多通道SCA通信終端局部重構技術研究

黃揚洲 ;[3,4]。

【摘要】 隨著電子技術和軟件無線電技術的發展，基于SCA架構的多通道通信終端，具備資源綜合化、功能軟件化、業務多元化、小型化特點，具有開放性架構，滿足多種應用場景需求。本文針對多通道SCA通信終端特征，分析了基于SCA架構的四通道通信終端的運行機理，研究并提出了在SCA架構下局部重構FPGA波形的方法，并在實物環境上測試驗證，測試結果表明本文設計的方法有效且可行。

【關鍵詞】 多通道SCA終端 MHAL FPGA 局部重構

一、引言

隨著電子技術發展，處理器的集成度越來越高，處理能力越來越強，多核處理器芯片和大規模邏輯芯片被大量運用，并得到充分驗證，為多通道無線通信終端資源綜合提供了硬件基礎，由傳統的通道資源獨立架構[1]演變為通道資源共享架構，從而實現小型化設計，滿足了對體積、功耗和重量要求嚴苛的應用平臺需求。

同時，軟件無線電（ SDR） 技術作為無線通信的核心也取得了重要突破，SCA（軟件通信體系結構）技術經過近二十年發展已逐步趨于成熟并得到廣泛應用，并成為了SDR規范[1，2，3]。

SCA定義了高度靈活的開放性架構，標準化功能組件開發、部署、管理接口和行為，對無線電系統互連互通和互操作起到了至關重要的作用。

在采用新型硬件架構和SCA規范設計的多通道通信終端中，大規模邏輯芯片（FPGA）整合了多通道波形算法邏輯，是核心部件之一。如何在重構任意通道波形時不影響其余通道正常工作，是多通道終端適應不同應用場景的關鍵所在。傳統的FPGA重構均采用整體配置方式，即任意邏輯改變均需加載整個配置文件，中斷FPGA上所有電路工作，其缺點如下：

（1）整體版本數量隨著波形種類增加會成幾何倍數增長，對存儲空間需求巨大，并且不便于后期功能擴展，每增加一種新波形，需要與以前的波形合并生成多個整體版本，而且對新生成的所有版本都要進行測試驗證，工作量巨大。

（2）在任意通道切換波形時，需要加載相應的整體版本，影響其它通道的正常工作。

本文針對多通道SCA通信終端特征，以四通道終端為例，分析了基于SCA架構的四通道通信終端運行機理，研究并提出了FPGA芯片局部重構多種波形的方法，簡化了波形重構設計，滿足多通道波形并發運行，相互獨立需求；并且便于后期功能擴展，每增加一種波形，只需要生成該波形的動態重構版本，不需要與其它波形版本合并，極大減少版本數量和測試工作量。

二、基于SCA的四通道終端架構

2.1硬件架構

四通道通信終端采用多核GPP+多核DSP+大規模FPGA架構實現后端數字域算法解算功能，射頻前端采用四個獨立信道實現射頻信號變換和調整。結構如圖1所示。

上圖中，PPM（Protocol Process Module，協議處理模塊）采用雙核PowerPC處理器實現系統資源管理和調度、波形協議處理。WPM（Waveform Process Module，波形處理模塊）采用TI公司4核DSP芯片和Xilinx公司的大規模FPGA芯片XC7K325T實現信號解算。RFM（Radio Frequency Module，射頻模塊）主要實現射頻信號變換和調整。

PPM和WPM模塊之間通過高速RIO（RapidIO）總線進行通信，其中與DSP相連的總線主要負責數據傳輸，與FPGA相連的總線主要負責FPGA芯片重構。

2.2軟件架構

四通道終端軟件采用SCA架構，在通用硬件平臺上構建開放式波形軟件運行平臺，便于波形應用安裝、部署和集成，同時也方便技術不斷升級[3，4]。

軟件平臺由核心框架、中間件、總線通信服務、操作系統和底層驅動構成，其作用是為波形應用提供具有標準接口的軟硬件資源和服務，使波形應用與底層硬件解耦，一方面使平臺具有良好的擴展性，另一方面使波形軟件具有很好的移植性。

核心框架（CF，Core Framework）是整個軟件平臺的核心，為波形應用提供標準的接口和服務，并控制和管理波形應用的安裝、加卸載、配置。

2.3 MHAL通信

SCA波形組件分為兩類：一類是運行于CORBA總線的組件，部署于GPP上；另一類是DSP/FPGA上的非CORBA（non-CORBA）組件，不能直接掛接在CORBA總線上，通過CORBA適配器MHAL與CORBA組件建立通信連接[4]。CORBA組件與non-CORBA組件之間通信過程如圖2所示。

FPGA和DSP上的非CORBA組件之間也通過MHAL進行通信，每個芯片的每個通道分別配置一個MHAL設備，為波形組件屏蔽底層硬件細節，提供通信服務封裝。

DSP上每個核運行一個通道的WF-DSP波形組件，FPGA的每個重構區運行一個WF-FPGA波形組件，它們之間并不是固定的關系，通過通道配置，可以實現任意的連接關系，如DSP核0、FPGA重構區2和RF通道4組成一個通道，它們之間數據交互均由MHAL軟交換實現。

MHAL消息由IU、LD、Length和Payload四部分組成，采用小端字節序[4]。為了便于MHAL消息尋址，在MHAL消息中定義LD（Logical Destination）字段，用于識別消息的目的端。在SCA終端中，每個MHAL設備都分配唯一的LD。

三、FPGA組件設計

部署于FPGA的組件包括實現波形算法的波形組件，以及管理波形組件的重構管理組件。

3.1資源分配

FPGA選用Xilinx公司大容量XC7K325T芯片，邏輯資源、RAM和時鐘資源非常豐富，包含：203800個Slices（每個Slices包含2個觸發器和一個LUT），25740k的 FIFO16/ RAM16s，1440個DSP48E，32個GCLKs。

對將要集成的十余種波形進行統計，最大波形的資源需求量均低于該芯片的1/6，考慮到后續功能擴展，因此將FPGA資源分為數量近似的5個區塊，每個區塊邏輯資源約為600萬門。根據芯片的特點：時鐘資源BUFG分布于芯片中間，并其呈縱向排列；其它資源均勻對稱分布。因此，在FPGA四角位置設置四個重構區，中間部分設置為靜態區，這樣就能保證靜態區與四個重構區之間的邏輯通路近似相等。資源劃分如圖3所示。

上圖中，四個紫色框為動態重構區，部署波形組件。其余區域為靜態區，部署靜態邏輯，實現對四個動態區波形組件的控制、管理、部署功能，包括時鐘管理、復位管理、總線仲裁、MHAL、波形重構管理組件等。動態重構區為波形組件提供SLICE、DSP48E和RAM資源，SLICE提供組合邏輯門和時序邏輯觸發器，DSP48提供高性能數字信號處理資源，RAM則提供存儲器資源。

3.2 FPGA波形組件

FPGA波形組件實現不同波形相關的算法，處理邏輯各異。為了使在同一個重構區內部署不同的波形組件，必須統一其對外的接口和通信規范。因此，將波形組件劃分為兩部分，波形容器和波形算法邏輯，如圖4所示。波形算法邏輯與波形體制相關，在此不做描述。波形容器主要起橋接作用，對外標準化接口，對內提供波形算法所需接口。

MHAL則負責實現波形組件與其他軟硬件組件進行通信，從而達到隔離波形組件與底層硬件的目的。

波形組件與MHAL之間的接口采用標準化設計，采用數據總線實現信息交互。由于，在動態配置的波形組件內不能使用全局時鐘BUF、DCM、PLL等時鐘元件，以及三態BUF，因此，統計波形組件時序所需時鐘數量后，接口上輸入5個時鐘信號供波形邏輯使用，時鐘頻率采用片上PLL輸出，由DRP端口配置輸出不同波形所需的時鐘。接口信號如表1所示。

3.3 FPGA波形重構管理組件

FPGA波形重構管理組件主要完成以下功能：

（1）接收并解析來自PPM資源管理組件的FPGA波形配置消息幀，進行CRC校驗，如果校驗不通過，則回傳NCK；否則，將配置文件存入SRAM，回傳ACK。

（2）配置消息幀完整接收后，從SRAM中讀取配置文件，并通過ICAP配置相應的動態配置區。

（3）配置完畢后，通過DRP端口配置PLL，產生動態區波形所需時鐘信號；并產生復位信號復位動態邏輯，然后釋放復位，使波形組件正常工作。

四、局部動態重構設計

4.1生成波形庫

采用Xilinx公司的FPGA 開發工具PlanAhead[5]生成FPGA波形庫，其過程如下：

（1）使用XST綜合靜態邏輯和動態波形組件生成NGC文件；

（2）創建XPARTION.PXML文件，合并波形NGC和UCF；

（3）利用PlanAhead合成EDIF，將指定的重構區合并到靜態部分中的指定位置；

（4）調用PlanAhead生成NGD，然后進行MAP、PAR、DRC，最后生成bin文件。

采用上述方法，生成一個只包含靜態邏輯的配置文件（config_static.bin），大小為11.7Mbyte；每種波形生成4個動態配置文件（config_wfxxx_partial_0/1/2/3.bin）分別對應四個重構區塊，大小為2Mbyte左右。每個動態重構區配置波形相應的動態配置文件，即可在該動態區實現該波形功能，配置實例如圖3所示。靜態配置文件和所有波形動態配置文件一起構成了波形庫。

4.2波形重構

SCA終端波形庫存放于終端PPM的文件系統中，由資源管理組件管理和維護。當終端收到用戶控制指令，需要加載波形時，由資源管理組件從波形庫中獲取文件，通過MHALDevice發送給WPM的波形配置管理組件，實現波形動態配置，在配置期間，其它通道保持正常工作狀態不受影響。波形重構過程如下：

（1）PPM的資源管理組件根據配置通道、波形名稱從波形庫中讀取文件，然后將文件分割成若干個1Kbyte數據包，然后對每個數據計算CRC，在依次添加包序號、總包數字段，形成如下格式：

（2）資源管理組件將數據包發給MHALDevice組件，MHALDevice在數據包前添加MHAL幀頭（IU、LD、Length）形成MHAL幀，如下所示：

（3）MHALDevice將數據幀通過RIO總線發送給FPGA的MHAL，MHAL將數據幀去除MHAL幀頭后，發送給波形重構管理組件；

（4）波形重構管理組件根據包序號和包總數判重和結束包，在根據長度字段提取配置文件數據進行CRC校驗，如果校驗通過，則寫入到SRAM中，回傳ACK，通知資源管理組件接收正確，可以繼續傳輸后續包；否則回傳NAK，通知資源管理組件接收錯誤，重傳該包；

（5）循環執行上述步驟，直至配置文件傳輸完畢，波形重構管理組件接收完所有數據包后，從SRAM中讀取配置文件通過ICAP配置FPGA動態重構區。

配置成功后，波形重構管理組件根據波形種類配置PLL輸出該波形所需的工作時鐘，并復位讓其處于初始狀態，后在釋放復位恢復正常工作。

五、實驗驗證

通過部署界面下發指令，可以在SCA終端任意通道上加載、卸載所有波形。波形部署后與測試終端互通正常，在任意通道上更換波形時，其它通道均能正常通信，相互不影響。并且，波形重構時間更短，僅為傳統整體重構時間的1/5；波形庫規模更小，以10個波形為例，動態局部重構時，所需存儲空間約為92Mbyte，而采用傳統波形組合生成整體版本，則需要幾個G byte的存儲空間。因此在單片FPGA集成多通道波形時，動態局部重構方法具有明顯優勢。

六、結束語

本文針對新型體系架構多通道SCA通信終端并發應用需求，研究并提出了在SCA架構下局部重構FPGA波形的方法，并在實物環境上實現和測試驗證，其結果表明本文設計的方法有效且可行，并具有很好的工程價值，對綜合通信系統和終端的設計具有借鑒意義。

參 考 文 獻

[1] LEE PUCKER AND GEOFF HOLT. Extending the SCA Core Framework Inside the Modem Architecture of a Software Defined Radio， IEEE Radio Communications， 2004， 0163-6804.

[2] 鐘瑜，陳穎，盧建川. 新一代航空數據鏈端機的SCA 架構設計.電訊技術，2012，1001- 893X（ 2012） 04- 0447- 05.

[3] SOFTWARE COMMUNICATIONS ARCHITECTURE SPECIFICATION （SCA）， version 2.2.2， 2006.

[4] Modem Hardware Abstraction Layer Application Program Interface （API）， Version： 2.13，2010.

[5] Xilinx. Partial Reconfiguration User Guide（UG702），2012.