通用软件无线电平台

通用软件无线电平台（精选8篇）

通用软件无线电平台 篇1

摘要：软件无线电 (SDR) 是随着微电子技术迅速发展起来的一项新技术, 强调以开放性最简硬件为通用平台, 数字信号处理器 (DSP) 是整个软件无线电方案的灵魂和核心所在。软件无线电技术广泛地应用于现代通信的各个领域之中。

关键词：软件无线电,数字信号处理,调制解调

软件无线电 (SDR) 是通信与电子技术领域目前最重要、最活跃的研究领域之一。软件无线电是构造一个具有开放性、标准化、模块化的通用硬件平台, 用软件完成各种功能, 从而研制出具有高度灵活性、开放性的新一代无线通信系统。

1、软件无线电 (S W R)

1.1 关键技术

软件无线电 (SWR) 关键技术主要有:天线、射频前端、宽带A/D-D/A转换器、通用和专用数字信号处理器以及各种软件组成。软件无线电的天线一般要覆盖比较宽的频段, 每个频段的特性都要均匀, 以满足多种业务需求。其硬件结构使软件无线电具有整体的可编程性:RF频段可编程、信道访问模式可编程、信道编码和调制可编程。软件无线电是以一个通用、标准、模块化的硬件平台为依托, 通过软件编程来实现无线电台的各种功能, 从基于硬件、面向用途的电台设计方法中解放出来。减少模拟环节, 把数字化处理 (A/D和D/A变换) 尽量靠近天线。

1.2 优点

运用软件无线电方法可以有效地解决系统功能的升级和扩展问题, 研发时间和调试周期较短, 对于提高可靠性和降低成本很有效。从通信技术的发展趋势来看, 软件无线电技术具有许多以硬件为主的传统通信系统所无法比拟的优点。DSP的发展, 使得在许多速度要求较高, 算法较复杂的场合, 取代MCU或其它处理器, 而成本有可能更低。

2、软件无线电通用平台的DSP技术

2.1 新一代DSP处理器

TMS320C6701 (简称C6701) 是TI公司近年来推出的含多个处理单元的一种新型新点、高性能DSP芯片。与TMS320C6201管脚兼容, C6701为通用32位浮点DSP处理器, 采用甚长指令字 (VLIW) 结构。主频为167 MHz, 浮点单元为6个, 支持字节寻址获得8位/16位/32位数据;程序存储空间和数据存储空间各512Kb;通过对五个BOOTMODE引脚的灵活设置设定各空间的地址范围。片上集成了32位外部存储器接口EMIF, 片内数据空间分为两块, 每一块RAM被组织为八个2K×16的存储体, 使得CPU能够同时访问不同存储体的数据, 不发生冲突。采用0.18μm工艺, 则五层金属组成, 输入输出接口电压为3.3V, 核心电压1.8V (167MHz时为1.9V) 。C6701的外围端口包括DMA控制器、主机接口 (HPI) 、中断选择等。两个多通道缓存串行口 (McBSP) 除多通道、比缓存外, 还支持多种数据格式、硬件A/μ率压扩展、位时钟和帧时钟的灵活编程, 还提供SBSRAM、SDRAM等高速存储器的无缝接口。

2.2 DSP技术的应用

DSP是一种适合数字信号处理运算需求的单片可编程微处理器。DSP的内部芯片采用程序和数据分开的哈佛结构, 设有单独的硬件乘法器, 采用流水线操作, 提供特殊的DSP指令, 快速的指令周期。可以用来快速的实现各种数字信号处理算法。例如在语音处理系统里使用模拟滤波技术, 由于模拟技术存在温度漂移、元件误差和老化等问题, 滤波器的质量得不到保证, 并且参数调整不灵活。而数字滤波器只是一些数字处理运算, 它对二进制数字进行乘、加、减等运算, 得到的结果完全可预测和可复制。每套测控平台含双机备份的遥控调制器与遥控解调器, 双机分别由独立电源供电。中频主要包括基带处理、比特流处理和信源编码3部分。基带处理主要完成各种波形的调制解调、扩频解扩、信道的自适应均衡及各种同步数字处理, 每路需要几十到几百个MIPS的处理能力。调制器与解调器分别通过不同的RS232串口与遥控处理计算机通信, 完成对调制解调器的控制及其带数据的收发。采用IRQ差错控制方式来保证程序传送的可靠性, 参数设置成功后, 调制解调器根据协议发送和接收遥控指令, 并将工作状态回送遥控处理计算机, 同时在遥控前端机面板上显示。信源编码要完成话音、图像等编码算法, 每信道需要十几个MIPS的处理能力。如此巨大的信号处理运算, 必须采用高速多个DSP并行处理结构才有可能实现。DSP发展的片内存储器RAM越来越大, 要设计高效的DSP系统, 就应该选择片内RAM较大的DSP。1

2.3 调制解调器的功能

调制器和解调器合在一起成为调制解调器, 通过电话拨号接入Internet的必备的计算机硬件设备。调制器是把数字信号用调制电波频率的方法将其转换为模拟信号, 解调器是在接收到模拟信号后, 将模拟信号解调, 使信号恢复成数字信号。调制是指用基带脉冲对载波波形某个参数进行控制, 从而形成适合于线路传送信号的过程。正弦信号形式简单, 便于产生和接收, 经常被用作载波体。经过调制的信号通过电话载波传送到另一台计算机之前, 也要经由接收方的Modem负责把模拟信号还原为计算机能识别的数字信号, 这个过程称为“解调”。解调的方式有正弦波幅度解调、正弦波角度解调和共振解调技术。

总之, 用软件无线电技术实现通用卫星测控平台, 是把硬件作为无线通信的基本平台, 把尽可能多的无线通信及个人通信功能用软件实现。软件无线电具有很强的灵活性和开放性, 通过注入功能各异的软件, 开发和研制了通用化、综合化、智能化的卫星测控平台, 对调制载频、调制方式、传输码速率等的参数进行了有效地改变, 能够很好地满足需要, 且有较大的冗余度, 利用升级, 应用于各种轨道卫星平台的遥测遥控任务。

参考文献

[1]程鹏.图像声纳发射与控制模块的设计与实现[D].哈尔滨工程大学, 2010:1-70.

通用软件无线电平台 篇2

12328电话系统由呼叫中心平台和电话管理系统平台组成。呼叫中心平台包括电话服务系统、短信服务系统、微信服务系统、服务监督网站、移动终端服务系统、邮件服务系统、转办受理系统、交办受理系统；电话管理系统平台包括业务处理系统、知识库系统、决策分析系统、运行管理系统。

（一）呼叫中心平台 1．电话服务系统

电话服务系统通过排队、接入、保持、录音、三方通话、外呼、转接等功能，为投诉举报、信息咨询、意见受理等业务提供电话受理渠道，并实现呼入弹屏、历史呼叫自动检索、数据项录入、知识库检索等功能。

博域通讯一体化呼叫中心平台产品BYICC2.0采用上表所述型号的呼叫中心行业主流品牌硬件作为本产品出厂时的呼叫中心系统硬件平台，从而为保障呼叫中心系统平台的电信运营商级稳定性奠定了坚实的硬件基础。采用博域通讯一体化呼叫中心平台产品BYICC2.0的呼叫中心系统硬件(专业部分)通常包括：[1]一体化CTI通讯服务器，模拟语音卡{包括通用底板，板载的功能模块如外线模块、坐席模块、内外线联合模块等，以及坐席铃流馈电电源}，数字中继语音卡{支持ISDN PRI[30B+D]信令以及中国7号信令[TUP、ISUP]以及中国1号信令的呼叫接续，支持75Ω E1同轴线、100Ω T1双绞线及120Ω E1双绞线等多种阻抗的数字中继线}，VoIP语音网关(VOIP语音卡){支持SIP/SDP/H.323协议}，CT-BUS总线电缆等；或[2]多媒体(语音)交换机{包括交换机机架、交换机中央主控板与后出线板、交换机功能板如模拟功能板/数字中继板/VoIP功能板/Asterisk功能板以及与功能板对应的后出线板、板载模块等}。作为一站式呼叫中心解决方案与开放式的标准的呼叫中心(联络中心)系统平台，博域通讯一体化呼叫中心平台产品BYICC2.0在一台CTI通讯服务器(多媒体语音交换机)上融合了呼叫中心系统的所有常用功能，这对于降低呼叫中心系统的建设和维护成本具有重要意义；博域通讯一体化呼叫中心平台产品BYICC2.0高度的集成性和整合性极大地回避了非集成系统普遍遇到的软硬件冲突以及不同厂家的系统接口的连接和配置难题，为企业/政府机关免去了昂贵的成本、复杂的网络连接以及众多服务器和程控交换机设备，大大地降低了呼叫中心系统的建设成本。博域通讯一体化呼叫中心平台产品BYICC2.0(也称为一体化呼叫中心系统产品BYICC2.0)致力于面向广大企业和政府机构普及呼叫中心系统(Call Center)。经过大连广播电视台、深圳地铁四号线、佛山水业集团、郴州市桂东县人民政府、岳阳市公安局交通警察支队、泉州市老龄办、招远市公安局、广东江门海关、黑龙江省人民政府采购管理办公室、大理广电、威海第二热电集团、丽江数字电视、滨州市博兴县教育局、深圳华强电子世界网、广西环江电力、中青旅山水时尚酒店、广州白天鹅宾馆、盘锦市司法局、南宁海方燃气、清远市劳动和社会保障局、贵州四方鼎立、长安铃木汽车、新疆特力电信、长沙三诺生物、昭通广电、广西出入境检验检疫局、巴彦淖尔市商务局、无锡生活在线、黑龙江省柴河林业局、淄博市淄川区城市管理行政执法局、西宁市财政局、文山广电、保山广电、西双版纳广电、大同市纪委监察局、无锡市民政局、恩施自来水、寻甸县第一人民医院、深圳市司法局、荆门市农业局、大宝化工、乌兰察布市住房公积金管理中心、云南省大理市第二人民医院、福建省莆田市老龄工作委员会、辽宁省数字证书认证中心、香港昌机集团等众多企业/政府机关呼叫中心成功案例验证的博域通讯一体化呼叫中心平台产品BYICC2.0作为CTI软硬件一体化平台开机即可使用，硬件平台采用呼叫中心行业主流硬件厂商(如杭州三汇、深圳东进、广州毅航通信、上海迅时通信等)的多媒体交换机和语音板卡以及VOIP语音网关，以ALL-IN-ONE/嵌入式的方式集成并固化了PBX/ACD/IVR/CTI/数字录音/语音信箱/VOIP[支持完全分布式、远程中继和远程IP座席方式的混合应用]/TTS/电子传真/来电弹屏（Screen PopUp）/人工座席软件/短信/统计报表软件/维护管理工具软件/智能自动外拨（也称为智能自动外呼或自动批量外呼）软件/客户关系管理(CRM)/工作流(派工单流转/电子工单流转)管理/与已有计算机技术支持系统的数据接口/易学易用的软件二次开发环境以及软件二次开发的模板程序源代码(呼叫中心系统第三方开发接口)/运营管理等核心的呼叫中心功能模块，同时提供定制化软件开发技术服务。博域通讯一体化呼叫中心平台产品BYICC2.0中的交互式语音应答(IVR)流程软件BYICCIVR2.0和座席软件BYICCAgent2.0以及统计报表软件BYICCReport2.0已经内置了经过规模商用验证的通用客户关系管理(CRM)功能，通常能满足大部分最终使用部门的业务功能需求。这里提到的通用客户关系管理(CRM)功能包括客户档案信息管理，投诉建议记录管理，业务受理记录管理，业务咨询记录管理，业务查询记录管理，客户回访记录管理，电话营销管理，派工单/工作流管理，销售业务管理，和与已有计算机技术支持系统(如MIS系统/GIS系统/OA系统/ERP系统/BOSS系统等)的数据接口等。作为易于建设/部署实施、易于管理/维护、易于二次开发的高度集成的呼叫中心系统平台成熟产品，对于CRM个性化业务功能需求较少的呼叫中心系统/客户服务中心系统项目(不论系统采用SS1/ISDN PRI/SS7的数字中继线路还是模拟电话线路，不论系统配置4个座席还是64个座席或120个座席)，采用博域通讯一体化呼叫中心平台产品BYICC2.0(也称为一体化呼叫中心系统产品BYICC2.0)的贵单位呼叫中心系统即装即用，在1个工作日内即可直接投入正式的商业运行。呼叫中心平台是指对各行各业的用户都适用的呼叫中心系统的通用部分，往往由专业的呼叫中心厂商提供。对于个性化应用较少的企业/政府部门，只需在呼叫中心平台上做个性化配置，呼叫中心系统就可以投入运营。对于个性化应用功能需求较多的企业/政府部门，则需要在呼叫中心平台上做二次开发，二次开发可以由系统集成商(SI)来完成，对于开发力量较强的企业/政府部门也可以自己进行二次开发。对于那些呼叫中心应用软件功能做得比较完善的高级呼叫中心平台，只需进行软件的个性化配置，而无须做二次开发。如果用户需要行业化的客户服务流程，则需外购专业的CRM(客户关系管理)软件。呼叫中心平台通过二次开发接口与专业CRM软件集成。因此，呼叫中心平台，就象房子的地基，支撑起呼叫中心系统的业务和系统负荷。呼叫中心系统的内核是以通信为基础的企业[政府机关]对内对外沟通联络系统，最具技术含量的核心部分是交换机系统PBX(Private Branch Exchange)以及CTI(计算机电信集成)系统；呼叫中心系统制造商需要依靠对通信技术的深刻理解，才能提供高稳定、高可用、高可靠的PBX系统以及CTI系统，灵活可靠地满足企业[政府机关]对于通信不断增长和变化的需求。呼叫中心中间件(即通常所讲的CTI中间件)产品是呼叫中心系统中的各种计算机系统与通信系统之间的桥梁，屏蔽了呼叫中心系统的底层通信的复杂性，为软件开发人员提供了一个简单而统一的易学易用的软件二次开发环境，减少了呼叫中心系统的程序设计的复杂性，在实施呼叫中心系统项目时将软件开发人员的注意力集中到最终用户的个性化CRM业务流程(如客户档案管理、业务咨询管理、业务查询管理、业务受理管理、投诉建议管理、客户回访与市场调查管理、工作流/工单管理、销售业务管理、与已有计算机技术支持系统[如MIS/ERP]的数据接口等)的定制开发上，从而大大减少了软件开发人员在技术上的负担。采用CTI中间件产品建设呼叫中心系统项目的显著优势包括：(1)减少呼叫中心系统项目的建设成本；(2)降低呼叫中心系统开发/实施的失败率；(3)缩短呼叫中心系统的开发周期；(4)节约呼叫中心系统的开发成本；(5)简化呼叫中心系统与已有计算机技术支持系统的集成/整合；(6)减少呼叫中心系统的维护费用；(7)提高呼叫中心系统的开发质量；(8)保证呼叫中心系统技术进步的连续性；(9)增强呼叫中心系统的生命力；(10)保护已有的投资。

2．服务监督网站

部级12328网站主要实现省级子网站导航和部级服务监督综合信息政务公开。地市级12328网站实现投诉举报业务受理、业务信息查询、政务信息公开等功能。省级不受理呼叫业务的，实现地市级子网站导航和省级服务监督综合信息政务公开；省级受理呼叫业务的，在提供地市级子网站导航和省级服务监督综合信息政务公开的同时，还需实现投诉举报业务受理、业务信息查询、政务信息公开等功能。

3．短信服务系统 12328短信平台实现投诉举报、信息咨询等业务受理和公众出行等公益信息发布，以及投诉举报处理结果告知等功能。

4．微信服务系统

实现投诉举报、信息咨询等业务受理，业务处理进展查询和结果反馈，公众出行等公益信息发布功能。

5．移动终端服务系统

移动终端APP实现投诉举报、信息咨询等业务受理，业务处理进展查询和结果反馈，公众出行等公益信息发布功能。

6．邮件服务系统

通过12328邮箱方式受理投诉举报、信息咨询等业务，自动形成业务受理工单，并通过邮件回复进行业务处理结果反馈。

7．转办受理系统

受理外单位或外部门转送的交通运输服务监督业务，实现工单生成、业务处理及结果反馈功能。

8．交办受理系统

受理上级部门交办的交通运输服务监督业务，实现工单生成、业务处理及结果反馈功能。

（二）电话管理系统平台 1．业务受理系统

业务受理系统接收电话、短信、网站、邮件、移动终端、微信等渠道受理的服务监督信息。工作人员通过业务受理系统对信息内容进行整理与记录后，按照《12328电话系统业务流程规范》填写电子表格，形成业务处理工单。

2．业务处理系统

与业务处理工作流程紧密结合，实现工单流转、催办督办、查询反馈、企业直通车、多渠道工单查重及并案处理、重大投诉举报处理等功能。

3．统计分析系统

结合对12328电话业务统计数据的挖掘整理，实现相关类型数据的同比分析、环比分析，结合管理决策的需要实现行业热点分析、行业动态预警、行业专题分析、趋势分析等功能。

4．知识库系统

知识库系统具备知识生命周期管理、多库管理、文档锁定、知识版本控制、知识导入导出、知识维护流程管理、编码管理、配置管理、系统管理等功能，能结合结构化数据和非结构化数据对图文、表格等多种类型数据知识进行采编、查询和管理。知识库系统一方面可作为一个独立系统提供信息查询服务，另一方面可通过与电话管理系统整合，结合具体业务运行数据的积累，实现相关知识信息的动态更新。

5．运行管理系统

通用软件无线电平台 篇3

TDRSS用户终端是指安装在用户目标卫星上与中继卫星保持通信的终端设备[1,2]。传统以模拟技术为基础的TDRSS用户终端收发设备存在研制周期长、成本高和体积功耗大等缺点, 无法满足卫星的快速响应以及中小卫星低功耗、小体积的需求[3,4], 数字化技术在欧洲和美国航天TDRSS中已经广泛应用, 设计时大量运用FPGA和ASIC等大规模集成电路技术, 可以显著增加其设计的灵活性, 也易于实现小型化设计[5,6]。利用软件无线电思想, 研制一套通用化S频段TDRSS用户终端, 来满足不同卫星任务的中继测控通信需求。

1 系统总体方案设计

通用化TDRSS用户终端组成框图如图1所示。

系统主要包括以下部件:

(1) 射频接收通道。采用一次下变频方案, 一方面使得射频前端简化, 利于实现小型化和低功耗;另一方面, 利用数字信号处理技术, 充分发挥数字电路高精度和灵活性强的特点, 有效解决模拟终端中噪声和漂移等问题, 从而提升设备的整体性能。

(2) 射频发射通道。采用二次上变频方案, 有效避免直接将低中频信号变频到S频段时形成的2FIF无用边带进入后级PA。

(3) 数字处理模块。所有本振采用分频式锁相环芯片, 本振和FPGA的频率源由TCXO统一提供。由一片Xilinx FPGA实现所有算法, 实现载波同步、扩频码同步和遥控信号解调等功能。

(4) 电源管理模块。从外部引入电压, 经过限流芯片及EMI滤波器, 变换得到模拟3.3 V、数字3.3 V、2.5 V和1.2 V等电压。

1.1 射频链路通用化设计

按照国军标《航天器测控和数据管理第5部分:射频和调制》规定, 测控和空间研究S频段前向、返向链路使用频率范围各为90 MHz。为了实现90 MHz范围内射频通道通用化, 链路各级器件必需满足相应带宽指标。对整个收发链路来说, 滤波器的选择和本振源的可配置为本方案的关键。

(1) RF接收滤波器选择

综合考虑带内平坦度、带外抑制以及体积功耗, 选用接收端RF滤波器中心频率为S波段上行中心频率, 3 d B带宽满足覆盖整个前向频段的要求。具体指标如表1所示。

(2) IF接收滤波器

IF接收频率选择70 MHz。具体指标如表2所示。

(3) IF发射滤波器选择

发射端采用2级上变频。第1级低中频F1 (F1≤20 MHz) 信号;第2级固定高中频465 MHz。为了保证信号绝大部分能量能顺利通过, 选择高中频滤波器带宽为20 MHz。具体指标如表3所示。

(4) RF发射滤波器选择

RF发射端滤波器覆盖整个返向链路90 MHz, 选择中心频率为S波段下行中心频率, 带宽为100 MHz的滤波器。具体指标如表4所示。

(5) 上、下变频器设计

为了适应不同频点变化, 上、下变频器必须可配置。本方案选择ADF4360-X系列频率综器。ADF4360-X集成了数字鉴相器、电荷泵和VCO, 只需外部提供一个频率参考源即可。FPGA通过I2C总线与它通信, 通过配置其内部R、C和N寄存器参数以适应前向、返向通信频点的更改。

1.2 数字处理模块原理与实现

数字中频处理框图如图2所示。在接收端:应用带通采样定理, 进行宽带中频采样, 这样不仅可以减轻后续信号处理压力, 同时也实现了一次下变频。带通采样定理简述:设一个频率带限信号x (t) , 其频带限定在fL~fH内, 如果采样速率fs满足fs=2 (fL+fH) / (2n+1) , n取能满足fs≥2 (fH-fL) 的最大整数, 则用fs进行等间隔采样所得信号采样值x (n TS) 能准确地确定原信号。如果取fs=4f0/ (2n+1) , n取能满足fs≥2B的最大整数, 可以进一步将接收信号恢复到零中频附近[7,8]。

本系统中, f0经过下变频后, 输入fIF=70 MHz, 选取ADC采样频率fs=40 MHz。设中频输入信号含有信息调制的直接序列扩频信号, 它可以表示为:

式中, A为信号幅度;c (t) 为扩频码;d (t) 为信息符号;fIF为载波频率;φ (t) 是载波的随机相位。按照fs=4/7fIF的速率进行采样, 得到的采样序列为:

式中, I (n) =Ac (n) d (n) cos (φ (n) ) , Q (n) =Ac (n) d (n) sin (φ (n) ) 为信号的同相和正交分量。由式 (2) 可得:

即通过上述算法, 对原始采样信号r (n) 进行二倍抽取, 并分别与[1, 1, -1, -1]相乘后送入接收回路中的I、Q支路运算, 可以降低一半系统的处理速度。

接收回路通过数字扫频法进行载波捕获跟踪, 扩频码捕获采用并行双积分检测系统, 第1个积分器的积分时间为TD 1, 第2个积分器的积分时间为TD 2, 且积分时间满足TD 2>TD 1, 2个积分器彼此并行同时进行积分, 同时输出积分检测器的门限比较信号。捕获开始, 第1个积分器进行TD 1的积分并对输出进行判决, 如果小于门限值h1, 对2个积分器同时清零开始下一个相位的检测。如果大于门限h1, 则第2个积分器继续TD 2的积分, 并对输出进行判决。一直到2个积分器都大于门限值时, 表明扩频码序列已同步, 捕获完成, 捕获过程结束。

任何一个积分器输出低于门限, 就检测下一个相位。如果其中一个积分器的输出低于预定的门限值, 则输出一信号改变本地参考扩频码序列时钟的频率, 控制本地参考扩频码序列的相位滑动, 2个积分器都清零, 再次进行积分比较, 直到实现捕获。平均捕获时间为[9]:

式中, Pd=Pd1·Pd2是2个积分检测器都正确检测的联合概率;Pfa=Pfa1·Pfa2是2个积分检测器都发生虚警检测的联合概率, Pfa1是第1个积分检测器发生虚警检测的概率, Pfa2是第2个积分检测器发生虚警检测的概率;q是最大相位滑动次数, 一般q=2N (N为扩频码长度) ;k2是第2个积分检测器的虚警代价, 即第2个积分检测器消除一次虚警进行TD 2积分的次数, 虚警惩罚时间为k2 (TD 2-TD 1) 。

接收机一旦捕获了接收到的扩频信号, 即产生环路跟踪使能信号, 进入跟踪环路。本系统采用包络跟踪环, 其跟踪方差为[10,11]:

式中, ρL为回路带宽内的信噪比;ρIF是中频带宽内的信噪比。

发射端:对信息流进行卷积编码后扩频调制, 即PCM-CDMA-BPSK调制方式, 产生如式 (1) 的信号, 其中fIF=20 MHz, 射频端采用二次变频的方法。

2 测试结果及性能分析

系统测试框图如图3所示, 星上设备和地面设备之间通过无线通道连接。

主要性能指标测试结果如表5所示。

3 结束语

系统基于软件无线电的思想进行设计, 具有载波频点、扩频伪码和信息速率可适应的特点, 避免了不同型号任务硬件平台的重复开发, 实际测试效果较好。另外, 具有体积小 (230 mm×160 mm×30 mm) 和重量轻 (0.95 kg) 的特点, 适用于微小卫星平台上应用。值得注意的是, 应用于长寿命卫星的TDRSS用户终端收发设备需要考虑空间辐射的影响, 针对性地进行抗辐射加固设计。

摘要：介绍了一种S频段通用化跟踪与数据中继卫星系统 (Tracking&Data Relay Satellite System, TDRSS) 用户终端的实现方案, 重点论述了射频通道的通用化设计和数字处理模块的实现。对70 MHz中频信号直接欠采样数字化后, 利用FPGA完成中频处理的所有流程, 实现了一个硬件平台满足不同通信频点、扩频伪码和信息速率的需求。系统具有体积小、重量轻的特点, 适合应用于微小卫星平台。测试结果表明, 能满足常规中继测控通信指标要求。

关键词：软件无线电,S频段,通用化,TDRSS用户终端

参考文献

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[4]韩冬, 李志勇, 张琳.地空通信调制解调关键技程术分析[J].无线通信技术, 2012, 38 (3) :29-31, 46.

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[6]张建明.基于软件无线电原理导航接收机信号解算[J].无线电工程, 2011, 41 (4) :34-36, 44.

[7]李振军, 曾凌云, 郑善贤.基于FPGA的中频数字接收机的设计与实现[J].计算技术与自动化, 2009 (6) :50-53.

[8]杨雷, 王振荣.接收机中频数字化模块设计[J].电子测量技术, 2006 (2) :86-87.

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GPRS无线应用的通用平台设计 篇4

关键词：GPRS,通用平台,无线数据传输

1 引言

随着新一代移动通讯技术的发展, GPRS通讯技术以其独特的技术特点迅速得到了广泛的应用。GPRS无线通信较其它无线通信方式, 具有多种优点:

①投入低。目前中国移动通信提供现成的网络, 用户不用自己建设通讯网络和维护网络。

②传输距离长。GPRS接入Internet网, 实现全球通信。

③加入节点方便。GPRS是开放的数据传输网络, 有一张SIM片和一台GPRS DTU即可接入。

④优于以前的GSM数据通信方式。“永远在线”、“快速登陆”、“按量计费”、“切换自如”、“高速传送”、“安全可靠”等优点。

基于GPRS的无线数据通信系统应用在很多行业, 如:无线工业控制、智能交通、移动办公、物流信息及金融、医疗、保险、彩票等众多需要远程数据传输的领域, 具有广阔的应用价值。而设计一种通用的开发平台, 增强系统的可移植性具有重要意义。

2 通用平台总体规划

根据用户的常规需要, 平台需要为用户提供标准的数据传输接口:通过RS232或RS485/RS422接口与GPRS的DTU终端相连, 然后用户串口设备发送的数据通过GPRSDTU终端的内部嵌入式处理器对数据进行网络协议封装后通过GPRS无线网络发送到数据中心, 由于GPRS通信是基于IP地址的数据分组通信网络, 因此用户的计算机只需要提供准确的IP地址即可得到数据, 另外由于用户需要根据实际的应用需要对数据进行处理, 所以需要为用户提供在服务器数据解释端提供数据库编程接口。整体结构如图1所示, 图中虚线标出的部分是通用平台部分。

用户扩展应用时, 只需要通过RS232或RS485/RS422接口按照一定的协议传输采集的数据 (见表1) 。用户可以自定义数据类型, 通过用户自己编写的解释程序解释, 这样用户就可以方便地添加新增数据类型。同时也支持用户自定义加密方式。

运行在平台的控制程序将采集到的数据存储到数据库。用户解释程序可以运行在其它PC机上, 组成C/S网络结构;甚至可以用WEB技术实现, 组成B/S网络结构, 用户通过浏览器在客户机上浏览。通过数据接口编程序容易, 对开发人员要求不高, 稍具有编程经验的程序员就可编写出符合要求的解释程序。这样用户不需要重新设计平台封装部分, 只需将精力放在开发解释程序与用户扩展应用上。

3 GPRS DTU (Data Terminal Unit数据终端单元) 的实现

GPRS模块GR47集成了TCP/IP协议, 通过AT指令控制, 设计方便。MCU采用TI公司的MSP430F149单片机。它是TI公司推出的16位超低功耗、高性能的混合信号处理器。它具有处理能力强、运行速度快、资源丰富、开发方便等优点, 具有很高的性价比。

GPRS DTU硬件结构框图如图2所示, MCU与GR47通过串口通讯。

通过如下AT指令操作GR47传输数据:

①定义一个PDP上下文

返回字符OK

②激活已定义的PDP上下文

返回字符OK

③连接到数据中心服务器, 连接成功后, 模块处于在线数据状态

返回字符CONNECT

此时将进行GPRS数据传输, 输入的任何数据都将反映在对方端口。

用户扩展应用和GPRS DTU之间通过串口进行通讯, 而GPRS DTU外部串口可以接收多种数据形式, 终端控制命令和用户扩展应用数据类型, 所以为了区别用户数据, 用户需要对用户协议进行定义, 有别于模块底层数据包协议和AT指令。用户协议命令帧和数据帧采用统一编码格式, 如表1所示。

帧头:控制帧为0xCC (来自上位机) , 数据帧为0xDD (发向上位机) 。

帧类型:数据包类型, 用户自定义如温度、湿度等。

数据长度:数据区字节数。

数据区:包含设备数据或者指令信息, 目前最多255个字节。

数据校验和:数据帧头至数据区数据。控制命令控制GPRS DTU上线或下线, 由MSP430将命令帧解析成AT指令, 通过串口1对GR47控制, 而将数据帧直接通过串口0转发给GR47, 由服务器端程序解析。

4 服务器程序实现

平台将服务端程序分为数据解释程序与终端控制程序。终端控制程序完成DTU上线日志记录, 显示DTU编号, 控制DTU下线, 将采集到的数据存储到后台数据库等功能。数据解释程序由用户自己编写, 读取数据库的数据, 处理、前台显示或者做它用。在服务器端, 应始终保证控制程序后台运行, 在用户需要解释数据时运行数据解释程序。

5 结束语

利用该GPRS无线应用的通用平台后, 通用平台封装网络传输编程的硬件设计与软件设计, GPRS DTU和服务器端实现部分已不需重复开发, 用户只需要掌握RS232接口编程与基于数据库的编程, 就能开发出自己的应用系统, 目前实际传输速率只有30Kbps左右, 可适用于需要GPRS传输的许多低速场合。

参考文献

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通用软件无线电平台 篇5

无线通信对信息处理速度要求越来越快,对算法复杂度要求越来越高。信号处理理论与技术的进步推动集成电路的高速发展与更新,作为集成电路发展的一个重要方向,高性能、低功耗集成电路的推广应用,使许多原本复杂、高速的信号处理运算在移动便携设备中应用成为可能。

本文介绍了一种基于OMAP+FPGA的高性能、低功耗数字信号处理平台设计架构,并提出了具体的实现方案,结合平台应用列举了GMSK和CPM两种无线通信波形的实现。该平台采用软件可配置技术,通过软件加载实现多种通信波形的共存。

1 OMAP+FPGA设计架构

每种集成电路芯片均有自身的应用特点。一般说来,MCU支持多种嵌入式操作系统,如Linux、Vxworks等;外部接口扩展性强,支持多种工业电气接口。由于具有较强的事务管理功能,其应用优势主要体现在控制方面,因此适用于应用程序、控制管理等。DSP是一种特殊的微处理器,具备强大的数据处理能力和高运行速度,为从事各种复杂的计算应用提供了一条有效途径,比如进行加密解密、调制解调等。FPGA适合完成并行处理、重复性强、速度要求高的数字信号处理运算。为实现复杂、高速的数字信号处理,数字信号处理平台通常会采用MCU+DSP+FPGA的硬件体系架构,将三者的优点结合一起,兼顾速度、灵活性、成本等众多因素,既能满足底层信号处理要求,又能满足上层应用的需求,适合目前大多数数字信号处理的需求。但在实际使用过程中,由于采用分立器件,通常功耗较高,不适合高集成、低功耗应用场合[2]。随着芯片技术的发展,芯片厂方已将芯片功能进行集成,比如FPGA集成DSP或MCU功能,DSP集成MCU功能等。考虑到技术成熟度及实用性,本文推荐一种OMAP+FPGA的硬件体系结构,该结构中OMAP集成了DSP和MCU(ARM),且采用低功耗芯片设计技术,能满足便携移动设备低功耗设计需求。

2 设计案例

根据软件无线电的定义,通用硬件要求宽带A/D、D/A尽可能靠近天线,但受当前技术条件约束,中频数字化仍然是应用最多的无线通信解决方案。本案例中数字平台采用中频数字化技术,主要实现基带信号处理,具体包括:分组无线网应用、信源编解码、信道编解码、调制解调、上下变频、抗干扰通信、信道控制等。

2.1 硬件设计

该数字平台硬件总体框图如图1所示,主要包括以下几个功能模块:外围接口丰富的OMAP芯片、超大规模FPGA芯片、高速A/D及D/A变换、程序与数据存储器、外围扩展接口、电源管理、时钟管理等。其中OMAP和FPGA芯片是系统的核心,用于完成高速数字信号处理算法。

OMAP-L1x是德州仪器公司(TI公司)针对移动通信以及多媒体嵌入应用系统开发的应用处理器,主要应用于高性能、低功耗平台。本文选择OMAP-L138,同系列的处理器还包括OMAP-L137、OMAP-L132,其中OMAP-L138是该系列中配置最高的一款芯片,包括一个主频456 MHz的ARM9处理器内核和一个456 MHz的C6748DSP内核。该芯片还具有丰富的外部接口,如USB、EMAC、UART等。在软件功能模块划分中,OMAP-L138主要实现分组无线网络应用、控制、接口扩展、信源编解码、信道编解码、调制、跳频控制及软件动态配置等功能。

Spartan-6作为Xilinx公司Spartan系列的第6代产品,采用45 nm 9层金属布线双层氧化工艺技术,比前一代产品功耗降低了65%。该系列包括包括两个FPGA平台,LT和LTX。其中LT平台最高可支持150×103个逻辑单元、4.8 Mbit存储器。LTX与之相比主要增加了GTP收发器和PCI Express兼容内核。本案例中选择使用LT平台的XC6SLX25,该器件具有24×103个逻辑单元,936 Kbit存储器,属于该系列中中等规模的FPGA器件,片上资源满足使用要求。

在系统功能模块划分中,XC6SLX25主要完成数字信号处理的上、下变频以及同步、相干解调、信道控制等功能。如果设计需要使用更大规模的FPGA器件,可以选择Xilinx公司推出的28 nm高性能低功耗工艺技术产品,其中Artix-7系列功耗最低。

考虑到低功耗设计需求及配置的灵活性,音频、中频及信道控制ADC、DAC均采用低功耗分离器件,通常低采样率的器件功耗会相对较低,因此音频及信道控制ADC和DAC产生的功耗较小,而中频ADC和DAC因中频带宽及信号信噪比动态范围有不同的选择,但应尽量选择采样率较低、位数较多的器件,在满足奈奎斯特采样定理的基础上,根据中频频率选择直接采样或者带通采样。为进一步降低整体功耗,在方案设计中也可考虑ADC、DAC器件的复用。本方案考虑到使用的灵活性和设计的简单化,音频、中频及信道控制所需的ADC、DAC器件相互保持独立,其中中频ADC采用AD7485,DAC采用AD5543,前者采样位数14 bit、最大采样率1 Msample·s-1;后者采样位数16 bit、最大转换时钟速率50 MHz。

数字信号处理平台的硬件电路还包括程序与数据存储器、外围扩展接口、电源管理、时钟管理等。为降低运行功耗,当外围扩展接口不使用时,可通过软件使相关芯片进入休眠状态。电源管理通常采用线性电源或开关电源实现DC-DC转换,为降低功耗并简化设计,可将两种电源转换结合使用,对大负载、高压差的电压采用开关电源降低功耗,其他转换采用线性电源可降低设计复杂度,本设计中电源转换采用TI公司多路集成电源管理芯片TPS65070RSL。

数字信号处理平台OMAP-L138和XC6SLX25之间具备几种通信接口,如图2所示。在工作过程中,OMAP-L138通过EMIFA总线实现对XC6SLX25的读写访问,XC6SLX25则通过中断信号触发OMAP-L138的访问。在进行动态程序配置时,OMAP-L138通过XC6SLX25的配置口,实现XC6SLX25程序的动态加载。OMAP-L138还可以根据设计需要实时对XC6SLX25程序进行复位。OMAP-L138、XC6SLX25同ADC、DAC、外围电路芯片之间的接口关系根据各器件接口要求进行连接,无其他特殊要求。

2.2 软件可配置

为满足多种通信波形并存的使用需求,平台软件采用模块化设计,通过分布式软件总线和核心框架的调度管理,实现软件的可配置、可加载、可移植和可重用。运行于OMAP-L138 ARM核中的控制模块执行指挥调度功能,当接受波形更换命令时,从Flash中读取各功能模块或参数完成软件配置,实现波形的快速切换[3]。其中FPGA配置过程较为复杂,配置流程如图3所示。

2.3 平台应用

基于上述硬件平台,介绍CVSD话音通信和数据组网两种抗干扰通信波形的实现方法。CVSD话音通信波形采用GMSK调制方式、数据组网波形采用8CPM调制方式。两种波形通过人机交互进行切换。通信波形根据设计需要可以分别运行,也可以同时工作。为体现平台软件可配置的能力,涉及的信号处理技术包括:VxWorks嵌入式操作系统、AD Hoc、CVSD语音编解码、RS信道编解码、8CPM调制方式、GMSK调制方式、跳频抗干扰等。各功能模块分配情况如图4所示。

当选择不同业务时,控制模块启动软件可配置功能,加载软件模块实现不同的应用。话音通信时,控制模块从外置Flash中读取配置文件,将各功能模块分别加载至DSP核和FPGA,其中加载至DSP核的模块包括ADC/DAC数据转换、CVSD编解码、跳频控制、GMSK调制等,加载至FPGA的模块包括上下变频、GMSK解调、跳频同步相关、信道控制等,模块分布情况及话音通信工作流程如图5所示。 数据组网时,控制模块采取相同的方式加载,其中ARM核包括数传模块,模块分布情况及工作流程如图6所示。两种通信波形部分模块具有相同的功能,在波形切换时,可以通过调用不同的配置参数,实现模块功能的快速切换[4,5]。

2.4 实测结果

数字平台选取合理的硬件框架结构,对电路、算法及软件采取优化设计,实现了低功耗应用,适合便携移动设备使用。通过实际测量,当GMSK话音通信和8CPM数据组网同时运行时,实测平台功耗仅为2 W。与同类型的平台系统相比,实现相同功能时,功耗降低了50%以上,数据对比如表1所示。在实际使用过程中,软件适时关闭网口驱动、UART电平转换等芯片,可以进一步降低功耗。该平台具有良好的扩展性,通过提高

OMAP-L138工作主频和FPGA使用效率,也可满足QPSK、OFDM等宽带波形使用需求。

3 结束语

介绍了一种OMAP+FPGA架构的数字信号处理平台及其实现方案,并通过软件可配置功能实现了话音通信和数据组网两种通信波形的切换。该平台具有通用性好、扩展性强等特点,与同类平台相比,相同性能条件下,功耗可降低50%以上,适合高性能、低功耗应用场合,可以在无线通信、导航定位、图像处理等数字信号处理领域进行推广。随着芯片技术以及工艺技术的不断进步,芯片的处理能力不断提升、功耗不断下降,未来OMAP+FPGA硬件体系结构将会逐渐被单一的通用型芯片所替代,低功耗数字信号处理平台将向芯片集成化发展。

摘要：介绍一种应用于软件无线电的数字信号处理平台,通过对平台设计架构、硬件实现方案及软件可配置功能的阐述,提出了GMSK和CPM两种无线通信波形软件实现方案。该平台采用OMAP+FPGA的架构,具有通用性好、扩展性强等特点,适合于高性能、低功耗的应用场合,可广泛应用于在无线通信、导航定位、图像处理等数字信号处理领域。

关键词：软件无线电,低功耗,设计架构,OMAP,FPGA,软件可配置

参考文献

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通用软件无线电平台 篇6

如今,大多软件无线电平台用离散器件搭建,但离散器件功耗大,系统成本高,需要设计人员有很丰富的硬件设计和射频信号处理经验,另外,对软件方面的要求门槛也很高,并且, 随着LTE技术的发展,TD-LTE和FDD-LTE两大通信标准共存,全球所需要支持的频段多达40多个,传统的软件无线电设计方案需要设计不同的硬件平台来支持不同的制式和频段,开发周期长,设计成本高,需要投入大量的人力、物力,给软件无线电的商业化提出了挑战。

然而,随着集成技术的发展,ADI推出的AD9361集成射频捷变收发器为上述问题提供了解决方案,引起了软件无线电领域研究人员的极大关注,被称为SDR应用领域的革命性解决方案[2]。在此背景下,本文提出了一种基于AD9361的软件无线电平台设计方案,并实现了基于此芯片的软件无线电系统平台的研制开发,且对其部分性能进行了测试。实践表明, AD9361捷变收发器在软件无线电领域有着良好的应用前景。

1AD9361结构与特点

1.1AD9361芯片结构

AD9361是ADI公司推出的一款面向3G和4G基站应用的高性能、高集成度 的射频捷 变收发器,采用10 mm × 10 mm、144引脚芯片级球栅阵列封装[3],芯片的内部结构如图1所示。

芯片采用了零中频架构[4],将整个射频以及中频信号电路集成在一个芯片中,包括射频放大器、模拟滤波器、混频器、 解调器、12位的ADC和DAC的RF2 × 2收发器,另外还集成了收发通道的频率合成器,同时为每个接收子系统集成了独立的自动增益控制( AGC) 、直流失调校正、正交校正和数字滤波电路[5],消除了数字基带中提供这些功能的必要性,每个通道搭载两个高动态范围ADC,先将收到的I信号和Q信号进行数字化处理,然后将其传过可配置抽取滤波器和128抽头有限脉冲响应( FIR) 滤波器[6],以相应的采样率生成12路输出信号。此外,完全集成的锁相环( PLL) 可为所有收发通道提供低功耗的N分频频率合成功能,并且芯片集成了频分双工 ( FDD) 系统需要的通道隔离,还集成了VCO和环路滤波器件。

1.2AD9361性能特点

AD9361的工作频率为70 MHz ~ 6 GHz,涵盖了大部分特许执照和免执照频段,支持可调谐200 k Hz ~ 56 MHz的通道带宽,且具有高度的可编程能力,发射器采用了直接变频架构[4],可实现较高的调制精度和较低的噪声,在接收通道,接收噪声系数可以做到小于2. 5 d B,此外,该芯片的EVM可以做到小于 - 40 d B,可为外部功率放大器的选择留出客观的系统裕量,并且,芯片还支持AGC自动增益和更加灵活的手动增益模式,支持外部控制。

2基于AD9361的软件无线电系统的设计

2.1软件无线电系统

软件无线电系统的设计如图2所示,该系统射频端采用4片AD9361使单系统支持8 × 8 MIMO,该系统在一块PXIE Hybrid 8 slots高速背板上搭载了4块数字板,每块数字板上搭载一块AD9361和一块FPGA,背板通过PCIE接口与数字板和主控相连,FPGA与AD9361通过SPI接口完成控制通信。FPGA主要功能是完成时序控制,为AD9361提供数据接口,以及通过PCIE与背板连接于上位机完成交互。

2.2SPI接口设计

AD9361与FPGA的接口分为数据接口和控制接口,芯片之间的数据交互通过12 bit的DAC/ADC接口传输,支持6路差分( LVDS) 信号和12路单端( CMOS) 信号,IQ单路最大采样速率可达61. 44 MHz; FPGA对AD9361的控制信息通过PCIE转SPI的控制接口进行传输,FPGA与上位机通过PCIE接口传输信息,配置过程中上位机对射频端的寄存器控制通过PCIE接口写到内存( DDR) 中,FPGA通过PCIE转SPI接口传给射频端,射频段完成配置,实现实时的射频参数和工作状态的配置。

数据的发射过程主要分为两个阶段,如图3所示,第一阶段PC端通过PCIE接口将数据和控制信息写入先进先出 ( FIFO) 队列中[7],再通过读FIFO将数据读到DDR中,第二阶段从DDR中读数据到另一个FIFO中,之后FPGA再从FIFO读数据传给射频段完成发射配置功能,过程中使用了FIFO作为数据的缓冲机制。同样,接收链路也分两个阶段, 如图4所示,第一阶段RX模块将接收到的数据通过FIFO机制依次写入DDR中,阶段二上位机通过DMA传输读取DDR中的数据。

2.3ENSM状态机设计

AD9361收发器包含有使能状态机,允许状态的实时切换,因此,该系统通过使用SPI接口实时更改寄存器值来实现状态的实时切换,系统支持FDD与TDD两种通信模式,可以通过更改寄存器0x013[0]的值来实现两种模式的切换,当0x013值为0时,系统进入TDD模式,值为1时进入FDD模式,两种模式下系统状态切换分别如图5所示,灰色框图表示会自动进入的状态,为了进入WAIT状态,需设置TO_ALERT为0,同样,若要进入RX、TX或FDD模式,设置TO_ALERT为1,而进入睡眠模式需要在WAIT模式前提下,禁用AD9361的时钟和锁相环。在默认状态下,SPI控制是被禁用的,初始化过程中,设置Force Alert State为1,设备强制进入ALERT状态,之后通过配置相应寄存器值使设备进入上述各状态。

2.4接口软件设计

首先,基于Linux操作系统较Windows系统有相对简单稳定的系统架构,丰富的开源资源以及更好的实时性[8],可以更好地满足系统平台的要求,降低开发难度,因此该系统软件设计选用基于Linux的开发环境。

接口软件主要实现的功能是完成对AD9361芯片的初始化配置以及实时性的控制,并为用户提供一个简单的控制界面,界面用QT语言[9]编写,接口软件主要实现的功能有AD9361的初始化,通信模式休眠、FDD、TDD等工作状态的切换,信道带宽、本振频率、采样频率等关键射频参数的配置, RX手动增益控制与AGC自动增益控制的切换,单、双音信号及文件信号的发送。软件界面接口如图6所示。

3系统测试

3.1单音波通信试验

首先,对软件控制性能实施测试,通过用户界面对衰减、 发射频率、采样频率、带宽等参数进行配置,通过参数返回值以及频谱仪来观察系统的控制情况,结果显示,能正确的对系统进行配置。

之后,对系统进行了单音信号的发送测试,频率为2 MHz的单音信号如图7所示,实验表明单音信号能正常发送。

3.2QPSK通信试验

之后,对系统文件发送进行测试,发送已知QPSK数据文件,中心频率为2. 5 GHz,通过频谱仪接收数据与MATLAB仿真数据进行对比,大致判断通信效果。图8为MATLAB仿真频谱,图9为实际接收到频谱,综合对比得出QPSK通信成功。

3.3LTE通信试验

用系统发送长度为40 ms,采用64QAM调制的LTE-TDD数据,通过频谱仪选件接收数据并对数据进行解调分析,图10为解调结果,通过参数对比,虽然其性能还有待进一步提高,但总体来说验证了LTE通信成功。

4结语

通用软件无线电平台 篇7

软件无线电[1](Software Defined Radio,SDR)是一种新型的无线电体系结构,在理想状态下可以通过下载适合的通信波形实现以任意频率、带宽、调制方式和数据数率进行通信[2],即可以通过软件定义来完成不同功能。SDR平台对多种无线通信体制的支持,尤其是3G,4G,WLAN,WIMAX等计算密集型通信体制的出现,对硬件平台的处理能力以及硬件和软件框架的可重构能力提出更高的要求,无线电平台设计在功耗、可编程性、计算能力、尺寸、重量等方面面临新的挑战[3]。

1 主要技术背景

软件通信体系结构[4](Software Communications Architecture,SCA)是美军在联合战术无线电系统(Joint Tactical Radio System,JTRS)计划中提出的,旨在提供一种标准的、开放的、可互操作的软件平台。波形是为了实现信息的无线传输对信息的一系列变换,包括无线通信双方为实现信息传输而采用的所有协议。实现一套完整功能的软件模块或单元称为组件。SCA的架构如图1所示。

SCA使用CORBA中间件技术屏蔽了操作系统、编程语言的差异为软件开发提供了一个统一的编程环境,实现软件无线通信中各种软件组件的移植和重用,但是受处理器件特性和开发复杂度等因素的限制,在SHP上不运行CORBA中间件。

在SDR的信号处理中,数据流信号处理任务(滤波、编码等)适合在DSP和FPGA等专用处理器(Specialized Hardware Processor,SHP)上实现,这些任务在许多的SDR应用都会用到,只需要对相关频率进行调整就可以在不同SDR波形实现中复用,因此可以通过将处理任务分配到异构处理器平台上执行来提高计算性能、降低功耗。但是异构处理器平台中计算性能的提升和功耗的降低是以软件开发的复杂性的增加为代价的[5]。软件无线电的分层结构图如图2所示。

为了使不同平台实现无缝通信并为上层软件屏蔽底层通信接口的差异性,有效地支持向SHP上部署波形组件,实现消息的透明传输,需要设计异构处理器上的互联架构屏蔽底层硬件差异为软件应用提供透明的消息传输机制;实现软件开发与硬件平台设计的分离,提高系统开发效率,以提供对异构处理器平台上的软硬件资源的抽象和管理,支持软件框架对硬件设备的管理和控制。

JTRS先后提出了几种硬件互联结构,包括HAL-C[6],CP289[7],MHAL[8],MOCB[9]等,其中MHAL方案考虑了硬件的抽象和组件互联是较为完善的解决方案。为波形组件和其他组件之间数据和控制流信息交互提供与SCA兼容的通信服务,但是由于国际武器管制组织的管制,MHAL方案的具体内容不对外公开,为硬件抽象层的实现增大了难度。

2 主要设计思想

异构处理器互连架构的实现首先要对硬件模块的对外接口进行抽象,将其与外界的交互进行独立设计,即要实现底层屏蔽功能并为波形组件提供异构处理器环境下透明的消息传输机制的硬件抽象层。带有硬件抽象层的硬件平台能为软硬件开发提供便利的条件,能实现系统设计中软件开发与硬件平台设计的分离,降低系统开发的复杂程度和重要软件组件接口的重新编写,提高系统开发效率。针对GPP、DSP、FPGA组成的异构处理器互连架构设计的硬件抽象层如图3所示。

第二,要实现传递数据在异构处理器环境中的数据路由功能。由于专用处理器之间、专用处理器与通用处理器之间采用逻辑地址(logical Destination,LD)进行数据和控制信息的交换,因此硬件抽象层必须提供对传递数据的封装、解析和分发功能。

第三,要支持配置查询功能,SDR系统中一块处理器上可能需运行多个组件,由于不同组件所需的端口数量、连接方式和消息长度等都有所不同,因此需要通过动态配置的方式使硬件抽象层能够适应不同的组件需求,同时支持配置结果和运行状态的动态查询。

3 互连架构的实现

在互联架构中,硬件抽象层通过屏蔽硬件平台相关的底层通信机制、封装标准的通信接口,实现波形组件间通信方式与硬件平台的分离,提高了波形应用在异构硬件平台间的跨平台可移植性;硬件抽象层收发模块不关心收发数据的格式,对数据的封装由硬件抽象层API采用统一报文格式进行封装,调用硬件抽象层API收发数据;应用组件通过硬件抽象层API实现对组件的控制管理、寄存器寻址和数据端口间通信,支持应用组件的可复用、可移植和应用的动态部署。

3.1 数据报的构造

为了支持异构处理器中装配控制器与组件控制端口、组件数据端口之间的互连互通,需要指定组件端口间传输数据的统一格式;保证不同硬件处理器能以相同的语义理解数据,以根据收到的数据进行正确的响应。

为了与MHAL规范兼容,硬件抽象层消息帧格式采用MHAL的帧格式如图4所示。

每个处理单元上的每个波形组件都会提供若干信源函数和信宿函数,信源函数是发布硬件抽象层消息的线程,负责请求其他处理单元上的信宿函数执行特定的操作,或返回本地处理单元上特定函数的执行结果,信宿函数对硬件抽象层消息进行解析并执行相关操作,每个信宿函数都由一个LD进行惟一的标识,从而使硬件抽象层通信函数能够进行正确的路由转发。硬件抽象层负责接收波形组件数据,并将报文发送到LD相匹配的目的处理器。同样,从I/O接口驱动接收到数据后,将数据分发到与LD相匹配的波形组件上。

3.2 流量控制

硬件抽象层通信的流量控制在数据发送端实现,发送端根据传输链路中的数据量调整发送数据包的时间。硬件抽象层的实现中设计一个用于监测通信链路状态的线程,当通信链路中的数据包过于密集时向发送端发送消息,发送端经过一个随机延迟后再发送数据。

4 各处理器上互连架构的设计

为了灵活地支持多种波形及不同的业务类型,提高物理信道的复用率,降低时延,提高传输效率,互连架构的实现需要支持多线程、多优先级并提供配置接口,基于包交换的互连架构分层结构如图5所示。

硬件抽象层位于应用层之下,驱动层之上,由通信函数和接口组件两部分组成:接口组件提供消息传输功能,负责将硬件抽象层消息通过外部传输链路向外部发送,或者从外部传输链路中接收硬件抽象层消息。GPP和DSP硬件抽象层接口组件为硬件驱动程序,FPGA硬件抽象层接口组件为硬件接口实体模块;通信函数提供硬件抽象层消息的路由功能,负责将接口组件接收到的硬件抽象层消息或解析后的数据转发到特定的信宿函数,或者将特定信源函数传递过来的硬件抽象层消息或数据封装并通过接口组件向外发送。

4.1 GPP硬件抽象层设计

硬件抽象层设备提供的接口通过硬件抽象层设备组件进行封装,为上层GPP波形组件提供数据收发和路由功能。GPP硬件抽象层的实现如图6所示。

硬件抽象层设备根据目的组件的LD和物理通道的映射关系,通过相应的设备驱动将数据发送到与LD对应的处理器MHAL接口;反之,从与之互连的处理器的接口接收到数据后,根据接收数据与LD的映射关系,将报文转发给与LD相匹配的GPP波形组件上。

4.2 DSP硬件抽象层设计

DSP硬件抽象层设备可以看做对DSP各种外围设备接口提供的设备间通信机制的封装,DSP上的不同物理通信接口(PCI、rapid IO、以太网、EMIF、异构处理器I、GPIO等)提供的通信方式不尽相同,在速率、接口规范等方面有较大差异,因此需要对其进行不同方式的封装。提供接口配置、驱动、容错处理等机制,为DSP上的波形应用提供符合Qo S要求的通信API。

4.3 DSP硬件抽象层模块

DSP硬件抽象层如图7所示,DSP硬件抽象层通过I/O接口驱动实现数据收发:当有数据从I/O接口到达时,MHAL设备从相应I/O接口驱动中接收这些数据,对其进行适当解析,根据LD将其分发给本地的波形组件;当本地的波形组件有数据要向外发送时,硬件抽象层设备对数据封装,然后将处理后的数据通过I/O接口驱动向外部发送。

硬件平台开发者实现DSP硬件抽象层中定义的标准接口函数。DSP上的波形应用通过将DSP硬件抽象层实体在编译时联编到波形应用中,实现DSP上的完整功能。

4.4 FPGA硬件抽象层设计

FPGA硬件抽象层应实现对外部I/O接口和外部存储器访问接口驱动的封装,为FPGA波形组件提供一套标准的硬件抽象层接口时序,从而为波形组件提供异构处理器环境下透明的消息传输机制,硬件抽象层对传递数据进行封装、解析和分发,能够对到达数据进行解析,根据LD分发到对应的组件,同时对等待发送的数据进行适当封装,发往LD所指定的组件。

硬件平台开发人员负责提供FPGA中硬件抽象层的实体模块,FPGA波形应用开发人员通过将FPGA硬件抽象层实体模块例化到自己的设计中,实现完整的FPGA功能,经过一起编译后形成统一的映像加载到FPGA中运行。一个FPGA片内只需要设计一个硬件抽象层设备,所有的波形组件与I/O接口驱动均连接到硬件抽象层设备。软件无线电系统中同一块FPGA上可能需运行多个组件,由于不同组件所需的端口数量、连接方式和消息长度等都有所不同,FPGA硬件抽象层通过动态配置的方式适应不同的组件需求,同时支持配置结果和运行状态的动态查询。

5 结语

异构多处理器平台互连架构通过硬件抽象层为波形应用提供了统一接口,实现了软硬件的分离和组件间无缝通信,一般而言,对硬件接口的抽象层次越高,组件移植性越强,但可能存在复杂度高而性能降低的不足。寻找更加有效的软硬件分离方法以及对接口抽象与性能之间关系的建模和量化研究将有助于异构处理器互连架构的设计。

参考文献

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通用软件无线电平台 篇8

在通用无线通信硬件平台的基础上,可以通过软硬件语言编程的形式实现各种处理功能。然而这个过程仍然面临着编程方式繁琐复杂,调试、错误诊断困难等问题。而图形化、可视化的编程语言,如Labview,具有直观的前面板和流程图式的编程方法。它能够增强构建系统的能力,提供编程的巨大灵活性以及完善的性能,大大缩短系统的开发周期。

2 无线采集处理系统设计

通用可视化编程开发平台可用于数据采集与处理、信道测量与分析、关键算法研究、原型系统研制等。

(1)数据采集与处理。利用该平台可以进行数据采集和记录,其基本目的是提供可供信号分析、协议验证的实验数据。

(2)信道测量与分析。无线通信的传输速率和传输质量最终都要受到无线信道的制约。该平台以其灵活的模块化架构,能够针对多种标准和场景测量相应的信道状态信息,并完成后续的分析处理。

(3)关键算法研究。该平台不仅具有一个很强的通用性,还拥有可视化的编程开发环境。能够方便快捷地验证各种算法的性能。

以无线信号采集处理过程为例,通常所需通信实验系统要能够支持实时通信。基带波形可通过软件编程实现带宽为10MHz的任意波形,如:扫频信号、升余弦信号以及各种自定义的不规则信号;基带波形可在通信过程中实时改变;调制方式可通过软件编程实现,支持中频采样数据的实时存储等。

由于带有Labview-FPGA实时开发工具,通用可视化编程开发平台能够方便快捷地实现各种基带信号处理算法。一方面,该平台支持实时可视化FPGA开发模式,利用FPGA完成各种高速信号处理时比传统方法效率更高,调试手段也更为灵活;另一方面,该平台还能够在基带利用Labview完成各种算法,能够很好地满足项目需求,并能达到各项具体指标。

(4)原型系统研制。以无线通信原型系统设计的项目为例,该系统基于时分复用的思想,利用一套收发平台实现一个完整的物理层通信流程。该原型系统由控制部分、基带和中频模块、射频模块三部分构成。控制部分主要用于时分收发切换以及数据帧格式的调整等;基带和中频模块基于软件无线电思想,用于灵活地实现各种算法;射频模块可支持宽带范围内发射信号的灵活配置。可见,该系统可以实时灵活配置各种编码调制方式,以适应于不同的应用场景。

3 NI通用可视化编程开发平台

3.1 NI通用硬件平台

实现单发单收的NI通用可视化开发平台采用PXIe硬件结构,硬件平台的各个模块功能极其参数说明如下:

(1)NI PXIe-1062Q:NI PXIe-1062Q是一个带通用电源的8槽3U PXIe机箱,其高带宽背板可提供每插槽高达1 GB/s的专用带宽以满足高效运转需要。NI PXIe-1062Q具有4个PXI外围插槽、1个具有系统定时功能的PXI Express插槽、2个既可接受PXI外围模块又可接受PXI Express外围模块的PXI Express混合插槽。NI PXIe-1062Q机箱运行的温度可扩展到55℃,在温度低于30℃时其噪声发射可低至43.6 d BA。

(2)NI PXIe-8108:NI PXI-8108是是基于Intel Core 2 Duo T9400的高性能嵌入式控制器,可用于PXI Express和Compact PCI Express系统嵌入式控制器,相当于主机功能,用来运行Labview软件,实现各种控制等功能。

它配有2.53 GHz双核处理器和800 MHz DDR2内存,PXIe-8108与PXIe-5641R之间的实时数据传输能力能达到20MB;存储文件传输数据可达100MB以上。利用Labview产生的基带I/Q两路信号通过PXIe总线传给PXIe-5641R。

(3)PXIe-5641R:PXIe-5641R是一个通用中频收发器,可以完成数字的上下变频和后续的数字信号处理。由于基于FPGA架构,其通道数,滤波器系数等参数均可以自己设计,比ASIC更加灵活。

PXIe-5641R为两路中频信号收发,两入,两出;20MHz实时中频带宽;处理芯片为xilinx V5,提供640个乘法器、超过14,000片(slice)和将近100,000个逻辑单元;两个100MS/s,14bit ADC;两个200 MS/s,14bit DAC;250K到80MHz的中频频率;本身提供抗混叠抽取和数字下变频的功能。

(4)PXI-5600:PXI-5600为模拟下变频,将射频接收的信号通过三级变频下变频到中频,以便后续的数字化和信号处理。

它的的基底噪声为-135d Bm/Hz,具有高精度晶振,10MHz,50ppb频率精度,相当于0.05ppm;9 k Hz-2.7 GHz,20 MHz实时带宽。PXI机箱具有时钟,而且还可以利用专用时钟卡。

3.2 NI可视化编程开发平台(Labview)