基于軟件無線電的通信波形FPGA軟件設計方法*

陳海贊

(廣州海格通信集團股份有限公司 廣州 510663)

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基于軟件無線電的通信波形FPGA軟件設計方法*

陳海贊

(廣州海格通信集團股份有限公司 廣州 510663)

論文提出了一種基于軟件無線電的通信波形的FPGA軟件設計方法,通過對通信波形進行硬件抽象層設計及波形組件劃分,使得多個通信波形的各波形組件能夠運行在通用的開放式的硬件平臺上,良好地實現了軟件和硬件分離,以及組件化的設計思想,最大限度實現了FPGA軟件的移植重用。

軟件無線電; 硬件抽象層; 波形

Class Number TN92

1 引言

軟件無線電設備指基于通用的無線電硬件平臺和軟件平臺,功能由軟件定義的無線電設備,軟件可定義的功能包括調制方式、信道接入方式、業務種類、工作速率、接口類型、工作頻率、加密方式和可編程射頻前端等[1]。軟件無線電設備可形成寬頻段、多功能、動態配置的系列通信設備,對于提升設備的互聯、互通能力,減少設備品種,降低設備升級和維護成本等具有重要意義[2]。

2 軟件無線電系統架構

軟件無線電系統架構,從下自上包括通用硬件平臺、通用軟件平臺、通信波形組件三個部分。通用硬件平臺主要包括由天線、功放、射頻前端組成的信道模塊和FPGA、DSP、GPP組成的綜合業務處理模塊,基于統一的硬件體系結構,提供無線信號處理能力[3]。通用軟件平臺包括嵌入式實時操作系統、CORBA中間件、硬件抽象層、核心框架,對硬件平臺進行統一管理,為波形應用提供一致的運行環境支持。通信波形采用組件化設計方法,組件接口標準統一,具有極高的重用性和可移植性[4]。

如今,主流的通信波形均按OSI模型進行層級劃分,主要可劃分為物理層、媒體接入層、邏輯鏈路層和無線網絡層四個部分,一般將物理層部署在FPGA和DSP上,媒體接入層部署在DSP上,邏輯鏈路層和無線網絡層則部署在GPP上。FPGA作為無線通信信號處理物理層的核心器件,承載了物理層的射頻信道控制、數字中頻上/下變頻、成型濾波、同步捕獲、調制/解調、信道編解碼、信道估計均衡等,由于FPGA必須兼顧高速信號處理的實時性和軟件無線電架構的靈活性,因此FPGA軟件的可移植性也是軟件無線電中較為復雜且非常重要的一部分工作[5]。

圖1 無線通信波形層級劃分示意圖

3 軟件無線電的FPGA軟件設計

3.1 FPGA軟件層次結構

基于軟件無線電體系架構的FPGA軟件分層設計由FPGA硬件抽象層、FPGA波形組件兩部分組成。

圖2 FPGA軟件層次結構

硬件抽象層是中間件軟件的一種,它通過屏蔽硬件底層傳輸機制、為波形組件封裝標準的、統一的通信接口,實現波形組件之間的通信與底層硬件平臺相分離,從而達到在異構硬件平臺快速移植波形組件,提高組件的跨平臺可移植性。硬件抽象層采用分層架構模式,分為數據交互層、邏輯層和驅動層。其中數據交互層提供了與上層組件進行數據交互的接口和協議,如MOCB接口,CORBA接口等。邏輯層負責使用驅動層提供的操作,從而實現硬件抽象層對上層組件提供的服務[6]。硬件驅動層主要針對FPGA芯片外設提供底層接口驅動模塊,如UART、IIC、SRIO、PCIE、Mcbsp、EMIF、GPMC等接口驅動,為硬件抽象層設計人員針對不同硬件平臺提供底層支持能力[7]。

波形組件是對通信波形的軟件按功能模塊進行相應的封裝,便于與硬件抽象層集成,便于跨平臺移植。波形組件的劃分按照高內聚低耦合、分而治之的原則,如圖3所示為某通信波形的組件劃分連接圖,其中射頻設備、中頻設備、基帶協處理組件部署在FPGA上,基帶處理組件、媒體接入組件部署在DSP上,邏輯鏈路組件、無線網絡組件、安全/密碼設備、用戶接口設備部署在GPP上[8]。

圖3 波形組件劃分示意圖

3.2 FPGA硬件抽象層的設計方法

FPGA硬件抽象層通過標準、統一的接口為運行在信號處理模塊FPGA上的射頻控制設備、中頻處理設備、基帶協處理組件提供與外部應用組件之間的數據和控制信息交換[9]。FPGA硬件抽象層的結構框圖如圖4所示。

圖4 FPGA硬件抽象層結構框圖

FPGA硬件抽象層功能如下: 1) 支持多種串行、并行、高速串行總線接口協議; 2) 支持任意接口之間的數據轉發,支持任意接口和波形組件之間的數據傳輸; 3) 支持不可打斷數據和可打斷數據兩種模式; 4) 支持基于優先級的仲裁傳輸; 5) 支持多種數據位寬可配置[10]。

3.3 FPGA波形組件的實現方法

實現波形的組件化的首要工作是對波形進行組件劃分,一般將射頻控制設備、中頻處理設備、基帶協處理組件等組件部署在FPGA上,下面以中頻處理設備為例講述FPGA波形組件實現方法。

中頻處理設備實現了數字中頻信號和數字基帶信號的轉換,包括了中頻AGC、上變頻、下變頻、成型濾波、匹配濾波等功能[11]。中頻處理設備的端口示意圖如圖5所示,這里的設備使用者一般為基帶協處理組件(交換上行、下行數據)、基帶處理組件(運行時控制)和波形管理組件(初始參數配置,接受異常狀態上報)。

圖5 中頻處理設備端口示意圖

中頻處理設備API接口定義如圖6所示。

其中,IFProcDataConsumer接口繼承自Packet::PayloadStatus接口,同時自定義了一個pushPacket函數,該接口被基帶協處理組件調用,使中頻處理設備獲得下行數據。同時,在基帶協處理組件上也應實現一個IFProcDataConsumer接口,用于接收中頻處理設備發送過來的上行數據。pushPacket函數的原型為:pushPacket(in CF::OctetSequence payload)。

IFProcDataProducer接口繼承自PayloadControl接口,與IFProcDataConsumer接口配合使用,為用戶提供設置傳輸分組長度的功能。

IFProcControlConsumer接口是本項目定義的中頻設備控制接口,該接口由波形管理組件在波形初始化時調用,或由基帶處理組件在運行時調用,實現一系列的參數配置工作。

圖6 中頻處理設備API接口定義

IFCProcControlProducer接口用于向波形管理組件報告中頻處理設備的錯誤狀態信息,該接口設計了一個函數IFC_ErrorStatusReport。另外,根據需要,中頻處理設備還可以調用波形管理組件的EventConsumer接口,實現異常事件的通知功能。

4 結語

軟件無線電標準框架是一個應用于無線通信設備的體系結構框架規范,是新的無線通信系統設計思想和設計方法,指導無線通信設備的頂層設計,以及系統體系結構的設計。在系統總體設計層面,它與傳統無線電設備的系統設計思想、設計方法和設計工具有較大的差異。應結合現有無線通信波形體制以及后續通信波形需求,制定適合實際情況需要的軟件無線電標準框架,對后續裝備的設計及使用模式將起到指導性的至關重關的作用[12]。目前,這方面的工作正在進一步探索。

[1] JTRS JPO. Specialized Hardware Supplement to the Software Communication Architecture(SCA) Specification, JTRS-5000 SP V3.0[S]. 2004.

[2] John Bard, Vincent J Kovarik Jr. Software Defined Radio-The Software Communications Architecture[M]. England: John Wiley & Sons Ltd,2007.

[3] 洪錫軍,劉獻科,張激.基于SCA的無線通信技術研究[J].計算機工程,2005,31(8):120-122.

[4] CHAMBERLAIN M C. A Software Defined HF Radio[J]. Military Communications Conference,2005(4):2448-2453.

[5] 范建華,昌遵明.可移植波形軟件設計與實現研究[J].現代軍事通信,2006(14):17-20.

[6] 楊小牛,樓才義,徐建良.軟件無線電原理與應用[M].北京:電子工業出版社,2001:16-17.

[7] 聶偉,王巖嵩,張永杰.軟件無線電中頻解調器的設計與實現[J].實驗技術與管理,2011,28(4):52-57.

[8] Joe Mitila.軟件無線電體系結構[M].趙榮黎,王庭昌,李承恕,譯.北京:機械工業出版社,2003,1.

[9] 劉伯紅.基于CORBA技術的智能應用平臺[J].微計算機信息,2007,23(24):24-26.

[10] 閻瑾.美軍戰術互聯網體系架構研究[J].通信技術,2011,44(9):105-107.

[11] NORTH R. Joint Tacitcal Radio System — Connecting the GIG to the Tactical Edge[C]//USA:IEEE,2006:1-6.

[12] 王爍,周家喜,王慶華.SCA架構軟件無線電臺設計與實現[J].通信技術,2011,44(6):40-42.

Design Method of FPGA Software in Communication Waveform Based on SCA

CHEN Haizan

(Guangzhou Haige Communication Industry Group Co,. Ltd., Guangzhou 510633)

A method of FPGA software for communication waveform based on SCA is presented in this paper. Through the hardware abstraction layer design and waveform component partition of communication waveform, the waveform components made of a plurality of communication waveform can be run in the open general hardware platform, and a good design idea of software and hardware separation and component design concept can be achieved, the reuse of FPGA software transplantation is maximized.

SCA, HAL, waveform

2014年12月5日,

2015年1月28日

陳海贊,男,碩士,工程師,研究方向:無線通信波形,軟件無線電技術。

TN92

10.3969/j.issn1672-9730.2015.06.016