基于SCA軟件無線電硬件平臺的設計

趙秋明，沈 博，胡曉鵬

(桂林電子科技大學，廣西 桂林 541004)

責任編輯:孫 卓

0 引言

隨著無線通信的發展，不同模式的通信體制相繼出現，而這些體制之間的兼容性較差，為了滿足不同通信體制之間的兼容性問題，軟件無線電的思想被提出來。所謂軟件無線電，是指用軟件定義的，能實現多種功能的無線通信方式的一種前沿技術。軟件無線電集現代通信理論、信號處理、微電子和計算機技術于一體，涉及的關鍵技術有開放的系統結構、硬件技術、軟件技術和信號處理技術。軟件無線電的核心可以歸結為兩點:寬帶A/D，D/A盡可能地靠近射頻端;利用DSP技術取代專用集成電路(ASIC)，盡可能多地用軟件來定義和實現無線通信的功能，如上下變頻、調制解調、編解碼、加解密、多址等。其中心思想是在一個開放性、標準化、模塊化的通用硬件平臺上，通過軟件編程，實現一種具有多通路、多層次和多模式無線通信功能的開放式體系結構。其最終目標是用軟件無線電技術使一個移動終端可以在不同系統和平臺間暢通無阻地進行通信。

1 軟件無線電的特點和基本結構

軟件無線電技術具有許多其他方式的無線通信技術所沒有的優點。其具有以下特點［1］:

1)靈活性。可以通過增加軟件模塊，方便地增加新功能，通過軟件工具分析無線通信環境、擴展業務、定義所需增加的業務和實時環境測試，還可任意更換信道接入方式，改變調制方式和接收不同系統的信號。

2)開放性。由于系統采用標準化、模塊化結構，其硬件可以隨器件和技術的發展而更新或擴展，軟件也可以隨需要不斷升級。軟件無線電不僅能和新體制電臺通信，還能同舊體制的電臺兼容。

3)集中性。多個信道享有共同的射頻前端與寬帶A/D－D/A變換器以獲取每一信道的相對廉價的信號處理性能。

由于軟件無線電可以通過增加軟件模塊來增加新的功能，并且硬件也可以隨著器件的發展而不斷地升級，所以這一概念一經提出就受到了廣泛的關注［1］。

原則上軟件無線電系統硬件上的構成有專用芯片和可編程器件兩種類型，用于研究和小量生產的一般都趨向于采用由可編程器件為主構成，其中大部分都采用FPGA+DSP相結合的方案構成實際硬件平臺。該方案研制的硬件平臺對于實現數字信號處理能夠很好地解決并行性和速度問題，而且具有靈活的可配置特性，使得軟件無線電臺易于修改、維護、升級、測試和生產。通常軟件無線電均采用標準的、高性能的開放式總線結構，以利于硬件模塊的不斷升級和擴展。理想的軟件無線電的組成結構如圖1所示。

圖1 軟件無線電結構框圖

理想的軟件無線電系統需要在天線處就將模擬信號進行數字化前期處理，也就是說，該系統要求有一個十分靈活的射頻前端來處理大范圍的載頻和調制方式，將輸入信號轉換為適合后續處理的信號，再將后續信號利用實時軟件和DSP進行處理，從而使系統在數字域獲得完全的靈活性，最后將處理后的信號通過專用功能模塊處理為各種專用信號進行傳輸。這也就是要求將寬帶A/D變換及D/A變換模塊盡可能地靠近天線，將接收到的模擬信號盡可能早地數字化，將要發送的數字信號盡可能遲地模擬化。現階段考慮到A/D，D/A器件的發展情況，實際采用較多的中頻軟件無線方式，本文亦采用此方式。

2 硬件平臺的設計

為了體現軟件無線電的靈活性和開放性，本文從基于SCA規范方面考慮，采用可編程邏輯器件(DSP和FPGA)代替專用集成芯片(ASIC)以完成基帶信號的處理的方案［2］，構造一套通用的軟件無線電硬件平臺。

為了構建一個單用戶通道的軟件無線電硬件平臺，首先應對系統資源需求進行詳細的分析，然后根據分析的結果來選擇合適的器件。每一部分相應的參數和所需的運算資源的估計如表1所示。

表1 系統資源需求估計

所有數字運算包括中頻處理、基帶處理、比特流處理、信源處理和信令處理等部分，對運算量的估算應該為每個采樣點所需的運算量乘以每秒的采樣點數，表中所列的中頻處理中運算約需每個采樣點100 I/s。由于本文所設計的硬件平臺是面向無線電臺的，從中頻信號起實現軟件無線電設計，并且目前的A/D和D/A器件對較高頻率的中頻信號進行處理的效果不夠理想，所以選擇中頻頻率為10.7 MHz，中頻信號采樣一般采用過采樣方式，故選用26.75 MHz進行采樣，因此中頻處理所需的運算量DIF≈2675 MI/s;比特流處理的運算需求DBS正比于數據速率，這里選取語音信號處理為參考，其比特流選擇為32 kbit/s;另外，基帶處理的運算需求DBB正比于單個用戶的信道帶寬，信源處理部分的運算需求DS正比于信源編碼與接口的復雜度，最后，運行與管理的處理需求DO取決于信令系統。因此，對于一個單信道軟件無線電平臺的運算量需求為

則系統單信道的資源需求為 D≈2683.3 MI/s。TMS320DM6446的運算速度是4752 MI/s，完全滿足單信道軟件無線電平臺的運算量需求，所以選用DSP芯片TMS320DM6446。

將軟件無線電的理論應用于工程實踐，并對系統通過參數估算，本文選用TI公司的達芬奇(Davinci)技術的高端DSP芯片TMS320DM6446，以及Xilinx公司的Spartan－6系列的XC6SLX150－FG484芯片為主芯片，構成基于SCA規范的軟件無線電的硬件平臺。其功能框圖如圖2所示。

圖2 基于SCA軟件無線電硬件平臺框圖

在該框圖中SCA規范主要體現在以DSP為核心處理框架，利用接口描述語言與CORBA中間件和各種功能組件相連接，并通過各種外部接口(如RS－232、音頻、USB等)傳輸對應的數據，從而實現各種通信功能，并且整個實現過程是基于操作系統的。在本平臺上，CORBA中間件和各種功能組件都是基于核心處理框架的，而不是基于硬件平臺的。通過硬件語言編寫各種獨立的功能軟件模塊，用戶可以選擇所需的功能模塊，并通過軟加載實現各種通信，體現了平臺的通用性、靈活性和軟件的可移植性。

該平臺的主要功能是利用DSP芯片完成信號的基帶處理，FPGA做協助處理，并完成部分功能，大大緩解了系統對DSP處理速率的要求。該平臺DSP和FPGA通過外部存儲器接口(EMIF)相連接，從而使FPGA充當一個協同處理器、高速數據處理器或高速數據傳輸接口，保證了系統的靈活性和有效性。

另外，A/D和D/A板的I/O數據端口和所需要的差分時鐘端口都是直接與FPGA相連接，使外部數據數字化后，經過FPGA處理，FPGA的處理包括上下變頻處理和調制解調等，然后再進入DSP進行處理，這樣不但減緩了系統對DSP處理速度的要求，還使系統更靈活。

在該硬件平臺上可以通過編寫不同的軟件，實現軟加載，再通過按鍵選擇實現多種通信模式的轉換。例如該平臺可以實現 ASK，FSK，PSK，QPSK，16QAM，OFDM 等調制模式之間的任意轉換，說明該平臺具有很大的靈活性。這些軟件的編寫既可以在DSP上實現，也可以在FPGA上實現。

在軟件上是以SCA軟件通信體系結構為規范的，構造了一種標準、開放、可互操作的無線電通信軟件平臺。在本質上獨立于設備的結構框架，能夠實現對通信軟件和硬件的可移植性、可配置性、可擴充性和可重用性，并能確保與其他基于SCA開發的產品之間能互通、互連和互操作。SCA采用CORBA作為通信中間件，通過組合各種功能軟模塊，能實現操作系統平臺和核心框架的互連，而不需要自底向上的開發流程創建新的軟件系統，從而減小了軟件系統的復雜度，并且能夠很靈活地進行軟件的升級和重用。

TMS320DM6446采用了達芬奇架構，其重要特點是兩個處理器核之間的資源分配、通信方式及如何高效地實現資源共享。該芯片主頻最高能達到594 MHz，完全滿足中頻數字化處理，能夠完成基帶信號的處理，包括信道編碼、均衡、交織、信道復用等。該芯片集成1個ARM子系統、1個DSP子系統和1個視頻處理子系(VPSS)，同時還帶有圖像協處理器(VICP)和各種豐富的外部設備。通過外部存儲器接口EMIF以及視頻信號處理接口VPSS與FPGA單元連接，同時可以實現對DDR2 SDRAM的訪問。DSP內部集成的ARM子系統，主要完成平臺的資源管理和監控。由此可知，該DSP芯片既可滿足系統中央單元的統一管理控制，又可實現對數據的數字信號處理，功能強大，適合在軟件無線電硬件平臺上使用。

FPGA使用的是Xilinx公司Spartan－6系列中的XC6SLX150，該FPGA器件內含147443個邏輯單元，180個Xtreme DSP Slices(每個Xtreme DSP Slice包括1個18×18的乘法器，1個加法器和1個48位累加器)，可有效地完成部分DSP的功能，可使系統功能的實現更加高效、靈活。該FPGA芯片具有338個I/O引腳，一部分是專用I/O腳，例如時鐘管理I/O腳，主要用于管理系統時鐘，但也可以用作普通的I/O腳。由于該芯片有著豐富的I/O腳，能夠和很多外部接口相連接進行各種擴展。該硬件平臺上的ADC和DAC均與FPGA的I/O腳通過通用的FMC接口相連接，并由FPGA控制。另外，也可以很方便地在通用的FMC接口上做其他功能擴展。

在設計高速電路方面，本文充分考慮到EMC和信號完整性的相關問題。在板層設置上，將板層設置為3層地層和2層電源層，確保每層信號走線層為穩定層，并且將高速信號線盡量走在兩層地層之間，很大程度地消除電磁干擾;在元件布局上，電源與器件盡量靠近，高速處理芯片遠離電源，并且去耦電容均在大器件旁邊;在走線上，將數字地和模擬地分開處理，盡量減小信號線的走線長度，并將差分信號線進行差分走線，高速信號進行等長走線，加寬高速信號線的線距，確保信號的完整性，從而充分地保證了該硬件平臺的可靠性。

3 小結

本文將軟件無線電的理論用于工程實踐中，根據通用的軟件無線電硬件平臺的結構框圖，設計出一套具有獨立系統和功能的軟件無線電通用平臺。該平臺在硬件上采用FPGA+DSP的方案，在軟件上是基于SCA規范的，具有很強的靈活性和開放性。該平臺滿足多種通信電臺系統的要求，能夠實現多模式、多頻段、多信道等多功能通信。

［1］楊小牛，樓才義.軟件無線電原理及應用［M］.北京:電子工業出版社，2001.

［2］鈕心忻，楊義先.軟件無線電技術與應用［M］.北京:北京郵電大學出版社，2000.

［3］REED J H.軟件無線電［M］.陳強，譯.北京:人民郵電出版社，2004.

［4］曹志剛，錢亞生.現代通信原理［M］.北京:清華大學出版社，1992.

［5］黃碩，魏亞楠，安永麗.多采樣率數字信號處理及其MATLAB仿真［EB/OL］.［2011－01－06］.http://wenku.baidu.com/view/8a71870ff 12d2af90242e694.html.

［6］HASAN M，MEHEDY L，ZABIR M S.A middleware based network hot swapping solution for SCA compliantradio［J］.IEEE Trans.Consumer E-lectronics，2009，55(3):1315－1321.