基于SCA架構的軟件無線電數字系統主板設計

趙秋明，胡曉鵬

（桂林電子科技大學 信息與通信學院，廣西 桂林 541004）

0 引言

在現代的信息社會，無線通信無處不在，人們對無線電通信的需要也呈指數倍增。各種類型的無線通信不斷出現，如數據通信、語音通信、圖像通信、廣播通信、應急通信等。傳統的無線電通信系統主要使用專用的ASIC硬件芯片來搭建，這種系統不僅不可重構，系統升級價格昂貴，而且系統功能單一，無法勝任現今高速發展的無線通信的要求。隨著嵌入式處理器以及可編程邏輯推廣，一種新的無線電體系——軟件無線電技術應運而生，這種系統可以在一個硬件平臺下整合多種通信系統，通過軟件的方式來配置和切換。本文主要提出一種基于SCA中間件架構的軟件無線電系統設計方案，并詳細介紹其中軟件無線電系統控制主板硬件系統框架和結構。

1 SCA軟件無線電典型框架

圖1為SCA軟件無線電典型框架，系統主要由數字子系統、A/D和D/A子系統、模擬子系統組成[1]。

數字子系統是一種由多個處理器或者可編程邏輯芯片組成的分布異構系統，包括了一些實際的核心硬件芯片以及運行在其上的軟件集合。這些核心硬件芯片主要包括通用處理器（GPP）、數字信號處理器（DSP）、現場可編程門陣列（FPGA）和特殊應用集成電路（ASIC）。由于背離軟件無線電的初衷，并且缺乏軟件可配置性和靈活性，ASIC芯片并不推薦使用。操作系統以及核心框架主要是運行在GPP或者DSP上的，而波形文件是一種負責在異構系統中模塊與模塊之間通信的文件，主要由通用性、兼容性良好的接口定義語言（IDL）所描述。

A/D，D/A子系統主要實現軟件無線電中頻信號的處理以及模數/數模轉換。模擬子系統主要由混頻器、射頻放大器和天線組成，主要實現中頻模擬信號與射頻模擬信號之間的轉換、射頻模擬信號的放大以及無線電信號的接收和發射。

2 系統硬件設計與實現

該軟件無線電系統主要采用獨立于計算機的方案進行設計，系統并不依賴計算機主機，但預留有與計算機之間的通信接口。軟件無線電硬件系統主要是由數字系統主板、中頻A/D和D/A子板、射頻收發子板這3部分組成。本文只介紹軟件無線電平臺的數字系統主板的電路設計方案。

數字系統主板是整個軟件無線電框架中最核心的部分，它主要完成4個部分功能：1）系統的軟件管理和配置；2）操作系統和軟件無線電核心框架以及波形文件的生成；3）數字基帶信號的生成和處理；4）實現數字基帶信號的上變頻與數字中頻信號的下變頻。

按照以上功能來劃分本系統主要由2個部分組成：1）嵌入式子系統，主要完成上述的前兩項功能；2）FP?GA數字子系統，主要實現上述后兩項功能。

3 嵌入式系統

嵌入式系統的主要功能是實現對整個軟件無線電系統的管理以及生成軟件無線電的波形文件，系統框圖如圖2所示。

為了減少系統硬件的復雜度，同時避免多個異構芯片通信所增加的不必要系統開銷，本文主要采用DaVinci平臺的視頻處理器TMS320DM6446作為核心處理器[2]。該芯片是TI公司推出的一款高集成度的SoC視頻嵌入式處理芯片，芯片內部包含一個ARM子系統，一個DSP子系統，一個視頻處理子系統（VPSS）以及豐富的外設接口。其中ARM子系統采用ARM926EJ-S核，主頻可達297 MHz，DSP子系統采用C64+核，主頻可達594 MHz，單位周期指令數更是高達4 752 MI/s。這款芯片由于集成了帶MMU功能的ARM9內核，常用的嵌入式操作系統（如Linux，WinCE，VxWorks）都可以移植到該平臺上，并且ARM和DSP可通過TI提供的Codec Engine實現無縫通信，在具有強大系統管理功能的同時提供高速的數據傳輸以及強大的數字信號處理能力，可以滿足各種苛刻的實時性環境要求[3]。

按照嵌入式子系統的功能細分，又可將該系統分為存儲器模塊、外設接口模塊以及嵌入式系統與FPGA數字系統通信模塊這3部分。

3.1 存儲器模塊

存儲器模塊是軟件管理中的系統信息以及軟件無線電波形文件存儲的硬件載體，包括系統內存部分以及大容量Nand Flash存儲器部分。系統內存部分采用兩片Micron公司的MT47H64M16HR芯片構成32 bit位寬，容量為256Mbyte的DDR2外部隨機存儲器，MT47H64M16HR芯片支持多種CL（CAS Latency）設置，最高可支持到DDR2-1066標準時鐘速率。DM6446只提供8 kbyte的數據ROM，用于存儲少量啟動代碼，所以必須外擴大容量的持久性存儲芯片，Nand Flash具有寫和擦寫速度快的特點，而且容量比較大，十分適合作為大容量塊設備來使用。本文采用三星公司的K9K4G08Q0M芯片，該芯片的容量為512 Mbyte，位寬為8 bit。

3.2 外設接口模塊

DM6446提供了豐富的外圍設備接口，可以根據用戶的需要擴展不同的應用。在本設計中，主要使用了以太網介質訪問和數據管理輸入/輸出接口（EMAC/MDIO）、異步串口（UART）、音頻串行接口（ASP）、視頻處理后端接口（VPBE）、通用串行總線接口（USB）以及SD/MMC控制接口[4]。

以太網物理層芯片采用Intel公司的LXT971芯片，支持MII和MDIO接口，提供10/100M自適應快速以太網標準支持。由于DM6446自身集成了硬件的以太網MAC層協議，所以可以很方便地移植TCP/IP協議棧，進行各種網絡應用程序開發。

異步串口搭配MAX232芯片進行電平轉換，不僅可以應用于各種軟件的調試，而且可以作為與PC通信的接口來使用。音頻串行接口搭配TI公司的立體聲音頻轉換芯片PCM3008T，提供16 bit高質量的模擬音頻編解碼。在實際設計的電路中搭配了150 mW的音頻功率放大器TPA6111，可實現高保真的立體聲音頻輸出。

由于DM6446帶有完整的圖像處理子系統（VPSS），所以可以用其中的VPBE部分搭建VGA視頻標準協議來傳輸數字圖像信息。傳輸數字圖像的基本原理是將視頻數據流通過VPFE轉換成模擬信號，通過VPBE模塊將模擬信號分離出紅、綠、藍3種基色信號，分別輸送給VGA接口，再由FPGA提供高頻的場同步和行同步信號，從而實現視頻數據流在顯示設備上顯示。

USB接口和SD/MMC接口可用來擴展移動式存儲介質，比如U盤和SD卡，另外也可以作為無線網卡的接口來使用，從而實現無線局域網（WLAN）應用。

3.3 嵌入式系統與FPGA數字系統通信模塊

軟件無線電的一個重要難點是要如何解決高效的，在各種分布式異構平臺和器件之間傳輸波形文件，所以嵌入式系統與FPGA數字系統通信模塊的任務主要是解決DSP和FPGA這兩個異構器件之間通信的問題。

TI公司的EMIF接口協議可以很好地解決這個問題。EMIF可以支持最大128 Mbyte的尋址空間，工作時鐘速率高達100 MHz，提供8/16 bit的并行數據接口。本文在FPGA端利用邏輯資源建立ASRAM寄存器組，并利用DM6446的EMIF接口把FPGA作為一個外部存儲器來使用。這樣就可以在FPGA和DSP之間建立高速通信通道，傳送一些數據量較大的通信數據。

TI公司提供了另一種高效的串行通信接口VLYNQ，它占用管腳數少，支持8/10 bit編碼，工作在全雙工模式下，總線時鐘最高可達到125 MHz。利用Xilinx公司提供的VLYNQ的IP核，可以很方便地與DM6446建立通信鏈路，傳送一些數據量較小的控制信令。

4 FPGA數字系統

FPGA數字系統主要完成3個部分工作：1）負責接收從嵌入式子系統中傳輸過來的數據以及控制信令，并把傳送過來的數據封裝成幀，生成數字基帶信號波形。2）根據接收到的控制信令，對數字基帶信號進行編碼以及調制，實現對數字基帶信號的數字上變頻，并通過接口將上變頻后的數字信號傳送給中頻A/D，D/A子板進行數模轉換。3）接收從中頻A/D，D/A子板經過模數轉換的中頻數字信號，對中頻數字信號的載波和符號進行提取，從而實現對中頻數字信號的數字下變頻、解調以及解碼，還原原始基帶信號波形。

FPGA數字系統采用了Xilinx公司最新的Spartan-6系列FPGA。該系列產品具有許多過去系列不可比擬的優點。Spartan-6系列FPGA采用低功耗的45 nm工藝技術。每個可編程邏輯塊（CLB）中的邏輯片（Slice）都由先進、高效、雙寄存器的6-輸入查找表（LUT）的邏輯結構組成，使得整體系統性能得到全面提高。芯片內置低功耗的250 MHz的DSP48A1 Slice和18×18 bit的乘法器，可以實現高速DSP應用。芯片擁有多條時鐘管理管道，均包含2個DCM和1個PLL，并支持1 000 MHz的時鐘技術[5]。

FPGA數字系統框圖如圖3所示，整個系統主要由編程配置和外圍接口這兩部分構成。對FPGA的編程配置主要通過編程選通電路來完成。

編程選通電路通過CS3與EMIF_A12這2個管腳取值來判決是否利用EMIF接口對FPGA進行重新配置。在對FPGA進行配置的同時也會自動配置SPI接口的Flash芯片W25Q64VSFIG，使得該系統具有掉電非易失的特性。外圍接口部分除了包括外擴通用I/O接口、按鍵以及LED指示燈和JTAG編程接口以外，還預留了一個高速的FMC夾層卡接口[6]。該接口具有良好的抗電磁干擾特性，數據管腳可自由組合成最多68個獨立的單端LVCMOS或者34對差分LVDS，差分LVDS的最高傳輸速率可達到10 Gbit/s。這個接口既可直接用于與下級子板通信，也可用于外擴其他功能子板，十分靈活。另外為了系統調試的方便，從FM接口的68個數據管腳中又引出20個管腳作為與中頻A/D，D/A子板通信的通用插針DIP20接口。

5 小結

本文主要介紹了一種新型的SCA軟件無線電數字系統主板的硬件結構與框架。該設計獨立于PC自成一個系統，充分利用DaVinci嵌入式技術以及新型的FPGA技術來構建一個可移植主流操作系統，功能強大，具有較強靈活性的數字平臺。目前該平臺已制作成印制電路板，經過電路的調試以及軟件的編程測試，證實上述方案是可行的。

[1]BARD J，KOVARIK V J.Software defined radio—the software com?munications architecture[M].[S.l.]：John Wiley&Sons Ltd，2007.

[2] 張起貴，張勝，張剛.最新DSP技術——“達芬奇”系統、框架和組件[M].北京：國防工業出版社，2009.

[3] 王艷艷，郅晨，張俊業.基于嵌入式Linux的DM6446編碼器的設計[J].電視技術，2010，34（3）：17-20.

[4] 葉志龍.基于TMS320DM6446的嵌入式視頻系統設計[D].太原：太原理工大學，2007.

[5] 何賓.Xilinx可編程邏輯器件設計——技術詳解[M].北京：清華大學出版社，2010.

[6] 孫航.Xilinx可編程邏輯器件應用與系統設計[M].北京：電子工業出版社，2008.