基于OpenVPX标准的宽带信号处理平台设计

尹志伟

引言：本文给出了一种基于OpenVPX总线标准的宽带数字信号处理平台的设计方法，该系统平台具有开放的总线架构，可兼容RapidIO、千兆以太网等通用的高速串行总线协议，可应用于无线通信系统、工业控制、国防应用等多个领域。文章详细描述了宽带信号处理平台的设计方法，并分析了该平台的性能和技术难点。

概述

计算机系统总线的发展至今主要有两个大的趋势：一、从并行总线向串行总线发展；二、从单一的专用型总线向开放式架构发展。

早期的系统总线多以并行总线为主[1]，如ISA、PCI、VME、CPCI等，但在进一步提高总线速率时遇到瓶颈，而串行总线由于引进了光通信领域的SERDERS技术，从而很好的解决这一难题。目前已有多种基于高速串行总线标准被广泛应用，如Serial Rapid IO、PCI Express、Infiniband、HyperTransport、GigE等。

然而，上述总线大都是狭义的总线协议，并未从硬件角度给出相应的工业规范。在全球工业控制和国防领域，传统的CPCI和VME是竞争死敌，各种的总线通信协议和硬件规范互不相容。而随着技术的发展和宽带信号处理需求的日益增多，现在发展的VPX及ATCA两种先进总线标准改变了以往的狭隘设计，将工业标准设计成为开放式的架构，可以为多种总线协议提供了具有兼容性的硬件规范，使得设计师灵活的应用各种总线。

一、OpenVPX总线标准简介

VPX是指2007年由VITA组织发布的VITA46及VITA48系列标准[2]，该标准是继承了VME工业总线的基础上发展而来的，保留了工业领域广泛应用的欧标板卡尺寸（支持3U和6U两种板卡），采用新的高速接插件（RT2）技术，支持多种高速串行总线。VPX总线在设计之初就考虑了未来的发展和可扩展性，从根本上解决了VME的不足。

2010年4月，VITA组织正式发布了VITA65系列标准，该标准称为OpenVPX。OpenVPX是VPX总线标准的继承和发展，原有的VPX标准主要是对硬件规范和板卡级信号定义进行说明，而OpenVPX是在VPX的硬件标准上给出了系统级的设计标准，为该类总线的开放性、通用性提供了标准的参考体系[3]。至此VPX总线标准成为了从机械结构、热设计、信号定义、通信协议、系统组织架构等各个方面进行详细规范的标准。

二、平台架构的设计

宽带信号处理平台采用常规的背板+载板架构。其中背板为各个载板提供相互之间总线通信的通道，同时提供电源、系统时钟等公共信号。背板的槽位按照信号定义可分为管理槽位和通用槽位。背板中管理槽位一般情况下只有一个，其信号定义有别于通用槽位，而通用槽位有多个，每个槽位的信号定义基本一样，可以保证通用板卡在任何一个通用槽位中都可正常工作。

宽带信号处理平台背板的组织架构如下图所示：

图1 宽带信号处理平台基本架构

根据背板通道功能的不同，背板上的通道可分为四种：公用通道、管理通道、控制通道、数据通道。

公用通道：是指各单元板卡共用资源的通道，主要是指电源和时钟信号的通道。背板上各板卡的供电是由外置电源通过背板提供到各单板的。

管理通道：主要是指智能管理平台总线（IPMB），该总线是基于一条与各槽位均连接I2C双串行信号线实现的。管理板可以通过IPMB对其他各板卡进行功能识别以及状态的实时监测，如管理板可以通过IPMB获取各板卡的位号、电压、温度、正常/故障等信息，该功能需要各单元板卡配置特定的传感器来实现。

控制通道：是指以管理单元为中心节点的星型拓扑千兆以太网络，主控交换单元通过该通道对其他各功能单元进行下发指令或交互协议，实现对系统业务状态的控制。

数据通道：是指以主控交换单元为中心节点的星型拓扑Rapid IO交换网络，各负载模块之间数据交互均需要通过中心节点进行转发来实现。

宽带信号处理平台中载板可分为两类：管理板和通用板，按照具体功能细分，管理板也称为主控交换板，而通用板可分为信号处理板和数据采集板两类。该平台中基本的宽带信号流程是：数据采集板将模拟信息进行数字化转换，然后该数字信号通过背板的数据通道传输给管理板，管理板再将该数据转给相应的数字信号处理板，从而完成对宽带数据的解析和处理。在宽带无线系统中，宽带信号有接收和发送两个流程，前面流程对应信号的接收流程，发送流程与之相反。

上述架构符合OpenVPX标准中3U六槽的中心式背板模型，即BKP3-CEN06-15.2.2-n。因此，对应板卡也可以参照OpenVPX标准中给出的对应模型进行设计[3]。

为了满足宽带信号处理速率需求，我们采用4x 串行RapidIO进行数据传输，而控制总线采用的千兆以太网。在OpenVPX标准中，对应的管理板的模型型号为：SLT3-SWH-5F5U-14.3.1，该模型为管理板规划了5条FP（FatPlane），和5条UTP（UltraThinPlane）。其中，FP代表4组高速差分对，而UTP代表1组高速差分对，每组高速差分对含有4根线，2条收，2条发。相应的通用板模型型号为SLT-PAY-1F2F2U-14.2.2[3]。

关于具体板卡的实现，目前技术已经非常成熟，而且市面上有厂家的板卡可供选择，只要是满足OpenVPX对应标准的板卡，都可以用来搭建宽带信号处理硬件平台，这也是OpenVPX总线架构开放性的很好体现，真正实现产品设计的“货架式”理念。

三、总线拓扑论证

宽带信号处理平台是一个通用的、可灵活配置的系统平台，在OpenVPX标准中给出了两种系统组织的总线拓扑结构，分别为：集中交换式拓扑（即星型拓扑）和全互联拓扑（Full Mesh）。显然，在上节论述中，我们采用了集中交换式拓扑。下面我们就这一选择进行论述。

集中交换拓扑结构中需要一个专门负责总线交换的单元模块，所有其他单元之间的数据交互均由该交换单元来完成。这种结构便于系统对各功能单元的集中控制和管理。集中交换拓扑实现的难点在于要求该交换单元具有足够大的数据吞吐能力和足够小的总线交换延时。目前已有芯片厂商解决了该难题，设计出快速总线交换芯片，可以满足我们的需求。

图2 集中交换拓扑结构

全互联拓扑结构示意图如图3所示，该结构中任意两个功能单元之间均有相互直联的总线，不需要增加交换单元便可实现任意单元间的总线通信，同样这种结构也可保证总线传输的实时性。但这类结构需要每个功能模块都有个总线接口（其中N为系统中功能单元总数），这种情况下，系统中总线的数量总数为：

假设我们需要5块功能单元，则每个功能单元应具有4个总线接口，且需要连接10条总线通路。而目前主流处理器芯片一般只能提供2个4x的的高速串行总线接口，要想实现5块功能单元，只能为每个单板配置多个同样的芯片，这样不仅会增加单元板的复杂度和成本，而且也会使系统背板布线非常复杂，也不利于系统功能扩展。

图3 全互联拓扑结构

基于以上分析，我们在上平台架构设计是选用了集中交换的拓扑结构来构建系统。如果该类架构中需要的板卡比较多，建议采用6U的板卡设计，同时提高管理板的总线吞吐能力。

四、性能分析

以目前国内高速总线实现的普通水平为例，单路RapidIO至少可达到2.5Gbps数据吞吐量，而对应4x RapidIO，则可实现至少10Gbps的数据传输带宽。10Gbps的处理带宽可以满足目前大部分实际应用的场合。如果有更高带宽的处理要求，可采用6U板卡，可实现近3倍于3U板卡的带宽吞吐能力，即30Gbps。

该平台采用开放式总线架构，各单元与总线接口均符合所采用开放式总线接口标准。单元板均为统一尺寸的标准单元板卡，采用标准总线架构。实现该平台的技术难点主要在于高速PCB的设计。

高速PCB设计主要难点在于高速信号的信号完整性设计。在设计过程中需要采取多种技术措施来保证设计的可靠性，首先在PCB分层时考虑高速信号的特殊要求，其次在布线时对高速差分对要单独设置严格的约束条件，布线完成后要借用软件对布线效果进行信号完整性仿真，最终还要通过实际测试后才能确定PCB是否满足高速总线要求。

结论

本文给出了基于OpenVPX总线标准的宽带信号处理平台的设计分析，通过对OpenVPX系统总线的剖析和应用，给出了一种通用化的、且可灵活配置的宽带信号处理平台设计方法，同时针对系统的组织拓扑进行论证分析。该通用平台可满足高速无线通信系统的需求，还可应用与雷达信号处理、图像视频处理等高性能、高带宽的数字信号处理系统中。

参考文献

[1]杨刚；龙海燕；杨晞，计算机总线发展新趋势[J]微计算机信息，2003.1.15.

[2]ANSI/VITA46.0-2007，American National Standard for VPX Baseline Standard [s]，2007.

[3]ANSI/VITA65-2010，OpenVPX TM System Specification[s]，2010.

（作者单位：广州海格通信集团股份有限公司）