軟件無線電通信平臺設計研究

軟件無線電通信平臺設計研究摘要這些年來，無線電通信技術得到了大力的發(fā)展，軟件無線電通信則是該項技術未來的發(fā)展方向，目前世界各國都積極地對這項技術進行研究。軟件無線電通信最早是由美國提出，其設計這些年來，無線電通信技術得到了大力的發(fā)展，軟件無線電通信則是該項技術未來的發(fā)展方向，目前世界各國都積極地對這項技術進行研究。軟件無線電通信最早是由美國提出，其設計理念是利用硬件平臺以及開放式的框架結構，通過軟件來完成無線通信的功能。目前，傳統(tǒng)的無線通信處理平臺存在著較多的弊端，如軟件編制困難、平臺可靠性較差、缺乏統(tǒng)一的對外接口及技術標準等，急需一種兼容性較高的高帶寬信號處理平臺，用來滿足日益復雜的無線電通信需求。因此，本文對基于VPX架構的軟件無線電通信平臺進行設計研究。1VPX總線標準VPX總線標準是以VIE工業(yè)總線為基礎的，利用先進的接插件技術與高速串行技術，彌補了VIE總線存在的不足，從而提高了數據傳輸的效率。VPX總線標準的制定，為其系統(tǒng)框架與產品的兼容性提供了堅實的基礎。同時也對電源插槽、背板槽位以及模塊的標準進行了規(guī)定，并對其應用模式進行了詳細的描述，解決了軟件無線電通信平臺系統(tǒng)中不同板卡所存在的不兼容問題，提高了平臺系統(tǒng)的集成度。2基于VPX架構的軟件無線電通信處理平臺2.1平臺架構設計采用具有開放性的硬件平臺，使平臺具備集中調度、集中控制、集中管理以及通信加密等功能。該硬件構架由總線背板、信號處理單元以及其他單元模塊構成。其中總線背板由主控交換、通信加密、信號處理、信道以及3個擴展單元共7個槽位構成，除了主控交換槽位不能更改，其余6個槽位都可以相互調換。這種以一個交換節(jié)點為核心的連接結構具有結構簡單、容錯性較好的優(yōu)點。VPX架構系統(tǒng)由數據、控制、管理三種總線構成，其中數據總線用來對傳輸速率、實時性要求較高的數據信息進行傳輸，如頻數據與信道控制信息數據就需要由數據總線來完成?？刂瓶偩€用來對低速控制信息進行傳輸，如波形的控制信息與加載文件就需要控制總線來完成。管理總線用來對平臺各單元的模塊運行狀態(tài)、故障以及溫度越線等數據進行上報。VPX架構系統(tǒng)的各功能模塊，具體功能如下主控交換單元：是平臺的核心，能夠對平臺的所有信號進行調度與管理。擴展單元：能夠對信道單元或總線接口進行擴展。背板單元：為平臺提供板卡槽位，為槽位上的板卡提供電流、時鐘以及信息交換的通道。由于平臺設計的復雜性，本文重點對背板與信號處理平臺的設計進行論述。2.2背板的拓撲網絡設計為了提高平臺的可行性與可靠性，本文依照VPX標準對其進行設計。在該標準中符合平臺設計需求的背板架構為3U七槽架構，由一個交換/管理與六個負載槽位組成，這六個負載槽位可以相互調換，同時和交換/管理槽位與總線建立聯系。從功能層面進行劃分可以分為數據、管理、控制、共用四層。為了滿足3U七槽架構信息處理的需求，其數據總線需要采用4X的Rapid0總線，且總線的傳輸速率不低于6.25Gbps/s;為了滿足平臺控制接口的控制需求，需要交換/管理槽位使用SGMI接口與其他單元進行連接，且傳輸速率不低于1.25Gbps/s;為了滿足平臺對各單元運行狀態(tài)的管理，需要交換/管理槽位使用IPMB總線進行管理。2.3高速信號處理單元設計該單元是平臺的重要組成部分，依照VPX標準并采用3U標準的VPX板卡架構對該單元進行設計。該單元采用飛思卡爾MPC8548E處理器作為單元的核心控制器，同時配合PowerQuiccIII處理器，集成E500內核。該內核的最大運行頻率可以達到1.2GHz，滿足平臺的無線通信需求，同時支持RapidI0、SGMI、USB、SPI等多種專業(yè)級接口，隨著技術的不斷成熟，其應用范圍會更加廣泛。為了實現高速信號處理單元性能的最大化，同時考慮到平臺還需要具備支持外置設備以及內存擴展的功能，在設計中采用TI公司的多核TMS320C6474處理器，該處理器最大運行速率可達1.2GHz，具備三個獨立的C64+內核，并支持多種儲存控制接口。此外，該單元采用FPGA來實現單元中的中頻信號變頻、解碼、PN序列以及射頻等各項功能。隨著我國軟件無線電的不斷發(fā)展，平臺中程序運行所占用的資源逐漸增多，算法的復雜程度不斷增加，為了保證平臺在實際運行中的穩(wěn)定性，需要一種性能良好同時可以對其進行擴展的FPGA。因此，本文選擇Virtex5系列的XC5VSX95T可編程邏輯器件。在實際使用中能豐富平臺的內部資源，為平臺今后的升級與擴展提供上升空間。本文所涉及的高速信號處理單元符合VPX標準架構，在今后的應用中具有廣泛的適用性，為我國的軟件無線電通信平臺的建設與發(fā)展奠定了基礎。2.4信號完整性設計在信號數據傳輸的過程中，如果傳輸速率超過100MHz，信號的完整性就會受到影響，如果信號完整性的問題得不到解決，那么將會對平臺的運行性能造成嚴重影響。所以，在平臺設計之初就應該對信號完整性問題進行思考，盡可能減少因信號完整性問題而引發(fā)的信號抖動、串擾、阻抗不配等問題。本文針對這一問題，從板級信號完整性出發(fā)對解決信號完整性問題進行探討。本文在印制板的設計上，通過AllegroPCBSI軟件對其進行建模分析。并在具體設計過程中，使用線路拓補來對其進行約束，如在時鐘線路中使用拓補形式。元器件的安裝布局也會對信號的完整性造成影響，如電源的噪聲，因此在布局時電源應遠離數據總線。阻抗配比也會對信號的完整性造成影響，因此印制板在設計時要注意板上的線寬。3性能分析3.1平臺的處理性能分析對平臺的處理性能進行分析，主要有以下兩點：一是平臺核心處理器的運算能力，二是平臺的數據傳輸帶寬。由于本文在平臺設計時僅涉及交換/管理單元的互聯，并沒有對平臺核心處理器的運算能力進行研究，因此在對平臺處理性能的分析上，主要是研究其數據傳輸的帶寬。本文所采用的處理器內核C64+，其處理性能最高可以達到9600Mb/s。與普通處理器相比，本文所采用的處理器是普通處理器性能3倍以上。3.2平臺的傳輸性能分析平臺的傳輸性能分析主要體現在數據層與控制層的傳輸性能，本文所采用的數據層其傳輸帶寬為25Gbit/s，控制層的傳輸帶寬為2.5Gbit/s，這與目前現役的軟件無線電通信平臺的帶寬相比有了較大的提升。4結語本文在對VPX總線標準進行分析的基礎上，設計了基于VPX架構的軟件無線電通信平臺，通過性能分析可以看出，本文所設計的平臺相比于目前現役的軟件無線電通信平臺具有一定的優(yōu)勢。由此可見，本文所設計的平臺，具有高帶寬、高處理能力，高吞吐量的技術優(yōu)勢，能夠滿足無線電通信的實際使用需求，同時該平臺還能夠應用在雷達、圖像處理、電子對抗等多個需要高性能信號處理系統(tǒng)的領域之中。為我國軟件無線電通信平臺的發(fā)展提供了技術參考。參考文獻1賈福山.基于OpenVPX標準的軟件無線電信號處理平臺設計J.硅谷,2014,7(13):10-12.2潘樂.中頻信號處理模塊在可重構平臺中的設計和實現D.四川:電子科技大學，2015.3黃偉強,賈福山.基于軟件無線電技術的電臺架構設計研究J.信息通信,2016(08):215-216.4楊小牛.軟件無線電技術與應用M.北京:北京理工大學出版社,2010.5王濤,王瑜坤.軟件無線電技術在無線通信系統(tǒng)中的應用J.現代電信科技,2003(06):38-40+47.軟件無線電通信平臺設計研究來源：電子技術，作者：李登國