基于软件无线电的通信波形FPGA软件设计方法*

陈海赞

(广州海格通信集团股份有限公司 广州 510663)



基于软件无线电的通信波形FPGA软件设计方法*

陈海赞

(广州海格通信集团股份有限公司 广州 510663)

论文提出了一种基于软件无线电的通信波形的FPGA软件设计方法,通过对通信波形进行硬件抽象层设计及波形组件划分,使得多个通信波形的各波形组件能够运行在通用的开放式的硬件平台上,良好地实现了软件和硬件分离,以及组件化的设计思想,最大限度实现了FPGA软件的移植重用。

软件无线电; 硬件抽象层; 波形

Class Number TN92

1 引言

软件无线电设备指基于通用的无线电硬件平台和软件平台,功能由软件定义的无线电设备,软件可定义的功能包括调制方式、信道接入方式、业务种类、工作速率、接口类型、工作频率、加密方式和可编程射频前端等[1]。软件无线电设备可形成宽频段、多功能、动态配置的系列通信设备,对于提升设备的互联、互通能力,减少设备品种,降低设备升级和维护成本等具有重要意义[2]。

2 软件无线电系统架构

软件无线电系统架构,从下自上包括通用硬件平台、通用软件平台、通信波形组件三个部分。通用硬件平台主要包括由天线、功放、射频前端组成的信道模块和FPGA、DSP、GPP组成的综合业务处理模块,基于统一的硬件体系结构,提供无线信号处理能力[3]。通用软件平台包括嵌入式实时操作系统、CORBA中间件、硬件抽象层、核心框架,对硬件平台进行统一管理,为波形应用提供一致的运行环境支持。通信波形采用组件化设计方法,组件接口标准统一,具有极高的重用性和可移植性[4]。

如今,主流的通信波形均按OSI模型进行层级划分,主要可划分为物理层、媒体接入层、逻辑链路层和无线网络层四个部分,一般将物理层部署在FPGA和DSP上,媒体接入层部署在DSP上,逻辑链路层和无线网络层则部署在GPP上。FPGA作为无线通信信号处理物理层的核心器件,承载了物理层的射频信道控制、数字中频上/下变频、成型滤波、同步捕获、调制/解调、信道编解码、信道估计均衡等,由于FPGA必须兼顾高速信号处理的实时性和软件无线电架构的灵活性,因此FPGA软件的可移植性也是软件无线电中较为复杂且非常重要的一部分工作[5]。

图1 无线通信波形层级划分示意图

3 软件无线电的FPGA软件设计

3.1 FPGA软件层次结构

基于软件无线电体系架构的FPGA软件分层设计由FPGA硬件抽象层、FPGA波形组件两部分组成。

图2 FPGA软件层次结构

硬件抽象层是中间件软件的一种,它通过屏蔽硬件底层传输机制、为波形组件封装标准的、统一的通信接口,实现波形组件之间的通信与底层硬件平台相分离,从而达到在异构硬件平台快速移植波形组件,提高组件的跨平台可移植性。硬件抽象层采用分层架构模式,分为数据交互层、逻辑层和驱动层。其中数据交互层提供了与上层组件进行数据交互的接口和协议,如MOCB接口,CORBA接口等。逻辑层负责使用驱动层提供的操作,从而实现硬件抽象层对上层组件提供的服务[6]。硬件驱动层主要针对FPGA芯片外设提供底层接口驱动模块,如UART、IIC、SRIO、PCIE、Mcbsp、EMIF、GPMC等接口驱动,为硬件抽象层设计人员针对不同硬件平台提供底层支持能力[7]。

波形组件是对通信波形的软件按功能模块进行相应的封装,便于与硬件抽象层集成,便于跨平台移植。波形组件的划分按照高内聚低耦合、分而治之的原则,如图3所示为某通信波形的组件划分连接图,其中射频设备、中频设备、基带协处理组件部署在FPGA上,基带处理组件、媒体接入组件部署在DSP上,逻辑链路组件、无线网络组件、安全/密码设备、用户接口设备部署在GPP上[8]。

图3 波形组件划分示意图

3.2 FPGA硬件抽象层的设计方法

FPGA硬件抽象层通过标准、统一的接口为运行在信号处理模块FPGA上的射频控制设备、中频处理设备、基带协处理组件提供与外部应用组件之间的数据和控制信息交换[9]。FPGA硬件抽象层的结构框图如图4所示。

图4 FPGA硬件抽象层结构框图

FPGA硬件抽象层功能如下: 1) 支持多种串行、并行、高速串行总线接口协议; 2) 支持任意接口之间的数据转发,支持任意接口和波形组件之间的数据传输; 3) 支持不可打断数据和可打断数据两种模式; 4) 支持基于优先级的仲裁传输; 5) 支持多种数据位宽可配置[10]。

3.3 FPGA波形组件的实现方法

实现波形的组件化的首要工作是对波形进行组件划分,一般将射频控制设备、中频处理设备、基带协处理组件等组件部署在FPGA上,下面以中频处理设备为例讲述FPGA波形组件实现方法。

中频处理设备实现了数字中频信号和数字基带信号的转换,包括了中频AGC、上变频、下变频、成型滤波、匹配滤波等功能[11]。中频处理设备的端口示意图如图5所示,这里的设备使用者一般为基带协处理组件(交换上行、下行数据)、基带处理组件(运行时控制)和波形管理组件(初始参数配置,接受异常状态上报)。

图5 中频处理设备端口示意图

中频处理设备API接口定义如图6所示。

其中,IFProcDataConsumer接口继承自Packet::PayloadStatus接口,同时自定义了一个pushPacket函数,该接口被基带协处理组件调用,使中频处理设备获得下行数据。同时,在基带协处理组件上也应实现一个IFProcDataConsumer接口,用于接收中频处理设备发送过来的上行数据。pushPacket函数的原型为:pushPacket(in CF::OctetSequence payload)。

IFProcDataProducer接口继承自PayloadControl接口,与IFProcDataConsumer接口配合使用,为用户提供设置传输分组长度的功能。

IFProcControlConsumer接口是本项目定义的中频设备控制接口,该接口由波形管理组件在波形初始化时调用,或由基带处理组件在运行时调用,实现一系列的参数配置工作。

图6 中频处理设备API接口定义

IFCProcControlProducer接口用于向波形管理组件报告中频处理设备的错误状态信息,该接口设计了一个函数IFC_ErrorStatusReport。另外,根据需要,中频处理设备还可以调用波形管理组件的EventConsumer接口,实现异常事件的通知功能。

4 结语

软件无线电标准框架是一个应用于无线通信设备的体系结构框架规范,是新的无线通信系统设计思想和设计方法,指导无线通信设备的顶层设计,以及系统体系结构的设计。在系统总体设计层面,它与传统无线电设备的系统设计思想、设计方法和设计工具有较大的差异。应结合现有无线通信波形体制以及后续通信波形需求,制定适合实际情况需要的软件无线电标准框架,对后续装备的设计及使用模式将起到指导性的至关重关的作用[12]。目前,这方面的工作正在进一步探索。

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[6] 杨小牛,楼才义,徐建良.软件无线电原理与应用[M].北京:电子工业出版社,2001:16-17.

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[12] 王烁,周家喜,王庆华.SCA架构软件无线电台设计与实现[J].通信技术,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

陈海赞,男,硕士,工程师,研究方向:无线通信波形,软件无线电技术。

TN92

10.3969/j.issn1672-9730.2015.06.016