GP－SDR軟件無線電信號處理平臺的硬件設(shè)計

羅 清，趙 利

(桂林電子科技大學(xué)信息與通信學(xué)院，廣西 桂林 541004)

隨著通信技術(shù)的不斷發(fā)展，各種編譯碼算法、調(diào)制解調(diào)方式不斷涌現(xiàn)出來，各種通信服務(wù)依靠于不同的標(biāo)準(zhǔn)和支持這一標(biāo)準(zhǔn)的通信設(shè)備。這給不同通信體制下的通信接口服務(wù)提出了難題，軟件無線電(Soft Defined Radios)的提出是解決這一問題的有效途徑之一。軟件無線電的中心思想是構(gòu)建一個開放性、模塊化的、標(biāo)準(zhǔn)的、可重構(gòu)的通用硬件平臺，將一系列的通信功能諸如工作頻段、調(diào)制解調(diào)類型、數(shù)據(jù)格式、加解密算法等通過軟件加載來實(shí)現(xiàn)的開放式體系結(jié)構(gòu)［1］。

軟件無線電系統(tǒng)設(shè)計可采用DSP、FPGA、ASIC的方法實(shí)現(xiàn)，其中ASIC又分為多片ASIC和可編程ASIC。采用DSP成本高、系統(tǒng)功耗大、在高速信號處理場合，實(shí)時性不夠好，但可升級性高，擅長算法復(fù)雜的信號處理;采用FPGA成本低、靈活性高、功耗低，實(shí)時性好，但對復(fù)雜算法的數(shù)字信號處理能力相對欠缺;多片ASIC不僅成本高，而且系統(tǒng)沒有可升級性，可編程ASIC雖然成本較低，但是可升級性弱?；诖?，本文設(shè)計了一種GP－SDR軟件無線電數(shù)字信號處理平臺，此架構(gòu)的軟件無線電信號處理平臺能夠兼顧成本、功耗、靈活性以及可升級性，是一種很好的軟件無線電解決方案。

1 方案設(shè)計

1.1 總體架構(gòu)設(shè)計

GP－SDR的軟件無線電信號處理平臺的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 GP－SDR的軟件無線電信號處理平臺硬件結(jié)構(gòu)框圖

基于此架構(gòu)的軟件無線電信號處理平臺具有如下優(yōu)點(diǎn):

1)增強(qiáng)了系統(tǒng)的靈活性，節(jié)約了成本，協(xié)議棧結(jié)構(gòu)易于升級，更加接近理想的軟件無線電系統(tǒng);系統(tǒng)的信號處理能力得到很大的提高，各個部分能充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢，使得系統(tǒng)的資源分配更加合理，優(yōu)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

2)協(xié)議棧全部基于GPP編程實(shí)現(xiàn)，代替?zhèn)鹘y(tǒng)系統(tǒng)中由專用套片實(shí)現(xiàn)的方法，開發(fā)周期短，成本低。

3)GPP多核間靈活的多線程調(diào)度，單指令多集的應(yīng)用，充分發(fā)揮多核CPU并行處理的能力;高吞吐量的通用硬件接口PCI－E或USB3.0/2.0接口，保證了硬件與軟件之間數(shù)據(jù)的交互。

1.2 數(shù)字信號處理平臺方案設(shè)計

DSP+FPGA構(gòu)成的數(shù)字硬件系統(tǒng)最大的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)靈活，具有較強(qiáng)的通用性，適合模塊化設(shè)計，從而能夠提高算法效率;同時開發(fā)周期短，系統(tǒng)易于維護(hù)與升級，適合高速實(shí)時信號處理。GP－SDR軟件無線電信號處理平臺硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 GP－SDR的軟件無線電信號處理平臺硬件結(jié)構(gòu)框圖

DSP的外圍電路包括電源電路、時鐘電路、復(fù)位電路、JTAG調(diào)試電路、外部存儲器總線接口電路，以及各種外部接口，包括音頻輸入輸出接口、以太網(wǎng)接口、UATR接口以及USB接口;FPGA的外圍電路包括電源電路、時鐘電路、存儲器電路、復(fù)位電路、調(diào)試電路以及EMIF接口。

DSP采用的是TI公司的32 bit浮點(diǎn)處理器TMS320C6713［2］，它的最高主頻可以達(dá)到 225 MHz，且可以同時執(zhí)行8條指令，每秒可以處理1.8×109條浮點(diǎn)運(yùn)算指令，是一款高性能、多功能的DSP芯片;內(nèi)核電壓供電芯片采用TI公司的TPS75801，它是一款輸出可調(diào)的電壓轉(zhuǎn)換芯片，輸入電壓最高5.5 V，最低2.8 V，輸出電壓最高5 V，最低1.22 V，DSP 內(nèi)核電壓為1.26 V，可以滿足要求;IO電壓供電芯片采用AMS1117，設(shè)計中采用5 V電壓輸入，3.3 V電壓輸出的固定電壓輸出方式;復(fù)位芯片采用MAXIM公司的MAX708T，芯片能夠在輸入電壓低于3.08 V時輸出復(fù)位信號，保證DSP能工作在正常的供電環(huán)境中;時鐘輸入來源于外部時鐘發(fā)生器CY22150，它是CYPRESS公司生產(chǎn)的一款抗時鐘抖動、偏移的在線可編程時鐘發(fā)生器，能夠輸出高精度的時鐘信號。JTAG接口是基于IEEE1149.1標(biāo)準(zhǔn)的一種邊界掃描測試方式。

FPGA采用的是XILINX公司的Spartan－3A DSP FPGA 系列的XC3SD3400A［3］，集成系統(tǒng)門多達(dá)3.4 ×106個，內(nèi)部更是有多達(dá)126個DSP48A Slice、8個DCM，資源非常豐富。設(shè)計中使用了獨(dú)立于DSP的電源系統(tǒng)，包含了2.5 V，1.8 V，3.3 V 三種 IO 電壓，其中 1.8 V 的 IO 電壓是為與DDR2接口所需要的;輸入電壓為+5 V，通過電壓轉(zhuǎn)換模塊PTH05050WAZ獲得3.3 V、2.5 V的IO電壓，PTH05050WAZ是TI公司一款輸出電壓可調(diào)的電源轉(zhuǎn)換模塊，通過調(diào)節(jié)調(diào)壓電阻獲得輸出在0.8～3.6 V之間的任何電壓值;通過PTH04000WAZ獲得1.2 V的內(nèi)核電壓，PTH04000WAZ也是TI公司一款輸出電壓可調(diào)的電源轉(zhuǎn)換模塊，同樣的通過調(diào)節(jié)調(diào)壓電阻可以獲得0.9～3.6 V之間的任何電壓值。復(fù)位電路采用TI公司的TPS3307與TPS3808，TPS3307用于監(jiān)控內(nèi)核電壓，TPS3308用于監(jiān)控1.8 V，2.5 V，3.3 V 三個 IO 電壓。CY22150 為 FPGA 提供輸入時鐘，通過FPGA內(nèi)部的DCM分頻倍頻獲得需要的信號，AD轉(zhuǎn)換的時鐘也由CY22150提供。設(shè)計中采用了2片微軟公司的DDR2芯片MT47H64M16HR組成128 Mbyte×32 bit的大容量存儲系統(tǒng)用于快速存取整個信號處理過程當(dāng)中產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)。

FPGA通過DSP的EMIF接口與DSP相連，接口信號包括32 bit數(shù)據(jù)總線 ED［0∶31］、地址總線［2∶21］、部分握手控制信號和一些中斷控制引腳。

GPP－CPU部分主要是一些高層協(xié)議棧的設(shè)計，是整個系統(tǒng)重要的設(shè)計環(huán)節(jié)之一，經(jīng)過DSP+FPGA處理的基帶數(shù)據(jù)通過高速數(shù)據(jù)接口USB3.0傳入GPP做后續(xù)的處理，整個信號處理流程當(dāng)中，DSP+FPGA只做數(shù)字信號的基帶處理，GPP負(fù)責(zé)完成后續(xù)的信號處理。

2 關(guān)鍵模塊設(shè)計要點(diǎn)

2.1 DSP、FPGA 配置模塊設(shè)計

為儲存DSP和FPGA自啟動需要的配置信息，各自用1片F(xiàn)lash來存儲這些信息是一種比較常見的處理方式。為節(jié)省成本，系統(tǒng)設(shè)計中，DSP與FPGA共用一片配置Flash，由DSP控制FPGA的配置過程［4］。采用的是AMD公司的AM29F160D，容量為1 Mbyte×16，DSP加載模式設(shè)置為EMIF加載啟動，這種自加載方式從CE1空間的地址處拷貝1 kbyte的數(shù)據(jù)，然后系統(tǒng)從地址0處開始執(zhí)行。FPGA加載模式設(shè)置為從并模式，由DSP通過EMIF接口將配置數(shù)據(jù)送至FPGA的配置鎖存器對FPGA進(jìn)行配置。

2.2 時鐘模塊設(shè)計

通過DSP內(nèi)部的分頻倍頻器產(chǎn)生的時鐘一般都有抖動及衰落，為給DSP提供高質(zhì)量的時鐘信號，決定采用CY22150為DSP提供時鐘輸入以及EMIF工作時鐘。CY22150是CYPRESS公司一款在線可編程的時鐘發(fā)生器，可以產(chǎn)生6個低衰落、低抖動的高質(zhì)量時鐘輸出，最高輸出頻率時鐘為200 MHz，設(shè)計中，DSP的輸入時鐘為25 MHz，EMIF工作時鐘為100 MHz。同理，F(xiàn)PGA的輸入時鐘也由CY22150提供，再經(jīng)過FPGA內(nèi)部DCM分頻倍頻得到其他需要的時鐘信號。

AD采樣過程中，時鐘的抖動會引入相位噪聲，時鐘源產(chǎn)生的抖動會使ADC的內(nèi)部電路錯誤地觸發(fā)采樣時間，結(jié)果造成模擬輸入信號在幅度上的誤采樣，從而惡化ADC的信噪比，故而AD采樣需要一個低抖動的高質(zhì)量時鐘，CY22150為AD轉(zhuǎn)換提供時鐘。

2.3 USB3.0 接口設(shè)計

欲使經(jīng)過DSP+FPGA處理的大量基帶數(shù)據(jù)得到實(shí)時的處理，則必須保證與GPP接口的高速性與穩(wěn)定性，USB3.0就是一個很好的選擇。USB3.0的數(shù)據(jù)帶寬是USB2.0的10倍，達(dá)到5 Gbit/s，而且具有低功耗、可以通過線纜提供更大的功率等USB2.0所沒有的優(yōu)點(diǎn)。

2.4 GPP－CPU 軟件協(xié)議棧設(shè)計

GPP－CPU是整個系統(tǒng)設(shè)計的重點(diǎn)環(huán)節(jié)之一，主要實(shí)現(xiàn)各個功能單元及相關(guān)接口的設(shè)計，功能單元包括數(shù)據(jù)處理單元、控制單元、用戶端設(shè)備控制單元，接口包括人機(jī)交互接口、應(yīng)用編程接口;數(shù)據(jù)處理單元的作用是負(fù)責(zé)處理經(jīng)過DSP及FPGA處理的數(shù)字信號的后續(xù)信號處理工作，控制單元的作用是負(fù)責(zé)整個系統(tǒng)信號處理過程中的控制及系統(tǒng)資源的分配工作，用戶端設(shè)備控制單元的作用是維護(hù)及管理用戶端設(shè)備，人機(jī)接口的作用是為用戶管理及維護(hù)系統(tǒng)設(shè)備和資源提供一個可視性高、易操作的接入接口。GPP－CPU需要處理如此多復(fù)雜的數(shù)據(jù)及事務(wù)無疑給GPP－CPU的效率提出了很大的考驗，基于通用CPU的機(jī)制保證了GPP－CPU的效率，這些機(jī)制主要有:

1)多線程的編程保證了多項任務(wù)在多個CPU核中的并行執(zhí)行，充分發(fā)揮了多核CPU的優(yōu)勢;

2)基于通用操作系統(tǒng)，使用高效率的數(shù)據(jù)零拷貝技術(shù)，大幅度提高了數(shù)據(jù)在協(xié)議棧各層之間的拷貝吞吐量;

3)單指令多操作(SIMD)指令集充分發(fā)揮了CPU的數(shù)字信號處理能力。

3 設(shè)計難點(diǎn)

GP－SDR軟件無線電信號處理平臺有很多優(yōu)點(diǎn):1)平臺配置靈活，有多種配置方式;2)基于GPP－CPU上位機(jī)的開發(fā)更易于修改與移植;3)整個平臺的架構(gòu)更接近理想的軟件無線電系統(tǒng)。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)起來有一定難度，首先，基于DSP+FPGA通用硬件模塊的硬件設(shè)計與調(diào)試是難點(diǎn)之一，硬件設(shè)計包括原理圖設(shè)計、PCB布局、PCB布線［5－6］。對于原理圖的設(shè)計來說，由于設(shè)計當(dāng)中重要元器件的管腳數(shù)目比較多，TMS320C6713有272個管腳，XC3SD3400A有676個管腳，而且芯片之間又有通信，連接也比較復(fù)雜，因此采用了平坦式的原理圖結(jié)構(gòu)，按核心元件的功能劃分為電源模塊、存儲器模塊、DSP模塊、FPGA模塊4大模塊，AD/DA中頻板作為一個單獨(dú)的子板進(jìn)行設(shè)計。在PCB布局方面采用按功能模塊分區(qū)布局的策略。PCB布線是整個硬件制作過程當(dāng)中非常重要的一環(huán)，直接關(guān)系到電路板性能的優(yōu)劣。設(shè)計中用到的DSP及FPGA都是BGA封裝，而且管腳數(shù)很多，因此采用了6層板的設(shè)計。布線過程當(dāng)中應(yīng)把握幾個大原則:1)模擬與數(shù)字部分盡量分開，不要跨區(qū)域布線;2)不同層的布線盡量垂直，減少層間信號耦合;3)差分線盡量靠近等長布線，以便信號同時到達(dá);4)由于電源線及底線要承受較大的電流，在空間允許的情況下盡量加大它們的線寬。接下來是硬件平臺的調(diào)試，總的原則是按功能模塊劃分對每個模塊單獨(dú)進(jìn)行調(diào)試，最后是各個模塊聯(lián)合調(diào)試。其次，DSP+FPGA系統(tǒng)的軟件設(shè)計以及驅(qū)動的開發(fā)也是設(shè)計的難點(diǎn)之一;最后，高層協(xié)議棧在GPP－CPU在上的實(shí)現(xiàn)以及與DSP+FPGA系統(tǒng)的通用高速硬件接口的設(shè)計與開發(fā)也是設(shè)計當(dāng)中比較困難的部分。

4 仿真驗證

XCS3D3400A內(nèi)部嵌入有126個DSP48 Slice，為驗證方便，這里用FPGA來實(shí)現(xiàn)DSP的功能。結(jié)合GNU Radio對系統(tǒng)進(jìn)行仿真。GNU是一種最小程度的結(jié)合硬件(通常是USRP)，用軟件來定義無線電波的發(fā)送和接收模式的一種軟件體系。結(jié)合GNU Radio的USRP(Universal Soft Radio Peripheral)對AM信號的解調(diào)進(jìn)行了仿真驗證，用MODELSIM觀看仿真結(jié)果，仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3 AM信號的解調(diào)(截圖)

由圖3可知，系統(tǒng)可正確實(shí)現(xiàn)AM信號的解調(diào)，這說明系統(tǒng)方案是可行及合理的。

5 總結(jié)

GP－SDR軟件無線電信號處理平臺結(jié)構(gòu)合理，優(yōu)勢明顯，是一種較好的軟件無線電信號處理解決方案。

［1］楊小牛，樓才義，徐建良.軟件無線電原理及其應(yīng)用［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2001.

［2］TMS320C6713 data sheet［EB/OL］.［2012－08－02］.http://wenku.baidu.com/view/6093b70f6c85ec3a87c2c5a1.html.

［3］Spartan－3A DSP FPGA family data sheet［EB/OL］.［2012－08－02］.http://www.docin.com/p－465412822.html.

［4］李飛飛，蘇延川，王鵬.基于DSP的FPGA配置方法研究與實(shí)現(xiàn)［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2011(24):60－62.

［5］白武奇.基于軟件無線電的的硬件設(shè)計與調(diào)試［D］.西安:西安電子科技大學(xué)，2008.

［6］鈕心忻，楊義先.軟件無線電技術(shù)與應(yīng)用［M］.北京:北京郵電出版社，2001.