基于MicroTCA架構的軟件無線電平臺設計與實現

許惠泉

北京圣非凡電子系統技術開發有限公司，北京 100141

基于MicroTCA架構的軟件無線電平臺設計與實現

許惠泉

北京圣非凡電子系統技術開發有限公司，北京 100141

利用MicroTCA構架和AMC模塊，構建了基于MicroTCA架構的軟件無線電平臺。與傳統PCI、CPCI、VME等運算架構相比，MicroTCA構架具有更高的帶寬、更強的處理能力。最后對該軟件無線電平臺實現軟件無線電的總體方案和軟件方案進行介紹。采用的設計方案實現了完全的可編程性，系統的升級只需要動態加載相應的軟件，即可實現軟件的升級，是一種非常接近理想軟件無線電模型的設計方案。

MicroTCA；AMC；軟件無線電

引言

由于在功能和擴展能力上的限制，不同無線通信系統間的兼容性、互聯互通性以及高成本問題成為了無線通信系統亟待解決的難題。軟件無線電（Software Defined Radio）則提出了一種新的設計制造和使用無線通信系統與設備的思想，它擺脫了面向用途而完全依賴硬件的傳統無線電設計思路，通過以開放性、可擴展、結構精簡的硬件為通用平臺，把系統提供的業務從長期依賴固定電路的方式中解放出來，利用軟件可編程、可重構和成本低的優勢，較好地解決了上述難題，并把無線通信技術提升到一個新的高度，受到人們的普遍關注。PICMG協會在ATCA構架的基礎上提出了一種微型電信計算架構（Micro Telecommunicati ons Computing Architecture），此架構滿足高吞吐量、低延時、模塊可定制等優點為軟件無線電平臺的建立提供了一條可行的技術路線。

1 總線技術

業界應用最為廣泛的總線標準主要有兩大系列，分別是VITA組織定義的VMEbus、VXS和VPX和由此衍生的總線規范，以及PICMG組織定義的ISA、CPCI以及MicroTCA總線。下面對這些總線中，應用較為廣泛的VPX、CPCI與MicroTCA進行介紹。

CPCI對工業做出了巨大的貢獻，但它仍屬于并行總線，雖然這種總線結構曾經因簡單被廣泛接受，但是由于其總線結構的局限性，無法提供最佳性能。

MTCA和VPX是目前支持高速串行總線的硬件架構的主流發展發向。

VPX很好地繼承了已經驗證過的技術與標準，具備很好的兼容性，但是 VPX由于其配置較靈活，存在不同系統的互操作性問題，雖然己提出新的 OpenVPX規范以增強架構的開發性，但現在仍存在架構無法統一的問題，此外，VPX中管理控制器、交換機、橋接器等的使用不僅會抬高成本，同時也使系統更復雜，維護成本更高。當然基于堅固性和可靠性考慮，若產品對成本不敏感，VPX也是一個不錯的選擇。

MTCA技術源于ATCA與AMC，把AMC模塊直接插入相應的背板，是一種特別緊湊且高性能的設計。MTCA的目的是在一個緊湊系統中重用AMC模塊。MTCA的靈活性與其兩個重要組件的杰出設計是分不開的，一是背板，二是MTCA控制交換模塊（MCH），用于管理機箱內的板卡與交換互連。MTCA的互聯技術包括 GbE、PCI-Express、SATA/SAS、Fibre Channel 與 SRIO，這些技術的實現都需要MCH與背板的配合。同時MTCA支持全冗余配置，其冗余、大容量互連與高吞吐能力是非常強大的[1]。

2 總體方案設計

本軟件無線電平臺采用MicroTCA架構，板卡尺尺寸為雙寬全高，采用雙交換冗余，雙電源雙電源冗余，提供至少8個AMC板槽位，AMC板通過RTM板（后插板）連接出線，采用后出線方式，滿足 MTCA.0和 MTCA.4規范，由整機平臺（包括MCH交換板，電源板）和AMC板（包括系統板、鏈路控制板、接口板）組成，板卡之間采用以太網和SRIO總線進行通信，如圖1。

圖1 MicroTCA軟件無線電平臺框圖

2.1 AMC板卡硬件設計

AMC板（包括系統板、鏈路控制板、接口板）采用高性能通過CPU+FPGA+DSP的架構，對內提供2路以太網口，2路RapidIO接口。主要由鏈路控制模塊、電源管理及轉換模塊、DSP算法處理模塊及拓展接口組成如圖2。

圖2 AMC板卡框圖

（1）鏈路控制模塊：選用高性能的POWERPC通用處理器，運行 VxWorks操作系統，主要運行配置管理程序，鏈路控制程序等。

（2）電源管理模塊：選用單片機做處理器及相關外圍檢測控制電路組成實現電源管理功能，管理協議滿足IPMB總線規范的規定。

（3）電源轉換模塊：通過電源轉換模塊得到板卡所需各種電源。

（4）邏輯控制模塊：采用高性能的 FPGA可編程邏輯芯片，用于實現控制邏輯，同時可通過FPGA自帶的RapidIO接口接收和發送數據信息。

（5）DSP處理模塊，選用高性能數字信號處理器，主要用于運行波形的生成軟件。

管理總線規范：板卡滿足 IPMB總線規范的規定，支持雙交換，基于IPMI協議接受MCH板對業務板的電源控制、電壓監控、溫度監控等功能。

（1）AMC.2（GbE）交換總線規范：AMC Port0-1定議為2個GbE交換通道，采用Type E2類型總線。

（2）AMC.4（SRIO）交換總線規范（1X）：AMC Port4，Port8定義為2個SRIO交換通道，PORT4為主，PORT8為從。

2.2 網絡設計

AMC板卡上的網絡部分由P2020和88E6131組成。P2020的網絡接口有3種形式：網口0為RGMII模式、網口1為GMII模式、網口2為SGMII模式；88E6131芯片自身的對外接口有三種：PHY模式、SERDES模式以及GMII模式，在板卡應用中，使用了2個PHY模式口、4路SERDES模式口和一路GMII模式。P2020網口1和網口2與BCM6131的2路SERDES口連接，屬于MAC與MAC連接模式，如圖3所示。

2.3 Rapid IO設計

在AMC板卡上，Rapid IO是板卡對內對外通信的主要通道之一，板卡上的三個功能芯片均通過 Rapid IO連接到一起，同時又通過接插件和其他設備連接到一起，如圖 4所示。

圖3 P2020網絡結構示意圖

圖4 SRIO連接示意圖

3 軟件方案設計

利用軟件無線電的基本思想，本設計中鏈路控制板能根據使用要求，動態加載和更新鏈路控制軟件、波形軟件和FPGA軟件。所有軟件的加載基礎是板卡守護軟件，守護軟件要完成動態加載軟件的版本控制，對原運行軟件的動態卸載和新軟件的正確加載，以及在加載過程中異常斷電時的現場保護等功能。守護軟件對其他應用軟件不可見，對其保護至關重要，應采用加鎖保護措施，如圖5。

圖5 設備軟件功能組成圖

板卡軟件動態加載主要分為初始化上電加載和軟件運行過程中加載兩方面。

（1）初始化上電加載：上電時，守護軟件通過板卡主處理器與DSP處理器間的HPI接口完成對波形軟件的動態加載，通過與FPGA間的接口完成對FPGA軟件的動態加載，最后啟動運行板卡鏈路控制軟件。

（2）軟件運行過程中加載：板卡軟件運行時，若守護軟件接收到上層動態加載軟件的命令，需先卸載/停止原軟件，再加載相應的軟件。

3.1 LINK口設計

LINK口是板卡P2020與ADSP的通信及加載接口，P2020 Local Bus通過FPGA譯碼后連接到ADSP LINK接口，如圖6所示。

LINK口是FPGA邏輯生成的接口，在P2020端操作LOCAL BUS對FPGA的譯碼地址，實現LINK口的通信。LINK口功能分為ADSP LINK口加載和LINK口通信。ADSP加載功能是P2020讀取ADSP加載文件，通過LINK口寫入到 ADSP 的內存中，并啟動 DSP的過程。LINK口通信需要實現 LINK口的初始化、讀、寫操作功能，讀寫接口函數采用中斷阻塞方式進行編寫。

3.2 HPI總線

HPI總線是板卡上TI DSP（C6455）與P2020的一個通信及加載接口，P2020 Local Bus通過CPLD譯碼連接到TI DSP（C6455） HPI接口，如圖 7所示。

HPI驅動分為DSP 的HPI加載和HPI通信。DSP 的HPI加載是P2020讀取DSP加載文件，通過HPI寫入到DSP 的內存中，并啟動DSP的一個過程。HPI通信與加載的操作基本上相同，需要實現 HPI的初始化、讀、寫操作功能，使用中斷作為通信信號。

圖6 LINK口連接示意圖

圖7 HPI連接示意圖

3.3 FPGA在線加載接口

FPGA在線加載功能需要將指定的文件通過并行口加載到FPGA，同時并啟動FPGA運行。

P2020通過LOCAL BUS與CPLD連接，CPLD譯碼后與FPGA的并行加載口連接，如圖 8所示。FPGA加載步驟如下：

（1）讀取加載文件；

（2）復位FPGA；

（3）加載FPGA文件；

（4）啟動FPGA。

圖8 FPGA加載連接示意圖

3.4 雙口RAM接口

雙口是P2020與ADSP及 DSP的通信接口，通過FPGA譯碼產生，P2020通過LOCAL BUS訪問，根據FPGA的譯碼對其進行控制，連接關系如圖 9所示。

P2020根據FPGA不同的譯碼偏移地址，區分TI DSP（C6455）和ADSP的雙口。在雙口驅動中，P2020需要實現雙口的發送數據、接收數據及中斷相應，需要提供雙口的初始化、數據接收及數據發送接口函數。

圖9 雙口連接示意圖

4 結束語

文中構建的基于MicroTCA構架的軟件無線電平臺，克服了傳統VME、CPCI、總線系統帶寬方面的不足，先進的構架支持RapidIO、以及Ethernet等高速總線的背板互連。系統的信號處理能力可以通過增加信號處理板很容易地進行擴張。AMC模塊很好地實現軟件無線電的設計思想標準化和模塊化。本設計采用的設計方案實現了完全的可編程性，系統的升級只需要動態加載相應的軟件，即可實現軟件的升級，是一種非常接近理想軟件無線電模型的設計方案。

[1]compotechasia.com.Zarlink推出面向 Advanc edTCA、AMC和 MicroTCA應用的電信級同步芯片[J].工業和信息化教育，2006（3）：39.

Design and Implementation of Software Radio Platform Based on MicroTCA Architecture

Xu Huiquan
Beijing St.Extraordinary Electronic Systems Technology Development Co., Ltd., Beijing 100141

Based on MicroTCA architecture and AMC module, a software radio platform based on MicroTCA architecture is constructed.Compared with traditional PCI, CPCI, VME and other computing architecture, MicroTCA architecture has a higher bandwidth, more processing power.Finally, the software radio platform for software radio to achieve the overall program and software solutions are introduced.The design of the design of the program to achieve a complete programmability, the system upgrade only need to dynamically load the appropriate software, you can achieve the software upgrade, is a very close to the ideal software radio model design.

MicroTCA; AMC; software radio

TP274.2

A

1009-6434（2017）3-0126-03