基于M TCA架构的软件无线电体系结构研究∗

叶桂林（北京圣非凡电子系统技术开发有限公司北京102209）

基于M TCA架构的软件无线电体系结构研究∗

叶桂林
（北京圣非凡电子系统技术开发有限公司北京102209）

软件无线电体系结构是实现软件无线电的具体设计结构，包括硬件和软件体系结构两个方面，是软件无线电技术的核心。论文研究了一种基于MTCA硬件架构、遵循SCA软件规范的软件无线电软硬件体系结构，并提出了具体的设计方法。

软件无线电；体系结构；MTCA；SCA

Class Num ber TN925

1 概述

软件无线电技术是无线通信领域从模拟通信到数字通信、从固定通信到移动通信后的第三次革命，它的特点是基于统一的、开放的、可方便扩充的硬件平台，而将尽可能多的无线电功能用软件加以定义和实现［1］。

软件无线电体系结构是无线电技术的核心，因此，实现软件无线电的具体设计结构，包括硬件、软件和接口协议等，研究在现有的技术条件下，如何最大程度地实现软件无线电所要求的通用性和灵活性一直是国内外的研究热点［2］。

本文研究了一种基于MTCA硬件架构、遵循SCA软件规范的软件无线电体系结构，该体系结构具有总线简单、高吞吐率、通用性强、软件可自动加载、智能管理等优点，具有广泛的应用价值和实现意义。

2 硬件体系结构

关于硬件体系结构的划分，通常有两种方法：一种是按照硬件平台的物理介质划分，如以DSP、FPGA、通用处理器等为基础进行数字信号处理的体系结构。另一种是按照系统中各功能模块的连接方式划分，即各功能单元如何互联组成一个开放的可扩展的标准硬件平台，如流水线结构、总线式结构、交换式网络结构等［1］。常见的总线式结构包括PCI总线、VME总线等，但PCI、VME等总线带宽窄、吞吐率低，不能满足高速传输的要求［3~4］，因此研究一种高吞吐率、高带宽的软件无线电架构很有必要，本文着重研究了一种基于MTCA硬件架构的总线体系结构。

2.1 M TCA标准

MTCA（Micro Telecom Computing Architecture）是PICMG（PCI Industrial Computer Manufacturers Group）补充标准，2005年PICMG在ATCA（AdvanceTelecom Computing Architecture）的基础上提出的。ATCA是第一个由电信专家专为电信应用设计的计算平台标准，它由一系列规范组成，包括一个核心规范PICMG3.0和五个辅助规范PICMG3.1、3.2、3.3、3.4、3.5。其中核心规范定义了板对板通讯的点对点联接方式，而辅助协议定义了点对点连接的协议、规范。目的是为了解决电信系统面临的系统带宽、高可用性、现场升级、可伸缩性、可管理性以及可互操作等问题［5］。

ATCA是一种标准的、开放的体系结构，可以提供比较好的性能和可靠性、可扩展性、可管理性，再配合使用AMC（Advanced Mezzanine Card）载板和各种类型的AMC板卡，达到快速部署、快速提高处理能力以及快速增加接口能力的目的，而MTCA规范定义了直接使用AMC卡插入背板组成系统的需求，本质上是对ATCA和AMC在更小尺寸上的重新封装［6］。基于MTCA的平台支持高速串行总线和智能机箱管理，在板卡尺寸、功耗、总线速率、背板设计、供电管理和机箱管理上较传统总线标准更有优势，被视为未来中小型设备的主流平台。

2.2 基于M TCA的硬件体系架构

软件无线电基本宗旨是利用数字信号处理技术代替现在的主要模拟信号处理，通过智能天线、宽带RF器件、宽带模数转换器（ADC）及数模转换器（DAC），利用通用可编程处理器实现IF、基带及比特流处理［7］。在一个复杂的软件无线电系统中，一方面实时的信道数字信号处理要求快速、高密集的计算，另一方面需要实现多信道的并行处理和同步处理。基于MTCA架构搭建的软件无线电硬件平台如图1所示，根据目前的数字信号处理器件及模拟器件的技术水平，并结合当前我国军用电台的硬件结构，采用中频采样数字化结构，即天线接收/发射的射频信号经过射频前端变换到中频。

一个基础的MTCA平台应包含：电源板、制冷板、交换板（MicroTCA Carrier Hub），根据系统业务需要，可灵活配置最多12个AMC板卡［8~9］，如中频板、上下变频板、信号处理板、系统板等，各板卡符合PICMG AMC.0、AMC.1、AMC.2、AMC.3标准，通过IPMI（Intelligent Platform Management Interface）总线实现互连和数据交换，板卡之间通过金手指进行互联。

1）电源板：给每个AMC单元板提供1路+12V负载电源、1路+3.3V管理电源，并通过管理总线接受系统板的管理；

2）交换板：高速数据交换的中枢以及机箱智能管理，完成路由维护、数据交换以及实时监控温度数据，控制散热单元各风扇的转速，实现节能、降噪、延长风扇使用寿命的目标；

3）制冷板：用于机箱散热，并通过管理总线接受系统板的管理；

4）中频板：主要完成信号的模数转换及数字上/下变频，实现中频信号与基带信号转换，通过背板高速总线实现与信号处理板的信息交换；

5）信号处理板：完成数字信号的高速处理，如信号的调制解调、编解码等，一个机箱可以同时配置多块信号处理板；

6）安全保密板：安全保密功能；

7）系统板：运行操作系统，为波形应用提供标准的接口和服务，并控制和管理波形应用的安装、加卸载、配置以及与机箱外部信息交互等。

3 硬件设计

3.1 中频采样和输出

软件无线电体系结构的一个重要特点是将中频进行数字化，以将其变换成适合DSP或PC机处理的数字信号，这就要求A/D尽量靠近射频前端，并且要具有较高的采样速率和工作带宽。本平台选用AD公司推出的14bit并行模数转换芯片AD9240对中频信号采样，最高采样速率可达10MSPS。采样后的数字信号经FPGA进行下变频处理后，送给DSP芯片进行基带处理；数字上变频和D/A转换电路选用AD公司的AD9957，该芯片集成了高速DDS及14bit D/A转换功能，经过DSP形成的基带信号经过FPGA传输给AD9957，进行上变频和D/A转换，输出中频信号。中频采样和输出电路如图2所示。

3.2 高速信号处理电路

为了满足高速数字信号处理要求，平台采用通用处理器GPP+高速信号处理器DSP+可编程逻辑器件FPGA的数字信号处理电路，部署于各业务板卡。GPP选用Freescale公司Powerpc架构下的双核处理器P2020，具有1.2GHz的时钟频率，并集成了丰富的外部高速接口，包括千兆以太网接口，Rapi⁃d IO接口等；DSP选用TI公司的TMS320C6455和AD公司的ADSP21469进行并行处理，TMS320C6455时钟频率为1.2GHz，16位定点处理能力为9600MMAC/S，ADSP21469属于第四代SHARC处理器系列，具有450MHz/2700MFLOPS的高性能处理能力；FPGA选用Xinlinx公司的可编程逻辑芯片XC5VSX95T，以太网交换选用MARVELL的三层交换芯片88E6165，Rapid IO交换使用交换芯片CPS1616，该芯片可以支持16个串行Rapid IO端口，支持最高速率6.25Gbps。高速数字信号处理平台结构如图3所示。

板内高速信号处理：该平台以两片DSP芯片为核心数字信号处理框架，DSP芯片之间通过SPORT接口进行通信，完成信号的并行运算处理；POW⁃EPC运行操作系统，为波形应用提供标准的接口和服务，并控制和管理波形应用加载、卸载和配置；而FPGA作为协处理器，主要完成POWERPC和DSP之间的高速数据传输和接口转换功能，POWERPC通过BUS总线与FPGA连接，经过FPGA转换成HPI接口和LINK接口，控制波形自动加载到DSP。P2020、XC5VSX95T、TMS320C6455之间通过Rapi⁃d IO接口实现高速信号的板内传输，支持高达3.125Gbit/s的传输速率。

背板高速总线设计：基于MTCA的平台采用一种全新的互联结构，通过高速串行总线将中频板、各数字信号处理板、安全保密板、系统板、电源板、交换板等进行互联，MTCA背板给每个AMC子卡提供21个端口数据通路，包含GBE端口、Rapid IO端口、PCIE端口、SATA端口等。该平台背板总线支持2路GBE以太网接口（port1，port2），可实现千兆以太网通信；2路Rapid IO接口（port4，port8），单路支持最大3.125Gbps的信息速率。其中，POWER⁃PCP2020处理器集成了以太网控制器，通过SGMII接口与网络交换芯片连接，Rapid IO高速总线通过RapidIO交换芯片实现，每个通信芯片都会分配一个唯一的ID号，通过交换芯片实现路由和交换功能，从而实现高速信号的板间传输。

3.3 机箱管理功能

MTCA架构的优越性还在于其先进的机箱管理功能，机箱的智能管理功能通过MCH交换板实现，电源管理分两个阶段，在电源初期上电阶段，电源处于自动管理模式，在该阶段，电源板自动给MCH交换板和AMC子板上电，不受MCH的控制和管理，第二阶段为MCH参与管理阶段，此时，电源板自动退出管理模式，所有的负载模块必须接受MCH的控制和管理，通过电源板给各子板提供12V负载电源（Payload Power）以及3.3V管理电源［10］（Management Power）。

平台中各AMC子卡通过电源管理功能模块将本板的温度、电压、电流等信息通过背板IPMB-L总线上报给MCH板，MCH根据所接收到的信息控制AMC板的上电、电压监测、温度控制以及热插拔功能。电源管理功能模块采用LPC3250微处理器作为主CPU，外扩64MB的SDRAM和128MB的FLASH存储器，支持两路I2C总线接口，一路I2C用于与MCH板通信，通信协议遵循IPMI2.0协议，实现MCH板对AMC子板的管理功能；另一路用于连接多路数字温度传感器，从而实现对温度的实时监控功能；同时通过微处理器的GPIO接口实现热插拔控制及电源指示，PS0#和PS1#信号用于检测MCH板是否存在。电源管理功能实现框图如图4所示。

4 软件体系架构

基于MTCA架构的软件无线电平台，在通用硬件平台上构建开放式波形软件运行平台，便于波形应用安装、部署和集成。该平台软件采用SCA架构，SCA架构是一个层次化的体系结构，分为六层，由下到上分别为总线驱动层、网络协议层和接口服务层、操作系统层、CORBA中间件层、核心框架层、应用层［11~12］，在该体系架构中，系统的配置与管理以及各功能组件间的交互是通过已定义的标准API接口实现的，在具体实现时，该结构允许通过加载不同的编码对象、调制对象、上下变频对象等来实现在不同通信模式、不同通信频段间的灵活切换，并通过IPMI总线控制技术实现各模块的互联，基于该架构，实现了三种不同通信波形的自动加载和应用。软件体系架构如图5所示。

1）总线层

MTCA技术平台的背板为每个单元模块提供AMC.1、AMC.2及AMC.3总线交换，通过插入不同的AMC子卡，可以实现不同的业务功能，进而达到业务扩展的目的。总线标准支持当今高速串行总线技术中的GBE、Rapid IO、PCIE、StarFabric、In⁃ finiband、SATA中的任意类型。

2）网络和串行接口服务

网络和串行接口服务提供面向各种硬件模块的底层接口封装，如千兆以太网、Rapid IO接口设备驱动程序、操作系统支撑软件等。其主要目的是为了支持操作系统，使之能够更好地运行于不同的硬件平台上。

3）操作系统

该层用于为嵌入式应用程序提供多进程、多线程支持，屏蔽不同硬件平台的差异，为上层软件提供标准的硬件访问接口和基本的操作系统服务，使得上层应用软件具备设备无关性，一般选用实时操作系统如VxWorks等。

4）CORBA中间件

CORBA中间件，位于应用层和底层硬件、协议栈、操作系统之间，CORBA把应用程序与所依附的系统底层细节隔开，屏蔽了平台间操作系统和网络协议的不同，屏蔽了处理器间通信方式的不同，屏蔽了底层系统平台的实现细节。支持不同编程语言所开发的应用组件进行无缝通信，从而使软件开发者可以方便地访问多种平台上的对象和资源。

5）核心框架服务

核心框架是整个软件体系的核心，为波形应用提供标准的接口和服务，并控制和管理波形应用的安装、加卸载、配置。它为波形应用提供了对底层软件和硬件的更高层次抽象，为波形应用组件/设备的自动装配、智能化管理定义了统一的接口，包括基本应用接口、框架控制接口、框架服务接口和配置文件，从而保持了波形应用组件实现的独立性，提高波形应用组件的可移植性。

6）应用层

这一层主要指波形应用组件层，每个波形应用组件完成无线通信中相对完整的独立功能处理，它由核心框架中定义的一个或多个Resource组成，并通过Resource接口来控制和配置，在系统运行时，可被动态加载到对应的硬件处理模块中，并支持动态配置功能。

5 结语

软件无线电体系架构包含硬件平台和软件体系架构，本文提出了一种软件无线电体系结构，并对其硬件和软件实现方法进行了详细的设计和论述。该体系结构在硬件上采用MTCA架构、软件上基于SCA规范进行设计，具有总线形式简单、速率高、抗干扰能力强、波形应用软件的可移植和可重用等特点，可满足多通信平台的要求，具有广泛的应用价值和实现意义。

［1］肖维民，许希斌，朱健，姚彦.软件无线电综述［J］.电子学报，1998，6（2），65-70.

［2］陈大海，张健，向敬成.软件无线电体系结构研究［J］.信息与电子工程，2003，1（4）：318-322.

［3］李燕斌，覃超，黄扬洲，刘伟敏.基于软件无线电的嵌入式系统总线研究及应用［J］.电讯技术，2012，52（3）：273-277.

［4］张玉良，吴伟陵.软件无线电体系结构中的总线瓶颈及其解决方案［J］.电视技术，2002，5：20-24.

［5］RJMcLaren.用MicroTCA机箱构建高性价比的硬件平台［J］.通讯世界，2009，4：84-85.

［6］彭文进.MicroTCA-先进的工业计算机测控系统解决方案［J］.工业控制计算机，2006，19（11）：13-14.

［7］刘星成，罗恒宏，张光昭.软件无线电中的关键技术及平台构建初探［J］.无线电通信技术，2000，26（1）：55-58.

［8］刘鹏，高世桥，刘海鹏，李明辉.基于MicroTCA构架的导航信息处理机［J］.弹箭与制导学报，2007，2：242-244.

［9］贺信.基于MTCA架构的ISDN接入网关设计［J］.电子世界，2013，2：150-152.

［10］晁青生.MicroTCA平台智能管理系统［J］.通讯世界，2009，8：76-77.

［11］陶伟.基于SCA的无线通信波形的DSP软件设计方法［J］.舰船电子工程，2014，2：103-106.

［12］洪锡军，刘献科，张激.基于SCA的无线通信技术研究［J］.计算机工程，2005，31（8）：120-122.

Research of Software Radio Architecture Based on MTCA

YEGuilin
（Beijing Shengfeifan Electronic System Technology DevelopmentCo.，Ltd，Beijing 102209）

software radio，architecture，MTCA，SCA

TN925 DO I：10.3969/j.issn.1672-9730.2017.05.004

2016年11月7日，

2016年12月18日

叶桂林，男，硕士，工程师，研究方向：短波通信技术。

Abstrct Software radio architecture is the specific design structure of software radio，including hardware architecture and software architecture，it is the core of software radio.This paper gives an introduction of hardware architecture based on MTCA and software architecture based on SCA.The concrete design idea is put forward.