陳海贊

(廣州海格通信集團(tuán)股份有限公司 廣州 510663)

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基于軟件無線電的通信波形FPGA軟件設(shè)計(jì)方法*

陳海贊

(廣州海格通信集團(tuán)股份有限公司 廣州 510663)

論文提出了一種基于軟件無線電的通信波形的FPGA軟件設(shè)計(jì)方法,通過對(duì)通信波形進(jìn)行硬件抽象層設(shè)計(jì)及波形組件劃分,使得多個(gè)通信波形的各波形組件能夠運(yùn)行在通用的開放式的硬件平臺(tái)上,良好地實(shí)現(xiàn)了軟件和硬件分離,以及組件化的設(shè)計(jì)思想,最大限度實(shí)現(xiàn)了FPGA軟件的移植重用。

軟件無線電; 硬件抽象層; 波形

Class Number TN92

1 引言

軟件無線電設(shè)備指基于通用的無線電硬件平臺(tái)和軟件平臺(tái),功能由軟件定義的無線電設(shè)備,軟件可定義的功能包括調(diào)制方式、信道接入方式、業(yè)務(wù)種類、工作速率、接口類型、工作頻率、加密方式和可編程射頻前端等[1]。軟件無線電設(shè)備可形成寬頻段、多功能、動(dòng)態(tài)配置的系列通信設(shè)備,對(duì)于提升設(shè)備的互聯(lián)、互通能力,減少設(shè)備品種,降低設(shè)備升級(jí)和維護(hù)成本等具有重要意義[2]。

2 軟件無線電系統(tǒng)架構(gòu)

軟件無線電系統(tǒng)架構(gòu),從下自上包括通用硬件平臺(tái)、通用軟件平臺(tái)、通信波形組件三個(gè)部分。通用硬件平臺(tái)主要包括由天線、功放、射頻前端組成的信道模塊和FPGA、DSP、GPP組成的綜合業(yè)務(wù)處理模塊,基于統(tǒng)一的硬件體系結(jié)構(gòu),提供無線信號(hào)處理能力[3]。通用軟件平臺(tái)包括嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)、CORBA中間件、硬件抽象層、核心框架,對(duì)硬件平臺(tái)進(jìn)行統(tǒng)一管理,為波形應(yīng)用提供一致的運(yùn)行環(huán)境支持。通信波形采用組件化設(shè)計(jì)方法,組件接口標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一,具有極高的重用性和可移植性[4]。

如今,主流的通信波形均按OSI模型進(jìn)行層級(jí)劃分,主要可劃分為物理層、媒體接入層、邏輯鏈路層和無線網(wǎng)絡(luò)層四個(gè)部分,一般將物理層部署在FPGA和DSP上,媒體接入層部署在DSP上,邏輯鏈路層和無線網(wǎng)絡(luò)層則部署在GPP上。FPGA作為無線通信信號(hào)處理物理層的核心器件,承載了物理層的射頻信道控制、數(shù)字中頻上/下變頻、成型濾波、同步捕獲、調(diào)制/解調(diào)、信道編解碼、信道估計(jì)均衡等,由于FPGA必須兼顧高速信號(hào)處理的實(shí)時(shí)性和軟件無線電架構(gòu)的靈活性,因此FPGA軟件的可移植性也是軟件無線電中較為復(fù)雜且非常重要的一部分工作[5]。

圖1 無線通信波形層級(jí)劃分示意圖

3 軟件無線電的FPGA軟件設(shè)計(jì)

3.1 FPGA軟件層次結(jié)構(gòu)

基于軟件無線電體系架構(gòu)的FPGA軟件分層設(shè)計(jì)由FPGA硬件抽象層、FPGA波形組件兩部分組成。

圖2 FPGA軟件層次結(jié)構(gòu)

硬件抽象層是中間件軟件的一種,它通過屏蔽硬件底層傳輸機(jī)制、為波形組件封裝標(biāo)準(zhǔn)的、統(tǒng)一的通信接口,實(shí)現(xiàn)波形組件之間的通信與底層硬件平臺(tái)相分離,從而達(dá)到在異構(gòu)硬件平臺(tái)快速移植波形組件,提高組件的跨平臺(tái)可移植性。硬件抽象層采用分層架構(gòu)模式,分為數(shù)據(jù)交互層、邏輯層和驅(qū)動(dòng)層。其中數(shù)據(jù)交互層提供了與上層組件進(jìn)行數(shù)據(jù)交互的接口和協(xié)議,如MOCB接口,CORBA接口等。邏輯層負(fù)責(zé)使用驅(qū)動(dòng)層提供的操作,從而實(shí)現(xiàn)硬件抽象層對(duì)上層組件提供的服務(wù)[6]。硬件驅(qū)動(dòng)層主要針對(duì)FPGA芯片外設(shè)提供底層接口驅(qū)動(dòng)模塊,如UART、IIC、SRIO、PCIE、Mcbsp、EMIF、GPMC等接口驅(qū)動(dòng),為硬件抽象層設(shè)計(jì)人員針對(duì)不同硬件平臺(tái)提供底層支持能力[7]。

波形組件是對(duì)通信波形的軟件按功能模塊進(jìn)行相應(yīng)的封裝,便于與硬件抽象層集成,便于跨平臺(tái)移植。波形組件的劃分按照高內(nèi)聚低耦合、分而治之的原則,如圖3所示為某通信波形的組件劃分連接圖,其中射頻設(shè)備、中頻設(shè)備、基帶協(xié)處理組件部署在FPGA上,基帶處理組件、媒體接入組件部署在DSP上,邏輯鏈路組件、無線網(wǎng)絡(luò)組件、安全/密碼設(shè)備、用戶接口設(shè)備部署在GPP上[8]。

圖3 波形組件劃分示意圖

3.2 FPGA硬件抽象層的設(shè)計(jì)方法

FPGA硬件抽象層通過標(biāo)準(zhǔn)、統(tǒng)一的接口為運(yùn)行在信號(hào)處理模塊FPGA上的射頻控制設(shè)備、中頻處理設(shè)備、基帶協(xié)處理組件提供與外部應(yīng)用組件之間的數(shù)據(jù)和控制信息交換[9]。FPGA硬件抽象層的結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

圖4 FPGA硬件抽象層結(jié)構(gòu)框圖

FPGA硬件抽象層功能如下: 1) 支持多種串行、并行、高速串行總線接口協(xié)議; 2) 支持任意接口之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā),支持任意接口和波形組件之間的數(shù)據(jù)傳輸; 3) 支持不可打斷數(shù)據(jù)和可打斷數(shù)據(jù)兩種模式; 4) 支持基于優(yōu)先級(jí)的仲裁傳輸; 5) 支持多種數(shù)據(jù)位寬可配置[10]。

3.3 FPGA波形組件的實(shí)現(xiàn)方法

實(shí)現(xiàn)波形的組件化的首要工作是對(duì)波形進(jìn)行組件劃分,一般將射頻控制設(shè)備、中頻處理設(shè)備、基帶協(xié)處理組件等組件部署在FPGA上,下面以中頻處理設(shè)備為例講述FPGA波形組件實(shí)現(xiàn)方法。

中頻處理設(shè)備實(shí)現(xiàn)了數(shù)字中頻信號(hào)和數(shù)字基帶信號(hào)的轉(zhuǎn)換,包括了中頻AGC、上變頻、下變頻、成型濾波、匹配濾波等功能[11]。中頻處理設(shè)備的端口示意圖如圖5所示,這里的設(shè)備使用者一般為基帶協(xié)處理組件(交換上行、下行數(shù)據(jù))、基帶處理組件(運(yùn)行時(shí)控制)和波形管理組件(初始參數(shù)配置,接受異常狀態(tài)上報(bào))。

圖5 中頻處理設(shè)備端口示意圖

中頻處理設(shè)備API接口定義如圖6所示。

其中,IFProcDataConsumer接口繼承自Packet::PayloadStatus接口,同時(shí)自定義了一個(gè)pushPacket函數(shù),該接口被基帶協(xié)處理組件調(diào)用,使中頻處理設(shè)備獲得下行數(shù)據(jù)。同時(shí),在基帶協(xié)處理組件上也應(yīng)實(shí)現(xiàn)一個(gè)IFProcDataConsumer接口,用于接收中頻處理設(shè)備發(fā)送過來的上行數(shù)據(jù)。pushPacket函數(shù)的原型為:pushPacket(in CF::OctetSequence payload)。

IFProcDataProducer接口繼承自PayloadControl接口,與IFProcDataConsumer接口配合使用,為用戶提供設(shè)置傳輸分組長度的功能。

IFProcControlConsumer接口是本項(xiàng)目定義的中頻設(shè)備控制接口,該接口由波形管理組件在波形初始化時(shí)調(diào)用,或由基帶處理組件在運(yùn)行時(shí)調(diào)用,實(shí)現(xiàn)一系列的參數(shù)配置工作。

圖6 中頻處理設(shè)備API接口定義

IFCProcControlProducer接口用于向波形管理組件報(bào)告中頻處理設(shè)備的錯(cuò)誤狀態(tài)信息,該接口設(shè)計(jì)了一個(gè)函數(shù)IFC_ErrorStatusReport。另外,根據(jù)需要,中頻處理設(shè)備還可以調(diào)用波形管理組件的EventConsumer接口,實(shí)現(xiàn)異常事件的通知功能。

4 結(jié)語

軟件無線電標(biāo)準(zhǔn)框架是一個(gè)應(yīng)用于無線通信設(shè)備的體系結(jié)構(gòu)框架規(guī)范,是新的無線通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想和設(shè)計(jì)方法,指導(dǎo)無線通信設(shè)備的頂層設(shè)計(jì),以及系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。在系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)層面,它與傳統(tǒng)無線電設(shè)備的系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想、設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)工具有較大的差異。應(yīng)結(jié)合現(xiàn)有無線通信波形體制以及后續(xù)通信波形需求,制定適合實(shí)際情況需要的軟件無線電標(biāo)準(zhǔn)框架,對(duì)后續(xù)裝備的設(shè)計(jì)及使用模式將起到指導(dǎo)性的至關(guān)重關(guān)的作用[12]。目前,這方面的工作正在進(jìn)一步探索。

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Design Method of FPGA Software in Communication Waveform Based on SCA

CHEN Haizan

(Guangzhou Haige Communication Industry Group Co,. Ltd., Guangzhou 510633)

A method of FPGA software for communication waveform based on SCA is presented in this paper. Through the hardware abstraction layer design and waveform component partition of communication waveform, the waveform components made of a plurality of communication waveform can be run in the open general hardware platform, and a good design idea of software and hardware separation and component design concept can be achieved, the reuse of FPGA software transplantation is maximized.

SCA, HAL, waveform

2014年12月5日,

2015年1月28日

陳海贊,男,碩士,工程師,研究方向:無線通信波形,軟件無線電技術(shù)。

TN92

10.3969/j.issn1672-9730.2015.06.016