基于SCA软件无线电硬件平台的设计

赵秋明，沈 博，胡晓鹏

(桂林电子科技大学，广西 桂林 541004)

责任编辑:孙 卓

0 引言

随着无线通信的发展，不同模式的通信体制相继出现，而这些体制之间的兼容性较差，为了满足不同通信体制之间的兼容性问题，软件无线电的思想被提出来。所谓软件无线电，是指用软件定义的，能实现多种功能的无线通信方式的一种前沿技术。软件无线电集现代通信理论、信号处理、微电子和计算机技术于一体，涉及的关键技术有开放的系统结构、硬件技术、软件技术和信号处理技术。软件无线电的核心可以归结为两点:宽带A/D，D/A尽可能地靠近射频端;利用DSP技术取代专用集成电路(ASIC)，尽可能多地用软件来定义和实现无线通信的功能，如上下变频、调制解调、编解码、加解密、多址等。其中心思想是在一个开放性、标准化、模块化的通用硬件平台上，通过软件编程，实现一种具有多通路、多层次和多模式无线通信功能的开放式体系结构。其最终目标是用软件无线电技术使一个移动终端可以在不同系统和平台间畅通无阻地进行通信。

1 软件无线电的特点和基本结构

软件无线电技术具有许多其他方式的无线通信技术所没有的优点。其具有以下特点［1］:

1)灵活性。可以通过增加软件模块，方便地增加新功能，通过软件工具分析无线通信环境、扩展业务、定义所需增加的业务和实时环境测试，还可任意更换信道接入方式，改变调制方式和接收不同系统的信号。

2)开放性。由于系统采用标准化、模块化结构，其硬件可以随器件和技术的发展而更新或扩展，软件也可以随需要不断升级。软件无线电不仅能和新体制电台通信，还能同旧体制的电台兼容。

3)集中性。多个信道享有共同的射频前端与宽带A/D－D/A变换器以获取每一信道的相对廉价的信号处理性能。

由于软件无线电可以通过增加软件模块来增加新的功能，并且硬件也可以随着器件的发展而不断地升级，所以这一概念一经提出就受到了广泛的关注［1］。

原则上软件无线电系统硬件上的构成有专用芯片和可编程器件两种类型，用于研究和小量生产的一般都趋向于采用由可编程器件为主构成，其中大部分都采用FPGA+DSP相结合的方案构成实际硬件平台。该方案研制的硬件平台对于实现数字信号处理能够很好地解决并行性和速度问题，而且具有灵活的可配置特性，使得软件无线电台易于修改、维护、升级、测试和生产。通常软件无线电均采用标准的、高性能的开放式总线结构，以利于硬件模块的不断升级和扩展。理想的软件无线电的组成结构如图1所示。

图1 软件无线电结构框图

理想的软件无线电系统需要在天线处就将模拟信号进行数字化前期处理，也就是说，该系统要求有一个十分灵活的射频前端来处理大范围的载频和调制方式，将输入信号转换为适合后续处理的信号，再将后续信号利用实时软件和DSP进行处理，从而使系统在数字域获得完全的灵活性，最后将处理后的信号通过专用功能模块处理为各种专用信号进行传输。这也就是要求将宽带A/D变换及D/A变换模块尽可能地靠近天线，将接收到的模拟信号尽可能早地数字化，将要发送的数字信号尽可能迟地模拟化。现阶段考虑到A/D，D/A器件的发展情况，实际采用较多的中频软件无线方式，本文亦采用此方式。

2 硬件平台的设计

为了体现软件无线电的灵活性和开放性，本文从基于SCA规范方面考虑，采用可编程逻辑器件(DSP和FPGA)代替专用集成芯片(ASIC)以完成基带信号的处理的方案［2］，构造一套通用的软件无线电硬件平台。

为了构建一个单用户通道的软件无线电硬件平台，首先应对系统资源需求进行详细的分析，然后根据分析的结果来选择合适的器件。每一部分相应的参数和所需的运算资源的估计如表1所示。

表1 系统资源需求估计

所有数字运算包括中频处理、基带处理、比特流处理、信源处理和信令处理等部分，对运算量的估算应该为每个采样点所需的运算量乘以每秒的采样点数，表中所列的中频处理中运算约需每个采样点100 I/s。由于本文所设计的硬件平台是面向无线电台的，从中频信号起实现软件无线电设计，并且目前的A/D和D/A器件对较高频率的中频信号进行处理的效果不够理想，所以选择中频频率为10.7 MHz，中频信号采样一般采用过采样方式，故选用26.75 MHz进行采样，因此中频处理所需的运算量DIF≈2675 MI/s;比特流处理的运算需求DBS正比于数据速率，这里选取语音信号处理为参考，其比特流选择为32 kbit/s;另外，基带处理的运算需求DBB正比于单个用户的信道带宽，信源处理部分的运算需求DS正比于信源编码与接口的复杂度，最后，运行与管理的处理需求DO取决于信令系统。因此，对于一个单信道软件无线电平台的运算量需求为

则系统单信道的资源需求为 D≈2683.3 MI/s。TMS320DM6446的运算速度是4752 MI/s，完全满足单信道软件无线电平台的运算量需求，所以选用DSP芯片TMS320DM6446。

将软件无线电的理论应用于工程实践，并对系统通过参数估算，本文选用TI公司的达芬奇(Davinci)技术的高端DSP芯片TMS320DM6446，以及Xilinx公司的Spartan－6系列的XC6SLX150－FG484芯片为主芯片，构成基于SCA规范的软件无线电的硬件平台。其功能框图如图2所示。

图2 基于SCA软件无线电硬件平台框图

在该框图中SCA规范主要体现在以DSP为核心处理框架，利用接口描述语言与CORBA中间件和各种功能组件相连接，并通过各种外部接口(如RS－232、音频、USB等)传输对应的数据，从而实现各种通信功能，并且整个实现过程是基于操作系统的。在本平台上，CORBA中间件和各种功能组件都是基于核心处理框架的，而不是基于硬件平台的。通过硬件语言编写各种独立的功能软件模块，用户可以选择所需的功能模块，并通过软加载实现各种通信，体现了平台的通用性、灵活性和软件的可移植性。

该平台的主要功能是利用DSP芯片完成信号的基带处理，FPGA做协助处理，并完成部分功能，大大缓解了系统对DSP处理速率的要求。该平台DSP和FPGA通过外部存储器接口(EMIF)相连接，从而使FPGA充当一个协同处理器、高速数据处理器或高速数据传输接口，保证了系统的灵活性和有效性。

另外，A/D和D/A板的I/O数据端口和所需要的差分时钟端口都是直接与FPGA相连接，使外部数据数字化后，经过FPGA处理，FPGA的处理包括上下变频处理和调制解调等，然后再进入DSP进行处理，这样不但减缓了系统对DSP处理速度的要求，还使系统更灵活。

在该硬件平台上可以通过编写不同的软件，实现软加载，再通过按键选择实现多种通信模式的转换。例如该平台可以实现 ASK，FSK，PSK，QPSK，16QAM，OFDM 等调制模式之间的任意转换，说明该平台具有很大的灵活性。这些软件的编写既可以在DSP上实现，也可以在FPGA上实现。

在软件上是以SCA软件通信体系结构为规范的，构造了一种标准、开放、可互操作的无线电通信软件平台。在本质上独立于设备的结构框架，能够实现对通信软件和硬件的可移植性、可配置性、可扩充性和可重用性，并能确保与其他基于SCA开发的产品之间能互通、互连和互操作。SCA采用CORBA作为通信中间件，通过组合各种功能软模块，能实现操作系统平台和核心框架的互连，而不需要自底向上的开发流程创建新的软件系统，从而减小了软件系统的复杂度，并且能够很灵活地进行软件的升级和重用。

TMS320DM6446采用了达芬奇架构，其重要特点是两个处理器核之间的资源分配、通信方式及如何高效地实现资源共享。该芯片主频最高能达到594 MHz，完全满足中频数字化处理，能够完成基带信号的处理，包括信道编码、均衡、交织、信道复用等。该芯片集成1个ARM子系统、1个DSP子系统和1个视频处理子系(VPSS)，同时还带有图像协处理器(VICP)和各种丰富的外部设备。通过外部存储器接口EMIF以及视频信号处理接口VPSS与FPGA单元连接，同时可以实现对DDR2 SDRAM的访问。DSP内部集成的ARM子系统，主要完成平台的资源管理和监控。由此可知，该DSP芯片既可满足系统中央单元的统一管理控制，又可实现对数据的数字信号处理，功能强大，适合在软件无线电硬件平台上使用。

FPGA使用的是Xilinx公司Spartan－6系列中的XC6SLX150，该FPGA器件内含147443个逻辑单元，180个Xtreme DSP Slices(每个Xtreme DSP Slice包括1个18×18的乘法器，1个加法器和1个48位累加器)，可有效地完成部分DSP的功能，可使系统功能的实现更加高效、灵活。该FPGA芯片具有338个I/O引脚，一部分是专用I/O脚，例如时钟管理I/O脚，主要用于管理系统时钟，但也可以用作普通的I/O脚。由于该芯片有着丰富的I/O脚，能够和很多外部接口相连接进行各种扩展。该硬件平台上的ADC和DAC均与FPGA的I/O脚通过通用的FMC接口相连接，并由FPGA控制。另外，也可以很方便地在通用的FMC接口上做其他功能扩展。

在设计高速电路方面，本文充分考虑到EMC和信号完整性的相关问题。在板层设置上，将板层设置为3层地层和2层电源层，确保每层信号走线层为稳定层，并且将高速信号线尽量走在两层地层之间，很大程度地消除电磁干扰;在元件布局上，电源与器件尽量靠近，高速处理芯片远离电源，并且去耦电容均在大器件旁边;在走线上，将数字地和模拟地分开处理，尽量减小信号线的走线长度，并将差分信号线进行差分走线，高速信号进行等长走线，加宽高速信号线的线距，确保信号的完整性，从而充分地保证了该硬件平台的可靠性。

3 小结

本文将软件无线电的理论用于工程实践中，根据通用的软件无线电硬件平台的结构框图，设计出一套具有独立系统和功能的软件无线电通用平台。该平台在硬件上采用FPGA+DSP的方案，在软件上是基于SCA规范的，具有很强的灵活性和开放性。该平台满足多种通信电台系统的要求，能够实现多模式、多频段、多信道等多功能通信。

［1］杨小牛，楼才义.软件无线电原理及应用［M］.北京:电子工业出版社，2001.

［2］钮心忻，杨义先.软件无线电技术与应用［M］.北京:北京邮电大学出版社，2000.

［3］REED J H.软件无线电［M］.陈强，译.北京:人民邮电出版社，2004.

［4］曹志刚，钱亚生.现代通信原理［M］.北京:清华大学出版社，1992.

［5］黄硕，魏亚楠，安永丽.多采样率数字信号处理及其MATLAB仿真［EB/OL］.［2011－01－06］.http://wenku.baidu.com/view/8a71870ff 12d2af90242e694.html.

［6］HASAN M，MEHEDY L，ZABIR M S.A middleware based network hot swapping solution for SCA compliantradio［J］.IEEE Trans.Consumer E-lectronics，2009，55(3):1315－1321.