基于MicroTCA架构的软件无线电平台设计与实现

许惠泉

北京圣非凡电子系统技术开发有限公司，北京 100141

基于MicroTCA架构的软件无线电平台设计与实现

许惠泉

北京圣非凡电子系统技术开发有限公司，北京 100141

利用MicroTCA构架和AMC模块，构建了基于MicroTCA架构的软件无线电平台。与传统PCI、CPCI、VME等运算架构相比，MicroTCA构架具有更高的带宽、更强的处理能力。最后对该软件无线电平台实现软件无线电的总体方案和软件方案进行介绍。采用的设计方案实现了完全的可编程性，系统的升级只需要动态加载相应的软件，即可实现软件的升级，是一种非常接近理想软件无线电模型的设计方案。

MicroTCA；AMC；软件无线电

引言

由于在功能和扩展能力上的限制，不同无线通信系统间的兼容性、互联互通性以及高成本问题成为了无线通信系统亟待解决的难题。软件无线电（Software Defined Radio）则提出了一种新的设计制造和使用无线通信系统与设备的思想，它摆脱了面向用途而完全依赖硬件的传统无线电设计思路，通过以开放性、可扩展、结构精简的硬件为通用平台，把系统提供的业务从长期依赖固定电路的方式中解放出来，利用软件可编程、可重构和成本低的优势，较好地解决了上述难题，并把无线通信技术提升到一个新的高度，受到人们的普遍关注。PICMG协会在ATCA构架的基础上提出了一种微型电信计算架构（Micro Telecommunicati ons Computing Architecture），此架构满足高吞吐量、低延时、模块可定制等优点为软件无线电平台的建立提供了一条可行的技术路线。

1 总线技术

业界应用最为广泛的总线标准主要有两大系列，分别是VITA组织定义的VMEbus、VXS和VPX和由此衍生的总线规范，以及PICMG组织定义的ISA、CPCI以及MicroTCA总线。下面对这些总线中，应用较为广泛的VPX、CPCI与MicroTCA进行介绍。

CPCI对工业做出了巨大的贡献，但它仍属于并行总线，虽然这种总线结构曾经因简单被广泛接受，但是由于其总线结构的局限性，无法提供最佳性能。

MTCA和VPX是目前支持高速串行总线的硬件架构的主流发展发向。

VPX很好地继承了已经验证过的技术与标准，具备很好的兼容性，但是 VPX由于其配置较灵活，存在不同系统的互操作性问题，虽然己提出新的 OpenVPX规范以增强架构的开发性，但现在仍存在架构无法统一的问题，此外，VPX中管理控制器、交换机、桥接器等的使用不仅会抬高成本，同时也使系统更复杂，维护成本更高。当然基于坚固性和可靠性考虑，若产品对成本不敏感，VPX也是一个不错的选择。

MTCA技术源于ATCA与AMC，把AMC模块直接插入相应的背板，是一种特别紧凑且高性能的设计。MTCA的目的是在一个紧凑系统中重用AMC模块。MTCA的灵活性与其两个重要组件的杰出设计是分不开的，一是背板，二是MTCA控制交换模块（MCH），用于管理机箱内的板卡与交换互连。MTCA的互联技术包括 GbE、PCI-Express、SATA/SAS、Fibre Channel 与 SRIO，这些技术的实现都需要MCH与背板的配合。同时MTCA支持全冗余配置，其冗余、大容量互连与高吞吐能力是非常强大的[1]。

2 总体方案设计

本软件无线电平台采用MicroTCA架构，板卡尺尺寸为双宽全高，采用双交换冗余，双电源双电源冗余，提供至少8个AMC板槽位，AMC板通过RTM板（后插板）连接出线，采用后出线方式，满足 MTCA.0和 MTCA.4规范，由整机平台（包括MCH交换板，电源板）和AMC板（包括系统板、链路控制板、接口板）组成，板卡之间采用以太网和SRIO总线进行通信，如图1。

图1 MicroTCA软件无线电平台框图

2.1 AMC板卡硬件设计

AMC板（包括系统板、链路控制板、接口板）采用高性能通过CPU+FPGA+DSP的架构，对内提供2路以太网口，2路RapidIO接口。主要由链路控制模块、电源管理及转换模块、DSP算法处理模块及拓展接口组成如图2。

图2 AMC板卡框图

（1）链路控制模块：选用高性能的POWERPC通用处理器，运行 VxWorks操作系统，主要运行配置管理程序，链路控制程序等。

（2）电源管理模块：选用单片机做处理器及相关外围检测控制电路组成实现电源管理功能，管理协议满足IPMB总线规范的规定。

（3）电源转换模块：通过电源转换模块得到板卡所需各种电源。

（4）逻辑控制模块：采用高性能的 FPGA可编程逻辑芯片，用于实现控制逻辑，同时可通过FPGA自带的RapidIO接口接收和发送数据信息。

（5）DSP处理模块，选用高性能数字信号处理器，主要用于运行波形的生成软件。

管理总线规范：板卡满足 IPMB总线规范的规定，支持双交换，基于IPMI协议接受MCH板对业务板的电源控制、电压监控、温度监控等功能。

（1）AMC.2（GbE）交换总线规范：AMC Port0-1定议为2个GbE交换通道，采用Type E2类型总线。

（2）AMC.4（SRIO）交换总线规范（1X）：AMC Port4，Port8定义为2个SRIO交换通道，PORT4为主，PORT8为从。

2.2 网络设计

AMC板卡上的网络部分由P2020和88E6131组成。P2020的网络接口有3种形式：网口0为RGMII模式、网口1为GMII模式、网口2为SGMII模式；88E6131芯片自身的对外接口有三种：PHY模式、SERDES模式以及GMII模式，在板卡应用中，使用了2个PHY模式口、4路SERDES模式口和一路GMII模式。P2020网口1和网口2与BCM6131的2路SERDES口连接，属于MAC与MAC连接模式，如图3所示。

2.3 Rapid IO设计

在AMC板卡上，Rapid IO是板卡对内对外通信的主要通道之一，板卡上的三个功能芯片均通过 Rapid IO连接到一起，同时又通过接插件和其他设备连接到一起，如图 4所示。

图3 P2020网络结构示意图

图4 SRIO连接示意图

3 软件方案设计

利用软件无线电的基本思想，本设计中链路控制板能根据使用要求，动态加载和更新链路控制软件、波形软件和FPGA软件。所有软件的加载基础是板卡守护软件，守护软件要完成动态加载软件的版本控制，对原运行软件的动态卸载和新软件的正确加载，以及在加载过程中异常断电时的现场保护等功能。守护软件对其他应用软件不可见，对其保护至关重要，应采用加锁保护措施，如图5。

图5 设备软件功能组成图

板卡软件动态加载主要分为初始化上电加载和软件运行过程中加载两方面。

（1）初始化上电加载：上电时，守护软件通过板卡主处理器与DSP处理器间的HPI接口完成对波形软件的动态加载，通过与FPGA间的接口完成对FPGA软件的动态加载，最后启动运行板卡链路控制软件。

（2）软件运行过程中加载：板卡软件运行时，若守护软件接收到上层动态加载软件的命令，需先卸载/停止原软件，再加载相应的软件。

3.1 LINK口设计

LINK口是板卡P2020与ADSP的通信及加载接口，P2020 Local Bus通过FPGA译码后连接到ADSP LINK接口，如图6所示。

LINK口是FPGA逻辑生成的接口，在P2020端操作LOCAL BUS对FPGA的译码地址，实现LINK口的通信。LINK口功能分为ADSP LINK口加载和LINK口通信。ADSP加载功能是P2020读取ADSP加载文件，通过LINK口写入到 ADSP 的内存中，并启动 DSP的过程。LINK口通信需要实现 LINK口的初始化、读、写操作功能，读写接口函数采用中断阻塞方式进行编写。

3.2 HPI总线

HPI总线是板卡上TI DSP（C6455）与P2020的一个通信及加载接口，P2020 Local Bus通过CPLD译码连接到TI DSP（C6455） HPI接口，如图 7所示。

HPI驱动分为DSP 的HPI加载和HPI通信。DSP 的HPI加载是P2020读取DSP加载文件，通过HPI写入到DSP 的内存中，并启动DSP的一个过程。HPI通信与加载的操作基本上相同，需要实现 HPI的初始化、读、写操作功能，使用中断作为通信信号。

图6 LINK口连接示意图

图7 HPI连接示意图

3.3 FPGA在线加载接口

FPGA在线加载功能需要将指定的文件通过并行口加载到FPGA，同时并启动FPGA运行。

P2020通过LOCAL BUS与CPLD连接，CPLD译码后与FPGA的并行加载口连接，如图 8所示。FPGA加载步骤如下：

（1）读取加载文件；

（2）复位FPGA；

（3）加载FPGA文件；

（4）启动FPGA。

图8 FPGA加载连接示意图

3.4 双口RAM接口

双口是P2020与ADSP及 DSP的通信接口，通过FPGA译码产生，P2020通过LOCAL BUS访问，根据FPGA的译码对其进行控制，连接关系如图 9所示。

P2020根据FPGA不同的译码偏移地址，区分TI DSP（C6455）和ADSP的双口。在双口驱动中，P2020需要实现双口的发送数据、接收数据及中断相应，需要提供双口的初始化、数据接收及数据发送接口函数。

图9 双口连接示意图

4 结束语

文中构建的基于MicroTCA构架的软件无线电平台，克服了传统VME、CPCI、总线系统带宽方面的不足，先进的构架支持RapidIO、以及Ethernet等高速总线的背板互连。系统的信号处理能力可以通过增加信号处理板很容易地进行扩张。AMC模块很好地实现软件无线电的设计思想标准化和模块化。本设计采用的设计方案实现了完全的可编程性，系统的升级只需要动态加载相应的软件，即可实现软件的升级，是一种非常接近理想软件无线电模型的设计方案。

[1]compotechasia.com.Zarlink推出面向 Advanc edTCA、AMC和 MicroTCA应用的电信级同步芯片[J].工业和信息化教育，2006（3）：39.

Design and Implementation of Software Radio Platform Based on MicroTCA Architecture

Xu Huiquan
Beijing St.Extraordinary Electronic Systems Technology Development Co., Ltd., Beijing 100141

Based on MicroTCA architecture and AMC module, a software radio platform based on MicroTCA architecture is constructed.Compared with traditional PCI, CPCI, VME and other computing architecture, MicroTCA architecture has a higher bandwidth, more processing power.Finally, the software radio platform for software radio to achieve the overall program and software solutions are introduced.The design of the design of the program to achieve a complete programmability, the system upgrade only need to dynamically load the appropriate software, you can achieve the software upgrade, is a very close to the ideal software radio model design.

MicroTCA; AMC; software radio

TP274.2

A

1009-6434（2017）3-0126-03