一種基于SDR硬件平臺的可重構(gòu)方式設計

摘 要：基于目前多通信體制共存的局面和通信技術高速發(fā)展的趨勢，本文在對可重構(gòu)技術進行研究的基礎上，提出一種適合清華大學“軟硬件可重構(gòu)的新一代無線通信統(tǒng)一平臺”硬件平臺的可重構(gòu)方式，即寄存器參數(shù)重配置方式和模塊切換方式相結(jié)合的動態(tài)重構(gòu)方式。該動態(tài)重構(gòu)方式可節(jié)省資源消耗，同時可獲得良好的可擴展性和靈活性。

關鍵詞：SDR硬件平臺； 可重構(gòu)方式； 寄存器參數(shù)配置； 模塊切換

中圖分類號：TN925-34 文獻標識碼：A

文章編號：1004-373X(2011)17-0078-04

Design of Reconfigurable Mode for Hardware Platform Based on

Software Definition Radio Technology

CHENG Qing-yan， LIU Xi-wu， LIU Zhen-huan

(Tsinghua National Laboratory for Information Science and Technology， Beijing 100084， China)

Abstract： With the situation that multiple communication systems coexist and the trend that the communication technology develops in high speed， a reconfigurable mode suitble for the hardware platform of communication system based on Software Definition Radio technology of Tsinghua University is proposed after the deep research for the reconfigurable technology. The design adopts the dynamic reconfigurable mode of combining the parameter register and function module (two different physical levels). This reconfiguration design can save resource consumption， and achieve fine scalability and flexibility.

Keywords： SDR hardware platform; reconfigurable mode; parameter configuration of register; module switch

0 引 言

目前無線通信技術高速發(fā)展，包括GSM，WCDMA，CMDA-2000，TD-SCDMA在內(nèi)的各種通信標準不斷涌現(xiàn)。為了能夠適應多標準共存的局面，實現(xiàn)各制式間靈活切換和向后兼容，基于SDR的硬件平臺必須具有可重構(gòu)性，開放性和擴展性等特性。隨著微電子技術的不斷發(fā)展，基于SDR的硬件平臺的可重構(gòu)系統(tǒng)已有了一些開發(fā)實例，但仍存在著一些問題：如何選擇更為緊湊的體系結(jié)構(gòu)，盡量減小多模切換時重構(gòu)模塊間的相互作用，如何快速實現(xiàn)低功耗的可重構(gòu)等。

為了解決“軟硬件可重構(gòu)的新一代無線通信統(tǒng)一平臺”SDR硬件平臺在可重構(gòu)方面也存在的上述問題，實現(xiàn)多通信體制間的切換和兼容，本文在對可重構(gòu)技術進行研究的基礎上引入寄存器參數(shù)配置的動態(tài)重構(gòu)方式，提出適用于“軟硬件可重構(gòu)的新一代無線通信統(tǒng)一平臺”硬件平臺的動態(tài)重構(gòu)方式——用寄存器參數(shù)重配置方式和模塊切換方式相結(jié)合的動態(tài)重構(gòu)方式。

1 硬件平臺的構(gòu)成

“軟硬件可重構(gòu)的新一代無線通信統(tǒng)一平臺”SDR硬件平臺根據(jù)SDR硬件可重構(gòu)平臺的基本框架［1］搭建。圖1所示的清華大學“軟硬件可重構(gòu)的新一代無線通信統(tǒng)一平臺”硬件平臺主要由CPU、基帶單元前端處理板、中頻單元、射頻單元、天線單元以及一些外設構(gòu)成。

圖1中：CPU作為主處理器主要完成人機交互、資源管理、重構(gòu)模式檢測處理、數(shù)據(jù)和程序下載等可重構(gòu)系統(tǒng)的上層控制任務。基帶單元前端處理板包括FPGA，ARM，F(xiàn)LASH，SRAM等。其中ARM作為可重構(gòu)控制單元主要負責處理硬件平臺的重配置和模式切換功能；通過讀取可重構(gòu)存儲器FLASH中的重構(gòu)控制程序?qū)芍貥?gòu)信號處理器FPGA進行重構(gòu)。FPGA作為可重構(gòu)信號處理器主要完成信道編解碼、調(diào)制解調(diào)、數(shù)據(jù)成幀、數(shù)字上下變頻等一系列處理， SRAM作為存儲器，主要負責存儲控制程序和數(shù)字處理程序。經(jīng)FPGA處理后的信號然后經(jīng)過數(shù)/模、模/數(shù)轉(zhuǎn)換、模擬中頻、射頻，最終通過天線進行收發(fā)［2］。

2 SDR硬件平臺的可重構(gòu)方式

“軟硬件可重構(gòu)的新一代無線通信統(tǒng)一平臺”SDR硬件平臺需根據(jù)情況和需求的改變進行動態(tài)重構(gòu)。傳統(tǒng)的動態(tài)重構(gòu)方式主要有：鏈路切換方式和模塊切換方式。鏈路切換方式因模塊復用會造成嚴重的資源浪費。模塊切換方式在節(jié)省資源消耗方面比鏈路切換方式更有優(yōu)勢，但對于如FIR濾波器，可通過改變參數(shù)而實現(xiàn)功能特性改變的模塊，模塊切換方式亦會造成一定的資源浪費。針對鏈路切換方式和模塊切換方式的資源浪費問題，“軟硬件可重構(gòu)的新一代無線通信統(tǒng)一平臺”SDR硬件平臺在使用模塊切換方式的基礎上引入了寄存器參數(shù)重配置的動態(tài)重構(gòu)方式。

為了合理、公平的比較寄存器參數(shù)配置方式和模塊重構(gòu)方式的優(yōu)劣性，本文將以FIR濾波器為例實現(xiàn)寄存器參數(shù)配置方式和模塊重構(gòu)方式兩種重構(gòu)方式，并給出兩者在重構(gòu)時間和資源消耗方面的對比，以證明模塊切換方式和寄存器參數(shù)配置方式相結(jié)合的動態(tài)重構(gòu)方式的優(yōu)異性。

2.1 模塊切換方式結(jié)構(gòu)框圖

模塊切換方式是指在系統(tǒng)需求改變時，通過控制指令直接切換至所需要的功能模塊，基本上適用于所有的功能模塊。而功能模塊是依據(jù)功能相對獨立，聯(lián)系盡量緊密，連接盡量簡單的原則進行劃分的，然后分別對每個功能模塊進行設計、綜合，最后將所有模塊有機的組織起來完成整個系統(tǒng)的設計［3］。模塊切換方式結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

2.2 寄存器參數(shù)配置方式結(jié)構(gòu)框圖

寄存器參數(shù)配置方式是指對于可通過改變參數(shù)而實現(xiàn)功能特性改變的模塊，可預先開辟一個存儲寄存器，把參數(shù)存在寄存器里。在需要時，通過讀取寄存器里的參數(shù)來改變功能模塊的功能特性，從而實現(xiàn)該模塊的動態(tài)重構(gòu)。寄存器參數(shù)配置方式結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

3 寄存器參數(shù)配置方式和模塊切換方式仿真驗證

FIR濾波器設置采用矩形窗函數(shù)，中心頻率設置為15 MHz，20 MHz，25 MHz，帶寬為10 MHz，15 MHz，5 MHz。仿真語言為Verilog硬件語言，首先在Modelsim 6.2e上進行功能仿真驗證，然后Quartus Ⅱ 10.0版本上進行了邏輯綜合得出資源消耗情況。寄存器參數(shù)配置方式和模塊切換方式仿真模塊如圖4所示。

模塊切換方式實現(xiàn)FIR濾波器動態(tài)重構(gòu)，即系統(tǒng)運行過程中，濾波器特征情況需要改變時，通過切換到相應功能模塊而實現(xiàn)動態(tài)改變FIR濾波器的類型，特征頻率，帶寬等。

寄存器參數(shù)配置方式實現(xiàn)FIR濾波器動態(tài)重構(gòu)，即系統(tǒng)運行過程中，濾波器特征情況需要改變時，通過讀取不同寄存器里的h(n)系數(shù)值實現(xiàn)動態(tài)改變FIR濾波器的類型、特征頻率和帶寬等。

3.1 RTL模塊

模塊重構(gòu)方式和寄存器參數(shù)配置方式的RTL模塊圖如圖4和圖5所示。從圖中可以看出RTL模塊圖基本符合其結(jié)構(gòu)框圖，且寄存器參數(shù)配置方式相比模塊重構(gòu)方式模塊較少。

3.2 功能仿真結(jié)果

模塊切換方式有兩種工作方式:方式a：各功能模塊一直處于工作狀態(tài);方式b：僅有所需功能模塊處于工作狀態(tài)。模塊切換方式的兩種方式和寄存器參數(shù)配置方式的功能仿真結(jié)果如圖6和圖7所示。從圖中可以看出模塊切換方式a沒有切換延時(圖6灰框中所示)，但因各模塊一直處于工作方式而導致功率消耗較大(圖6黑框中所示)，模塊切換方式b僅有所需模塊處于工作狀態(tài)(圖7黑框中所示)卻因模塊的切換和建立時間而引起切換延時(圖7灰框中所示)，出FIR濾波器在切換過程中存在31個時鐘的切換延時。寄存器參數(shù)配置方式工作時僅有一功能模塊在工作，且一直處于工作狀態(tài)，所以相比模塊切換方式a可節(jié)省大量功率消耗，而相比模塊切換方式b又可節(jié)省模塊切換和建立時間(圖8灰框中所示)。

3.3 資源消耗情況

表1為FIR濾波器在寄存器參數(shù)配置方式和模塊切換兩種方式下的仿真的資源消耗結(jié)果對比。從表中可以看出寄存器參數(shù)配置方式和模塊切換方式相比資源消耗較少，雖然相對于模塊切換方式a增加了部分DSP block單元，但總體上來說可節(jié)省大量的LES資源，且隨著模塊數(shù)的遞增，寄存器參數(shù)配置方式節(jié)省的LES資源越多。資源消耗情況如圖9~圖11所示。

4 寄存器參數(shù)配置方式的優(yōu)點與局限性

寄存器參數(shù)配置方式相比模塊切換方式可獲得重構(gòu)速度和資源消耗兩方面的優(yōu)勢。因寄存器參數(shù)配置方式相比模塊切換方式可獲得資源消耗方面的優(yōu)勢，所以相比鏈路切換方式和模塊切換方式，寄存器參數(shù)配置方式可在相同有限FPGA邏輯資源上實現(xiàn)更多的功能模塊。

寄存器參數(shù)配置方式可適用于FIR濾波器、FFT變換、IFFT變換、正余弦發(fā)生器等硬件算法實現(xiàn)相同、參數(shù)不同特性不同的功能模塊。而對于調(diào)制方式QPSK，16QAM，編碼方式CC，Turbo碼等算法不同但功能相同的功能模塊無法使用寄存器參數(shù)配置方式實現(xiàn)重構(gòu)。

因其寄存器參數(shù)配置方式適用范圍的局限性，對于如調(diào)制方式QPSK，16QAM，編碼方式CC，Turbo碼等模塊需使用模塊切換方式實現(xiàn)重構(gòu)。所以本次重構(gòu)方式設計中采用模塊切換方式和寄存器參數(shù)配置方式相結(jié)合的動態(tài)重構(gòu)方式。通過這兩重構(gòu)方式的結(jié)合，不但可以減小模塊切換方式造成的模塊重復和資源浪費，還可克服寄存器參數(shù)配置重構(gòu)方式適用范圍的局限性。

5 結(jié) 語

為了研究適合清華大學“軟硬件可重構(gòu)的新一代無線通信統(tǒng)一平臺”SDR硬件平臺的低消耗、高速度、高擴展性的可重構(gòu)方式。本文引入了寄存器參數(shù)配置方式的動態(tài)可重構(gòu)方式，并通過仿真可知寄存器參數(shù)配置方式在模塊構(gòu)造、資源消耗、重構(gòu)速度方面都具有優(yōu)勢。但因其適用范圍的局限性，“軟硬件可重構(gòu)的新一代無線通信統(tǒng)一平臺”中的SDR硬件平臺采用寄存器參數(shù)重配置方式和模塊切換方式相結(jié)合的重構(gòu)方式。這種相結(jié)合的方式不但可以減少資源消耗，提高重構(gòu)速度，同時也可以突破寄存器參數(shù)配置方式的局限性，實現(xiàn)硬件平臺的動態(tài)快速重構(gòu)。

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作者簡介：

程青燕 女，1985年出生，河北邯鄲人，碩士研究生。主要研究方向為軟件無線電與數(shù)字信號處理。