local Bus通過(guò)FPGA譯碼后連接到ADSP LINK接口，如圖6所示。

LINK口是FPGA邏輯生成的接口，在P2020端操作LOCAL BUS對(duì)FPGA的譯碼地址，實(shí)現(xiàn)LINK口的通信。LINK口功能分為ADSP LINK口加載和LINK口通信。ADSP加載功能是P2020讀取ADSP加載文件，通過(guò)LINK口寫(xiě)入到 ADSP 的內(nèi)存中，并啟動(dòng) DSP的過(guò)程。LINK口通信需要實(shí)現(xiàn) LINK口的初始化、讀、寫(xiě)操作功能，讀寫(xiě)接口函數(shù)采用中斷阻塞方式進(jìn)行編寫(xiě)。

3.2 HPI總線

HPI總線是板卡上TI DSP（C6455）與P2020的一個(gè)通信及加載接口，P2020 Local Bus通過(guò)CPLD譯碼連接到TI DSP（C6455） HPI接口，如圖 7所示。

HPI驅(qū)動(dòng)分為DSP 的HPI加載和HPI通信。DSP 的HPI加載是P2020讀取DSP加載文件，通過(guò)HPI寫(xiě)入到DSP 的內(nèi)存中，并啟動(dòng)DSP的一個(gè)過(guò)程。HPI通信與加載的操作基本上相同，需要實(shí)現(xiàn) HPI的初始化、讀、寫(xiě)操作功能，使用中斷作為通信信號(hào)。

圖6 LINK口連接示意圖

圖7 HPI連接示意圖

3.3 FPGA在線加載接口

FPGA在線加載功能需要將指定的文件通過(guò)并行口加載到FPGA，同時(shí)并啟動(dòng)FPGA運(yùn)行。

P2020通過(guò)LOCAL BUS與CPLD連接，CPLD譯碼后與FPGA的并行加載口連接，如圖 8所示。FPGA加載步驟如下：

（1）讀取加載文件；

（2）復(fù)位FPGA；

（3）加載FPGA文件；

（4）啟動(dòng)FPGA。

圖8 FPGA加載連接示意圖

3.4 雙口RAM接口

雙口是P2020與ADSP及 DSP的通信接口，通過(guò)FPGA譯碼產(chǎn)生，P2020通過(guò)LOCAL BUS訪問(wèn)，根據(jù)FPGA的譯碼對(duì)其進(jìn)行控制，連接關(guān)系如圖 9所示。

P2020根據(jù)FPGA不同的譯碼偏移地址，區(qū)分TI DSP（C6455）和ADSP的雙口。在雙口驅(qū)動(dòng)中，P2020需要實(shí)現(xiàn)雙口的發(fā)送數(shù)據(jù)、接收數(shù)據(jù)及中斷相應(yīng)，需要提供雙口的初始化、數(shù)據(jù)接收及數(shù)據(jù)發(fā)送接口函數(shù)。

圖9 雙口連接示意圖

4 結(jié)束語(yǔ)

文中構(gòu)建的基于MicroTCA構(gòu)架的軟件無(wú)線電平臺(tái)，克服了傳統(tǒng)VME、CPCI、總線系統(tǒng)帶寬方面的不足，先進(jìn)的構(gòu)架支持RapidIO、以及Ethernet等高速總線的背板互連。系統(tǒng)的信號(hào)處理能力可以通過(guò)增加信號(hào)處理板很容易地進(jìn)行擴(kuò)張。AMC模塊很好地實(shí)現(xiàn)軟件無(wú)線電的設(shè)計(jì)思想標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化。本設(shè)計(jì)采用的設(shè)計(jì)方案實(shí)現(xiàn)了完全的可編程性，系統(tǒng)的升級(jí)只需要?jiǎng)討B(tài)加載相應(yīng)的軟件，即可實(shí)現(xiàn)軟件的升級(jí)，是一種非常接近理想軟件無(wú)線電模型的設(shè)計(jì)方案。

[1]compotechasia.com.Zarlink推出面向 Advanc edTCA、AMC和 MicroTCA應(yīng)用的電信級(jí)同步芯片[J].工業(yè)和信息化教育，2006（3）：39.

Design and Implementation of Software Radio Platform Based on MicroTCA Architecture

Xu Huiquan
Beijing St.Extraordinary Electronic Systems Technology Development Co., Ltd., Beijing 100141

Based on MicroTCA architecture and AMC module, a software radio platform based on MicroTCA architecture is constructed.Compared with traditional PCI, CPCI, VME and other computing architecture, MicroTCA architecture has a higher bandwidth, more processing power.Finally, the software radio platform for software radio to achieve the overall program and software solutions are introduced.The design of the design of the program to achieve a complete programmability, the system upgrade only need to dynamically load the appropriate software, you can achieve the software upgrade, is a very close to the ideal software radio model design.

MicroTCA; AMC; software radio

TP274.2

A

1009-6434（2017）3-0126-03