基于OpenVPX標準的寬帶信號處理平臺設計

尹志偉

引言：本文給出了一種基于OpenVPX總線標準的寬帶數字信號處理平臺的設計方法，該系統平臺具有開放的總線架構，可兼容RapidIO、千兆以太網等通用的高速串行總線協議，可應用于無線通信系統、工業控制、國防應用等多個領域。文章詳細描述了寬帶信號處理平臺的設計方法，并分析了該平臺的性能和技術難點。

概述

計算機系統總線的發展至今主要有兩個大的趨勢：一、從并行總線向串行總線發展；二、從單一的專用型總線向開放式架構發展。

早期的系統總線多以并行總線為主[1]，如ISA、PCI、VME、CPCI等，但在進一步提高總線速率時遇到瓶頸，而串行總線由于引進了光通信領域的SERDERS技術，從而很好的解決這一難題。目前已有多種基于高速串行總線標準被廣泛應用，如Serial Rapid IO、PCI Express、Infiniband、HyperTransport、GigE等。

然而，上述總線大都是狹義的總線協議，并未從硬件角度給出相應的工業規范。在全球工業控制和國防領域，傳統的CPCI和VME是競爭死敵，各種的總線通信協議和硬件規范互不相容。而隨著技術的發展和寬帶信號處理需求的日益增多，現在發展的VPX及ATCA兩種先進總線標準改變了以往的狹隘設計，將工業標準設計成為開放式的架構，可以為多種總線協議提供了具有兼容性的硬件規范，使得設計師靈活的應用各種總線。

一、OpenVPX總線標準簡介

VPX是指2007年由VITA組織發布的VITA46及VITA48系列標準[2]，該標準是繼承了VME工業總線的基礎上發展而來的，保留了工業領域廣泛應用的歐標板卡尺寸（支持3U和6U兩種板卡），采用新的高速接插件（RT2）技術，支持多種高速串行總線。VPX總線在設計之初就考慮了未來的發展和可擴展性，從根本上解決了VME的不足。

2010年4月，VITA組織正式發布了VITA65系列標準，該標準稱為OpenVPX。OpenVPX是VPX總線標準的繼承和發展，原有的VPX標準主要是對硬件規范和板卡級信號定義進行說明，而OpenVPX是在VPX的硬件標準上給出了系統級的設計標準，為該類總線的開放性、通用性提供了標準的參考體系[3]。至此VPX總線標準成為了從機械結構、熱設計、信號定義、通信協議、系統組織架構等各個方面進行詳細規范的標準。

二、平臺架構的設計

寬帶信號處理平臺采用常規的背板+載板架構。其中背板為各個載板提供相互之間總線通信的通道，同時提供電源、系統時鐘等公共信號。背板的槽位按照信號定義可分為管理槽位和通用槽位。背板中管理槽位一般情況下只有一個，其信號定義有別于通用槽位，而通用槽位有多個，每個槽位的信號定義基本一樣，可以保證通用板卡在任何一個通用槽位中都可正常工作。

寬帶信號處理平臺背板的組織架構如下圖所示：

圖1 寬帶信號處理平臺基本架構

根據背板通道功能的不同，背板上的通道可分為四種：公用通道、管理通道、控制通道、數據通道。

公用通道：是指各單元板卡共用資源的通道，主要是指電源和時鐘信號的通道。背板上各板卡的供電是由外置電源通過背板提供到各單板的。

管理通道：主要是指智能管理平臺總線（IPMB），該總線是基于一條與各槽位均連接I2C雙串行信號線實現的。管理板可以通過IPMB對其他各板卡進行功能識別以及狀態的實時監測，如管理板可以通過IPMB獲取各板卡的位號、電壓、溫度、正常/故障等信息，該功能需要各單元板卡配置特定的傳感器來實現。

控制通道：是指以管理單元為中心節點的星型拓撲千兆以太網絡，主控交換單元通過該通道對其他各功能單元進行下發指令或交互協議，實現對系統業務狀態的控制。

數據通道：是指以主控交換單元為中心節點的星型拓撲Rapid IO交換網絡，各負載模塊之間數據交互均需要通過中心節點進行轉發來實現。

寬帶信號處理平臺中載板可分為兩類：管理板和通用板，按照具體功能細分，管理板也稱為主控交換板，而通用板可分為信號處理板和數據采集板兩類。該平臺中基本的寬帶信號流程是：數據采集板將模擬信息進行數字化轉換，然后該數字信號通過背板的數據通道傳輸給管理板，管理板再將該數據轉給相應的數字信號處理板，從而完成對寬帶數據的解析和處理。在寬帶無線系統中，寬帶信號有接收和發送兩個流程，前面流程對應信號的接收流程，發送流程與之相反。

上述架構符合OpenVPX標準中3U六槽的中心式背板模型，即BKP3-CEN06-15.2.2-n。因此，對應板卡也可以參照OpenVPX標準中給出的對應模型進行設計[3]。

為了滿足寬帶信號處理速率需求，我們采用4x 串行RapidIO進行數據傳輸，而控制總線采用的千兆以太網。在OpenVPX標準中，對應的管理板的模型型號為：SLT3-SWH-5F5U-14.3.1，該模型為管理板規劃了5條FP（FatPlane），和5條UTP（UltraThinPlane）。其中，FP代表4組高速差分對，而UTP代表1組高速差分對，每組高速差分對含有4根線，2條收，2條發。相應的通用板模型型號為SLT-PAY-1F2F2U-14.2.2[3]。

關于具體板卡的實現，目前技術已經非常成熟，而且市面上有廠家的板卡可供選擇，只要是滿足OpenVPX對應標準的板卡，都可以用來搭建寬帶信號處理硬件平臺，這也是OpenVPX總線架構開放性的很好體現，真正實現產品設計的“貨架式”理念。

三、總線拓撲論證

寬帶信號處理平臺是一個通用的、可靈活配置的系統平臺，在OpenVPX標準中給出了兩種系統組織的總線拓撲結構，分別為：集中交換式拓撲（即星型拓撲）和全互聯拓撲（Full Mesh）。顯然，在上節論述中，我們采用了集中交換式拓撲。下面我們就這一選擇進行論述。

集中交換拓撲結構中需要一個專門負責總線交換的單元模塊，所有其他單元之間的數據交互均由該交換單元來完成。這種結構便于系統對各功能單元的集中控制和管理。集中交換拓撲實現的難點在于要求該交換單元具有足夠大的數據吞吐能力和足夠小的總線交換延時。目前已有芯片廠商解決了該難題，設計出快速總線交換芯片，可以滿足我們的需求。

圖2 集中交換拓撲結構

全互聯拓撲結構示意圖如圖3所示，該結構中任意兩個功能單元之間均有相互直聯的總線，不需要增加交換單元便可實現任意單元間的總線通信，同樣這種結構也可保證總線傳輸的實時性。但這類結構需要每個功能模塊都有個總線接口（其中N為系統中功能單元總數），這種情況下，系統中總線的數量總數為：

假設我們需要5塊功能單元，則每個功能單元應具有4個總線接口，且需要連接10條總線通路。而目前主流處理器芯片一般只能提供2個4x的的高速串行總線接口，要想實現5塊功能單元，只能為每個單板配置多個同樣的芯片，這樣不僅會增加單元板的復雜度和成本，而且也會使系統背板布線非常復雜，也不利于系統功能擴展。

圖3 全互聯拓撲結構

基于以上分析，我們在上平臺架構設計是選用了集中交換的拓撲結構來構建系統。如果該類架構中需要的板卡比較多，建議采用6U的板卡設計，同時提高管理板的總線吞吐能力。

四、性能分析

以目前國內高速總線實現的普通水平為例，單路RapidIO至少可達到2.5Gbps數據吞吐量，而對應4x RapidIO，則可實現至少10Gbps的數據傳輸帶寬。10Gbps的處理帶寬可以滿足目前大部分實際應用的場合。如果有更高帶寬的處理要求，可采用6U板卡，可實現近3倍于3U板卡的帶寬吞吐能力，即30Gbps。

該平臺采用開放式總線架構，各單元與總線接口均符合所采用開放式總線接口標準。單元板均為統一尺寸的標準單元板卡，采用標準總線架構。實現該平臺的技術難點主要在于高速PCB的設計。

高速PCB設計主要難點在于高速信號的信號完整性設計。在設計過程中需要采取多種技術措施來保證設計的可靠性，首先在PCB分層時考慮高速信號的特殊要求，其次在布線時對高速差分對要單獨設置嚴格的約束條件，布線完成后要借用軟件對布線效果進行信號完整性仿真，最終還要通過實際測試后才能確定PCB是否滿足高速總線要求。

結論

本文給出了基于OpenVPX總線標準的寬帶信號處理平臺的設計分析，通過對OpenVPX系統總線的剖析和應用，給出了一種通用化的、且可靈活配置的寬帶信號處理平臺設計方法，同時針對系統的組織拓撲進行論證分析。該通用平臺可滿足高速無線通信系統的需求，還可應用與雷達信號處理、圖像視頻處理等高性能、高帶寬的數字信號處理系統中。

參考文獻

[1]楊剛；龍海燕；楊晞，計算機總線發展新趨勢[J]微計算機信息，2003.1.15.

[2]ANSI/VITA46.0-2007，American National Standard for VPX Baseline Standard [s]，2007.

[3]ANSI/VITA65-2010，OpenVPX TM System Specification[s]，2010.

（作者單位：廣州海格通信集團股份有限公司）