一种可重构配置技术在软件无线电中的应用

高　峰，魏兴雲，李东风

（中国电子科技集团公司 第三十研究所，四川 成都　610041）

一种可重构配置技术在软件无线电中的应用

高峰，魏兴雲，李东风

（中国电子科技集团公司 第三十研究所，四川 成都610041）

提出了一种PowerPC和FPGA可重构配置技术，并以此构建了软件无线电系统，主要研究了系统的可重构软硬件设计方案。重点阐述了系统可重构实现的几个关键技术：可重构硬件核心架构构建，PowerPC重构配置软件构建，FPGA重构配置软件构建，并对系统的重构配置进行了试验测试。通过试验表明，该系统重构配置的成功率高、速度快，满足设计要求。

PowerPC；FPGA；可重构配置技术；软件无线电

0　引　言

软件无线电的概念由MILTRE公司的Jeo Mitola于1992年5月首次提出［1］。作为一种新的无线电体系架构，它的核心思想是通过硬件和软件的结合使无线网络和用户终端具有可重构配置能力［2］。其中，可重构配置技术是构建软件无线电体系的关键技术。

随着科技发展水平的提高和工艺的进步，以具有丰富外设资源、处理能力强的PowerPC芯片及具有超大规模、低功耗特性的FPGA芯片为核心构建的数字处理平台广泛应用于目前的无线通信装备中［4-5］，并发挥着重要作用。因此，针对PowerPC和FPGA进行可重构配置设计对构建具有可重构配置能力的软件无线电系统有着重要意义。基于上述原因，本文提出了一种软件无线电系统PowerPC和FPGA可重构配置技术与实现方法，形成了一套软件无线电可重构配置解决方案。

1　主要技术介绍

1.1FPGA可重构技术

FPGA可重构技术可以分为静态重构和动态重构两类。前者是指在系统空闲期间进行在线编程，即断开先前的电路功能后重新下载存储器中不同的目标数据来改变目标系统逻辑功能；后者是指在系统实时运行中对FPGA芯片进行动态配置，改变电路功能同时仍能保证电路的动态接续［6-7］。

1.2基于模块动态加卸载的PowerPC重构配置技术

PowerPC运行嵌入式VxWorks操作系统，VxWorks操作系统支持对模块分别进行编译生成，并且可以在系统运行过程中动态的加载或卸载模块［8］。本文利用VxWorks操作系统的这个特性，通过软件模块化设计，使软件各个组件之间具有最小的耦合，改善软件的结构［9］；在系统运行时，动态加载多个应用程序模块，实现这些模块的链接和相互调用，从而实现系统功能的重构。

2　基于可重构配置的软件无线电系统框架设计

软件无线电系统以PowerPC，FPGA作为可重构硬件平台的核心。平台架构如图1所示，由显控子系统，主控子系统、基带/中频处理子系统、射频子系统、天线组成。可重构核心部分包括主控子系统、基带/中频处理子系统。

图1　可重构的软件无线电系统框架

2.1主控子系统

主控子系统采用嵌入式控制芯片PowerPC作为软件无线电网络协议生成/解析、信息生成/解析、数据融合和功能重构控制的核心器件。存储模块用于存储可重构功能组件，采用固态盘的形式，并可实现存储容量的灵活拓展。主控子系统与基带/中频处理子系统、射频子系统的通信采用具有可扩展性的标准CPCI总线［10］，主控子系统与显控子系统通过以太网连接。

2.2基带/中频处理子系统

基带/中频处理子系统采用FPGA这类可重构器件作为基带/中频信号处理的核心器件。其中2片任务功能FPGA（FPGA1，FPGA2）作为动态加载的承载体：FPGA1实现中频信号接收及下变频、同步、解调、解码等功能；FPGA2实现编码、调制、上变频及中频信号输出等功能。配置FPGA（FPGAld）则实现对任务功能FPGA的重构配置。

3　软件无线电系统可重构配置实现

3.1可重构硬件核心架构构建

系统硬件核心架构如图2所示。

（1）PowerPC：选用Freescale半导体公司高性能PowerPC架构的PowerQuiccⅢ处理器MPC8548作为主控子系统核心控制处理器。该处理器最高频率为1.5 GHz并支持PCI-E等接口，其擅长进行高速低时延的处理，适用于系统网络协议分析、信息解析的实时处理以及高速重构配置管理。

（2）FPGA1/2：选用Xilinx公司的Virter-5系列芯片XC5VSX50T作为基带、中频处理的核心处理器。并且该芯片基于SRAM工艺，可实现配置逻辑可重构以及配置数据可回读的功能，可作为重构配置的承载体。

（3）FPGAld：选用Xilinx公司的SPARTAN-3AN系列芯片XC3S1400AN作为重构配置的微控制器，通过独立的电路设计实现对两片任务功能FPGA（FPGA1，FPGA2）的并行重构配置。

PowerPC通过CPCI接口与FPGAld连接，FPGA1， FPGA2的加载控制管脚与FPGAld的I/O管脚相连，FPGAld产生相应的加载时序实现对FPGA1，FPGA2的在线配置。系统进行可重构配置时，PowerPC将软件功能组件bit文件发给FPGAld，FPGAld对FPGA1，FPGA2实现重构配置，PowerPC通过模块动态加载的方式实现自身的功能重构。

图2　软件无线电系统可重构硬件核心架构原理图

3.2可重构软件设计

3.2.1可重构软件设计概要

软件无线电系统可重构软件的典型架构如图3所示，主要包括主控软件框架、重构配置软件以及波形组件。系统软件以重构配置软件构建为基础，利用模块化的波形组件实现系统功能的可重构。

图3　软件无线电系统可重构软件典型架构

（1）主控软件

主控软件具有数据融合、软件配置、接口管理等功能，可以实现人机交互软件对硬件资源访问及软件模块调配，实现数据融合处理并通过重构配置软件实现波形组件的管理和调用。

（2）波形组件

波形组件是指可重构的软件无线电系统所需的各种程序模块，典型的组件包括：信号调制/解调模块、信道编码/解码模块、插入/去除同步引导头模块、信息生成/解析模块、网络协议生成/解析模块等。各波形组件模块以功能函数的形式通过主控软件调用。

（3）重构配置软件

重构配置软件是实现系统可重构的核心，包括PowerPC重构配置软件、FPGA重构配置软件。PowerPC重构配置软件采用模块动态加卸载的方式，加载的波形组件包括信息生成/解析模块、网络协议生成/解析模块等。FPGA重构配置软件采用动态加载方式，加载的波形组件包括信号调制/解调模块、信道编码/解码模块、插入/去除同步引导头模块等。

3.2.2PowerPC重构配置软件的构建

PowerPC重构配置软件是运行于VxWorks操作系统上的功能可重构的嵌入式软件。该软件同时需要控制FPGA的加载配置，因此程序框架主要由两个部分组成：一是控制PowerPC应用程序自身功能重构的管理部分；另一个是FPGA加载配置的管理部分。重构配置软件框架如图4所示。

图4　PowerPC重构配置软件框架

PowerPC重构配置软件主要由重构管理模块、模块文件管理模块、应用程序加载卸载控制模块以及FPGA加载控制模块组成。

重构管理模块：通过网络接口与重构管理软件进行通信，实现在重构管理软件的控制下完成对功能模块的加载卸载、对FPGA的动态加载控制以及对应用程序配置文件和FPGA加载配置文件的管理。

模块文件管理模块：在重构管理软件的控制下，实现对应用程序模块文件和FPGA加载文件的管理，包括增加文件、删除文件和替换文件等功能。

应用程序加载卸载模块：是实现PowerPC功能重构的重要部分，其利用VxWorks系统的接口函数load-Module（）和unldByModuleId（）实现应用程序模块（波形组建）的加载和卸载。配置软件为了能对所有的应用程序模块进行控制，每个应用程序模块必须实现run（）和stop（）两个接口，以被加卸载框架进行调用，并且在stop（）接口中，必须将本应用程序模块申请的资源进行释放。应用程序模块的重构过程如图5所示。

图5　应用程序重构流程

FPGA加载控制模块：该模块的主要功能是对FPGA的加载进行控制。该模块从嵌入式文件系统中读取FPGA加载文件，然后通过CPCI接口将文件数据分包发送到加载FPGA中，直到所有文件数据加载完成，同时对FPGA的加载状态进行读取，判断FPGA是否成功加载。该模块中每个FPGA的加载设计成单独一个任务，因此可以建立多个任务实现多个FPGA同时进行加载。

软件可实现远程加载和本地加载（无需显控子系统重构管理软件控制）。在本地加载模式下，PowerPC重构配置软件将从应用程序配置文件和FPGA配置文件中读取重构信息，从而对FPGA进行加载和对应用程序模块进行加载运行。系统的启动流程如图6所示。

图6　系统启动流程

3.2.3FPGA重构配置软件的构建

FPGA重构配置软件通过FPGAld中的Verilog代码实现。重构配置流程如图7所示。

对FPGA加载的时序如图8所示。首先将PROG_B管脚拉低，此时FPGA自动将INIT_B管脚拉低，等待FPGA初始化完成，即INIT_B管脚拉高并采样配置模式M［2：0］后，此时可输出CCLK及相应的配置数据，配置成功后，FPGA会将DONE管脚电平拉高，在整个配置过程中，都需要将CS_B和RDWR管脚电平拉低。

图7　重构配置FPGA软件流程图

图8　FPGA重构配置时序图

4　试验验证

按照图2的架构搭建了可重构软件无线电系统平台，通过试验对系统可重构设计的可行性进行验证。配置系统可重构功能组件：调制及解调模式（MSK）、编码模式（卷积码）以及特定的网络协议、报文信息协议。重构试验中功能组件加载路径如图9所示，将系统D/A输出与A/D输入直连进行重构后功能自环测试。

通过100次重构试验测试，系统通信功能均正常，重构成功率为100%。系统重构时间（含功能模块调用、传输、加载的时间）的最大值为10 s，可以实现系统功能快速重构。

图9　系统可重构试验软件加载流程

5　结　语

本文研究了一种基于PowerPC和FPGA的可重构配置方法，介绍了一种软件无线电系统可重构配置框架设计方式。并对软件无线电系统可重构配置实现的关键技术进行了详细阐述，主要包括可重构硬件核心架构构建、PowerPC重构配置软件构建、FPGA重构配置软件构建，并搭建了可重构软件无线电系统平台进行试验验证。研究表明，基于PowerPC和FPGA的可重构设计在软件无线电系统中的应用是可行的。

［1］MITOLA J.Software radio：survey，critical evaluation and future directions［J］.IEEE aerospace and electronic systems magazine，1993，8（4）：25-36.

［2］杨小牛，楼才义，徐建良.软件无线电技术与应用［M］.北京：北京理工大学出版社，2010.

［3］汤军，赵菲.美军JTRS对海军通信装备发展的启示［J］.舰船电子工程，2011，31（6）：24-28.

［4］张兢.基于PowerPC的通信系统设计与实现［J］.西安邮电学院学报，2006，11（1）：90-93.

［5］孟绍良，张海柱，刘述防，等.基于FPGA的直序扩频通信系统设计［J］.哈尔滨理工大学学报，2012，17（6）：106-109.

［6］覃祥菊，朱明程，张太镒，等.FPGA动态可重构技术原理及实现方法分析［J］.电子器件，2004，27（2）：277-282.

［7］南希，龚龙庆，田卫，等.基于FPGA的动态可重构系统设计与实现［J］.现代电子技术，2009，32（6）：4-7.

［8］王鹏，张友根，李永刚.一种改进的VxWorks模块卸载方法研究［J］.装备指挥技术学院学报，2010，21（5）：83-87.

［9］兰巨龙，邢池强，胡宇翔，等.可重构技术与未来网络体系架构［J］.电信科学，2013（8）：16-23.

［10］张玲，李鹏.一种具有主从自适应功能的CPCI通用处理模块设计［J］.现代电子技术，2012，35（20）：19-20.

Application of a reconfiguration technology in SDR system

GAO Feng，WEI Xingyun，LI Dongfeng
（No.30 Research Institute of CETC，Chengdu 610041，China）

A reconfiguration technology based on PowerPC and FPGA is proposed.And on this basis，the software-defined radio（SDR）system was constructed.The design schemes of reconfiguration software and hardware are studied mainly in this system.Several key technologies for system reconfigurable realization are described，including the constructions of reconfigurable hardware core architecture，PowerPC reconfiguration software，and FPGA reconfiguration software.The reconfiguration technology of the system was tested.The test results show that the system reconfiguration has high success rate and fast speed，and can meet the design requirements.

PowerPC；FPGA；reconfiguration technology；SDR

TN92-34

A

1004-373X（2016）19-0025-04

10.16652/j.issn.1004-373x.2016.19.006

2015-09-06

高峰（1982—），男，陕西人，硕士，高级工程师。研究方向为软件无线电及系统可重构技术。

魏兴雲（1987—），男，江西人，硕士，工程师。研究方向为软件可重构技术。

李东风（1984—），男，河南人，硕士，工程师。研究方向为软件、硬件可重构技术。