软件无线电通信平台设计研究

软件无线电通信平台设计研究摘要这些年来，无线电通信技术得到了大力的发展，软件无线电通信则是该项技术未来的发展方向，目前世界各国都积极地对这项技术进行研究。软件无线电通信最早是由美国提出，其设计这些年来，无线电通信技术得到了大力的发展，软件无线电通信则是该项技术未来的发展方向，目前世界各国都积极地对这项技术进行研究。软件无线电通信最早是由美国提出，其设计理念是利用硬件平台以及开放式的框架结构，通过软件来完成无线通信的功能。目前，传统的无线通信处理平台存在着较多的弊端，如软件编制困难、平台可靠性较差、缺乏统一的对外接口及技术标准等，急需一种兼容性较高的高带宽信号处理平台，用来满足日益复杂的无线电通信需求。因此，本文对基于VPX架构的软件无线电通信平台进行设计研究。1VPX总线标准VPX总线标准是以VIE工业总线为基础的，利用先进的接插件技术与高速串行技术，弥补了VIE总线存在的不足，从而提高了数据传输的效率。VPX总线标准的制定，为其系统框架与产品的兼容性提供了坚实的基础。同时也对电源插槽、背板槽位以及模块的标准进行了规定，并对其应用模式进行了详细的描述，解决了软件无线电通信平台系统中不同板卡所存在的不兼容问题，提高了平台系统的集成度。2基于VPX架构的软件无线电通信处理平台2.1平台架构设计采用具有开放性的硬件平台，使平台具备集中调度、集中控制、集中管理以及通信加密等功能。该硬件构架由总线背板、信号处理单元以及其他单元模块构成。其中总线背板由主控交换、通信加密、信号处理、信道以及3个扩展单元共7个槽位构成，除了主控交换槽位不能更改，其余6个槽位都可以相互调换。这种以一个交换节点为核心的连接结构具有结构简单、容错性较好的优点。VPX架构系统由数据、控制、管理三种总线构成，其中数据总线用来对传输速率、实时性要求较高的数据信息进行传输，如频数据与信道控制信息数据就需要由数据总线来完成。控制总线用来对低速控制信息进行传输，如波形的控制信息与加载文件就需要控制总线来完成。管理总线用来对平台各单元的模块运行状态、故障以及温度越线等数据进行上报。VPX架构系统的各功能模块，具体功能如下主控交换单元：是平台的核心，能够对平台的所有信号进行调度与管理。扩展单元：能够对信道单元或总线接口进行扩展。背板单元：为平台提供板卡槽位，为槽位上的板卡提供电流、时钟以及信息交换的通道。由于平台设计的复杂性，本文重点对背板与信号处理平台的设计进行论述。2.2背板的拓扑网络设计为了提高平台的可行性与可靠性，本文依照VPX标准对其进行设计。在该标准中符合平台设计需求的背板架构为3U七槽架构，由一个交换/管理与六个负载槽位组成，这六个负载槽位可以相互调换，同时和交换/管理槽位与总线建立联系。从功能层面进行划分可以分为数据、管理、控制、共用四层。为了满足3U七槽架构信息处理的需求，其数据总线需要采用4X的Rapid0总线，且总线的传输速率不低于6.25Gbps/s;为了满足平台控制接口的控制需求，需要交换/管理槽位使用SGMI接口与其他单元进行连接，且传输速率不低于1.25Gbps/s;为了满足平台对各单元运行状态的管理，需要交换/管理槽位使用IPMB总线进行管理。2.3高速信号处理单元设计该单元是平台的重要组成部分，依照VPX标准并采用3U标准的VPX板卡架构对该单元进行设计。该单元采用飞思卡尔MPC8548E处理器作为单元的核心控制器，同时配合PowerQuiccIII处理器，集成E500内核。该内核的最大运行频率可以达到1.2GHz，满足平台的无线通信需求，同时支持RapidI0、SGMI、USB、SPI等多种专业级接口，随着技术的不断成熟，其应用范围会更加广泛。为了实现高速信号处理单元性能的最大化，同时考虑到平台还需要具备支持外置设备以及内存扩展的功能，在设计中采用TI公司的多核TMS320C6474处理器，该处理器最大运行速率可达1.2GHz，具备三个独立的C64+内核，并支持多种储存控制接口。此外，该单元采用FPGA来实现单元中的中频信号变频、解码、PN序列以及射频等各项功能。随着我国软件无线电的不断发展，平台中程序运行所占用的资源逐渐增多，算法的复杂程度不断增加，为了保证平台在实际运行中的稳定性，需要一种性能良好同时可以对其进行扩展的FPGA。因此，本文选择Virtex5系列的XC5VSX95T可编程逻辑器件。在实际使用中能丰富平台的内部资源，为平台今后的升级与扩展提供上升空间。本文所涉及的高速信号处理单元符合VPX标准架构，在今后的应用中具有广泛的适用性，为我国的软件无线电通信平台的建设与发展奠定了基础。2.4信号完整性设计在信号数据传输的过程中，如果传输速率超过100MHz，信号的完整性就会受到影响，如果信号完整性的问题得不到解决，那么将会对平台的运行性能造成严重影响。所以，在平台设计之初就应该对信号完整性问题进行思考，尽可能减少因信号完整性问题而引发的信号抖动、串扰、阻抗不配等问题。本文针对这一问题，从板级信号完整性出发对解决信号完整性问题进行探讨。本文在印制板的设计上，通过AllegroPCBSI软件对其进行建模分析。并在具体设计过程中，使用线路拓补来对其进行约束，如在时钟线路中使用拓补形式。元器件的安装布局也会对信号的完整性造成影响，如电源的噪声，因此在布局时电源应远离数据总线。阻抗配比也会对信号的完整性造成影响，因此印制板在设计时要注意板上的线宽。3性能分析3.1平台的处理性能分析对平台的处理性能进行分析，主要有以下两点：一是平台核心处理器的运算能力，二是平台的数据传输带宽。由于本文在平台设计时仅涉及交换/管理单元的互联，并没有对平台核心处理器的运算能力进行研究，因此在对平台处理性能的分析上，主要是研究其数据传输的带宽。本文所采用的处理器内核C64+，其处理性能最高可以达到9600Mb/s。与普通处理器相比，本文所采用的处理器是普通处理器性能3倍以上。3.2平台的传输性能分析平台的传输性能分析主要体现在数据层与控制层的传输性能，本文所采用的数据层其传输带宽为25Gbit/s，控制层的传输带宽为2.5Gbit/s，这与目前现役的软件无线电通信平台的带宽相比有了较大的提升。4结语本文在对VPX总线标准进行分析的基础上，设计了基于VPX架构的软件无线电通信平台，通过性能分析可以看出，本文所设计的平台相比于目前现役的软件无线电通信平台具有一定的优势。由此可见，本文所设计的平台，具有高带宽、高处理能力，高吞吐量的技术优势，能够满足无线电通信的实际使用需求，同时该平台还能够应用在雷达、图像处理、电子对抗等多个需要高性能信号处理系统的领域之中。为我国软件无线电通信平台的发展提供了技术参考。参考文献1贾福山.基于OpenVPX标准的软件无线电信号处理平台设计J.硅谷,2014,7(13):10-12.2潘乐.中频信号处理模块在可重构平台中的设计和实现D.四川:电子科技大学，2015.3黄伟强,贾福山.基于软件无线电技术的电台架构设计研究J.信息通信,2016(08):215-216.4杨小牛.软件无线电技术与应用M.北京:北京理工大学出版社,2010.5王涛,王瑜坤.软件无线电技术在无线通信系统中的应用J.现代电信科技,2003(06):38-40+47.软件无线电通信平台设计研究来源：电子技术，作者：李登国