一種可重構配置技術在軟件無線電中的應用

摘 要： 提出了一種PowerPC和FPGA可重構配置技術，并以此構建了軟件無線電系統，主要研究了系統的可重構軟硬件設計方案。重點闡述了系統可重構實現的幾個關鍵技術：可重構硬件核心架構構建，PowerPC重構配置軟件構建，FPGA重構配置軟件構建，并對系統的重構配置進行了試驗測試。通過試驗表明，該系統重構配置的成功率高、速度快，滿足設計要求。

關鍵詞： PowerPC； FPGA； 可重構配置技術； 軟件無線電

中圖分類號： TN92?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）19?0025?04

Abstract： A reconfiguration technology based on PowerPC and FPGA is proposed. And on this basis， the software?defined radio （SDR） system was constructed. The design schemes of reconfiguration software and hardware are studied mainly in this system. Several key technologies for system reconfigurable realization are described， including the constructions of reconfigurable hardware core architecture， PowerPC reconfiguration software， and FPGA reconfiguration software. The reconfiguration technology of the system was tested. The test results show that the system reconfiguration has high success rate and fast speed， and can meet the design requirements.

Keywords： PowerPC； FPGA； reconfiguration technology； SDR

0 引 言

軟件無線電的概念由MILTRE公司的Jeo Mitola于1992年5月首次提出[1]。作為一種新的無線電體系架構，它的核心思想是通過硬件和軟件的結合使無線網絡和用戶終端具有可重構配置能力[2]。其中，可重構配置技術是構建軟件無線電體系的關鍵技術。

隨著科技發展水平的提高和工藝的進步，以具有豐富外設資源、處理能力強的PowerPC芯片及具有超大規模、低功耗特性的FPGA芯片為核心構建的數字處理平臺廣泛應用于目前的無線通信裝備中[4?5]，并發揮著重要作用。因此，針對PowerPC和FPGA進行可重構配置設計對構建具有可重構配置能力的軟件無線電系統有著重要意義。基于上述原因，本文提出了一種軟件無線電系統PowerPC和FPGA可重構配置技術與實現方法，形成了一套軟件無線電可重構配置解決方案。

1 主要技術介紹

1.1 FPGA可重構技術

FPGA可重構技術可以分為靜態重構和動態重構兩類。前者是指在系統空閑期間進行在線編程，即斷開先前的電路功能后重新下載存儲器中不同的目標數據來改變目標系統邏輯功能；后者是指在系統實時運行中對FPGA芯片進行動態配置，改變電路功能同時仍能保證電路的動態接續[6?7] 。

1.2 基于模塊動態加卸載的PowerPC重構配置技術

PowerPC運行嵌入式VxWorks操作系統，VxWorks操作系統支持對模塊分別進行編譯生成，并且可以在系統運行過程中動態的加載或卸載模塊[8]。本文利用VxWorks操作系統的這個特性，通過軟件模塊化設計，使軟件各個組件之間具有最小的耦合，改善軟件的結構[9]；在系統運行時，動態加載多個應用程序模塊，實現這些模塊的鏈接和相互調用，從而實現系統功能的重構。

2 基于可重構配置的軟件無線電系統框架設計

軟件無線電系統以PowerPC，FPGA作為可重構硬件平臺的核心。平臺架構如圖1所示，由顯控子系統，主控子系統、基帶/中頻處理子系統、射頻子系統、天線組成?？芍貥嫼诵牟糠职ㄖ骺刈酉到y、基帶/中頻處理子系統。

2.1 主控子系統

主控子系統采用嵌入式控制芯片PowerPC作為軟件無線電網絡協議生成/解析、信息生成/解析、數據融合和功能重構控制的核心器件。存儲模塊用于存儲可重構功能組件，采用固態盤的形式，并可實現存儲容量的靈活拓展。主控子系統與基帶/中頻處理子系統、射頻子系統的通信采用具有可擴展性的標準CPCI總線[10]，主控子系統與顯控子系統通過以太網連接。

2.2 基帶/中頻處理子系統

基帶/中頻處理子系統采用FPGA這類可重構器件作為基帶/中頻信號處理的核心器件。其中2片任務功能FPGA（FPGA1，FPGA2）作為動態加載的承載體：FPGA1實現中頻信號接收及下變頻、同步、解調、解碼等功能；FPGA2實現編碼、調制、上變頻及中頻信號輸出等功能。配置FPGA（FPGAld）則實現對任務功能FPGA的重構配置。

3 軟件無線電系統可重構配置實現

3.1 可重構硬件核心架構構建

系統硬件核心架構如圖2所示。

（1） PowerPC：選用Freescale半導體公司高性能PowerPC架構的PowerQuiccⅢ處理器MPC8548作為主控子系統核心控制處理器。該處理器最高頻率為1.5 GHz并支持PCI?E等接口，其擅長進行高速低時延的處理，適用于系統網絡協議分析、信息解析的實時處理以及高速重構配置管理。

（2） FPGA1/2：選用Xilinx公司的Virter?5系列芯片XC5VSX50T作為基帶、中頻處理的核心處理器。并且該芯片基于SRAM工藝，可實現配置邏輯可重構以及配置數據可回讀的功能，可作為重構配置的承載體。

（3） FPGAld：選用Xilinx公司的SPARTAN?3AN系列芯片XC3S1400AN作為重構配置的微控制器，通過獨立的電路設計實現對兩片任務功能FPGA（FPGA1，FPGA2）的并行重構配置。

PowerPC通過CPCI接口與FPGAld連接，FPGA1，FPGA2的加載控制管腳與FPGAld的I/O管腳相連，FPGAld產生相應的加載時序實現對FPGA1，FPGA2的在線配置。系統進行可重構配置時，PowerPC將軟件功能組件bit文件發給FPGAld， FPGAld對FPGA1，FPGA2實現重構配置，PowerPC通過模塊動態加載的方式實現自身的功能重構。

3.2 可重構軟件設計

3.2.1 可重構軟件設計概要

軟件無線電系統可重構軟件的典型架構如圖3所示，主要包括主控軟件框架、重構配置軟件以及波形組件。系統軟件以重構配置軟件構建為基礎，利用模塊化的波形組件實現系統功能的可重構。

（1） 主控軟件

主控軟件具有數據融合、軟件配置、接口管理等功能，可以實現人機交互軟件對硬件資源訪問及軟件模塊調配，實現數據融合處理并通過重構配置軟件實現波形組件的管理和調用。

（2） 波形組件

波形組件是指可重構的軟件無線電系統所需的各種程序模塊，典型的組件包括：信號調制/解調模塊、信道編碼/解碼模塊、插入/去除同步引導頭模塊、信息生成/解析模塊、網絡協議生成/解析模塊等。各波形組件模塊以功能函數的形式通過主控軟件調用。

（3） 重構配置軟件

重構配置軟件是實現系統可重構的核心，包括PowerPC重構配置軟件、FPGA重構配置軟件。PowerPC重構配置軟件采用模塊動態加卸載的方式，加載的波形組件包括信息生成/解析模塊、網絡協議生成/解析模塊等。FPGA重構配置軟件采用動態加載方式，加載的波形組件包括信號調制/解調模塊、信道編碼/解碼模塊、插入/去除同步引導頭模塊等。

3.2.2 PowerPC重構配置軟件的構建

PowerPC重構配置軟件是運行于VxWorks操作系統上的功能可重構的嵌入式軟件。該軟件同時需要控制FPGA的加載配置，因此程序框架主要由兩個部分組成：一是控制PowerPC應用程序自身功能重構的管理部分；另一個是FPGA加載配置的管理部分。

PowerPC重構配置軟件主要由重構管理模塊、模塊文件管理模塊、應用程序加載卸載控制模塊以及FPGA加載控制模塊組成。

重構管理模塊：通過網絡接口與重構管理軟件進行通信，實現在重構管理軟件的控制下完成對功能模塊的加載卸載、對FPGA的動態加載控制以及對應用程序配置文件和FPGA加載配置文件的管理。

模塊文件管理模塊：在重構管理軟件的控制下，實現對應用程序模塊文件和FPGA加載文件的管理，包括增加文件、刪除文件和替換文件等功能。

應用程序加載卸載模塊：是實現PowerPC功能重構的重要部分，其利用VxWorks系統的接口函數loadModule（）和unldByModuleId（）實現應用程序模塊（波形組建）的加載和卸載。配置軟件為了能對所有的應用程序模塊進行控制，每個應用程序模塊必須實現run（）和stop（）兩個接口，以被加卸載框架進行調用，并且在stop（）接口中，必須將本應用程序模塊申請的資源進行釋放。

FPGA加載控制模塊：該模塊的主要功能是對FPGA的加載進行控制。該模塊從嵌入式文件系統中讀取FPGA加載文件，然后通過CPCI接口將文件數據分包發送到加載FPGA中，直到所有文件數據加載完成，同時對FPGA的加載狀態進行讀取，判斷FPGA是否成功加載。該模塊中每個FPGA的加載設計成單獨一個任務，因此可以建立多個任務實現多個FPGA同時進行加載。

軟件可實現遠程加載和本地加載（無需顯控子系統重構管理軟件控制）。在本地加載模式下，PowerPC重構配置軟件將從應用程序配置文件和FPGA配置文件中讀取重構信息，從而對FPGA進行加載和對應用程序模塊進行加載運行。系統的啟動流程如圖6所示。

3.2.3 FPGA重構配置軟件的構建

FPGA重構配置軟件通過FPGAld中的Verilog代碼實現。重構配置流程如圖7所示。

對FPGA加載的時序如圖8所示。首先將PROG_B管腳拉低，此時FPGA自動將INIT_B管腳拉低，等待FPGA初始化完成，即INIT_B管腳拉高并采樣配置模式M[2：0]后，此時可輸出CCLK及相應的配置數據，配置成功后，FPGA會將DONE管腳電平拉高，在整個配置過程中，都需要將CS_B和RDWR管腳電平拉低。

4 試驗驗證

按照圖2的架構搭建了可重構軟件無線電系統平臺，通過試驗對系統可重構設計的可行性進行驗證。配置系統可重構功能組件：調制及解調模式（MSK）、編碼模式（卷積碼）以及特定的網絡協議、報文信息協議。重構試驗中功能組件加載路徑如圖9所示，將系統D/A輸出與A/D輸入直連進行重構后功能自環測試。

通過100次重構試驗測試，系統通信功能均正常，重構成功率為100%。系統重構時間（含功能模塊調用、傳輸、加載的時間）的最大值為10 s，可以實現系統功能快速重構。

5 結 語

本文研究了一種基于PowerPC和FPGA的可重構配置方法，介紹了一種軟件無線電系統可重構配置框架設計方式。并對軟件無線電系統可重構配置實現的關鍵技術進行了詳細闡述，主要包括可重構硬件核心架構構建、PowerPC重構配置軟件構建、FPGA重構配置軟件構建，并搭建了可重構軟件無線電系統平臺進行試驗驗證。研究表明，基于PowerPC和FPGA的可重構設計在軟件無線電系統中的應用是可行的。

參考文獻

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