基于SOPC技術(shù)的軟件無線電系統(tǒng)研究

楊正宇，李 兵

(西華大學(xué) 數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)學(xué)院，四川 成都 610039)

自從MITRE公司的Jeo MITOLA于1992年5月在美國(guó)電信系統(tǒng)會(huì)議上首次明確提出了軟件無線電的概念[1]以來，經(jīng)過十多年的發(fā)展，無論在理論研究方面還是實(shí)踐應(yīng)用方面，軟件無線電都取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展。軟件無線電[2]的中心思想就是構(gòu)造一個(gè)具有開放性、標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的通用硬件平臺(tái)，通過軟件的重構(gòu)或升級(jí)來實(shí)現(xiàn)靈活多變的通信體制和通信功能，并盡可能地使寬帶A/D和D/A轉(zhuǎn)換器靠近射頻天線，以研制出具有高度靈活性和開放性的新一代無線通信系統(tǒng)。

在軟件無線電的早期實(shí)現(xiàn)方案中多是用DSP和ASIC來完成。然而這種方案有2個(gè)突出的缺點(diǎn)：一是系統(tǒng)的速度很難滿足高速動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)數(shù)字信號(hào)處理的要求；二是系統(tǒng)的體積大、功耗高。這2個(gè)突出缺點(diǎn)制約了軟件無線電的推廣和應(yīng)用。隨著可編程邏輯器件密度、規(guī)模和速度的快速增長(zhǎng)，各個(gè)可編程邏輯器件廠商開始提出自己的SOPC片上可編程系統(tǒng)的軟件和硬件一體化解決方案，為實(shí)現(xiàn)高速數(shù)字信號(hào)處理提供了可能。本文運(yùn)用基于FPGA的SOPC技術(shù)構(gòu)建了軟件無線電平臺(tái)，極大地提高了數(shù)字信號(hào)處理的能力和速度，減少了系統(tǒng)的功耗和體積。

1 軟件無線電的結(jié)構(gòu)

軟件無線電的核心思想是將A/D、D/A盡可能地靠近天線，減少模擬處理的環(huán)節(jié)。在接收端：由天線接收的無線電信號(hào)經(jīng)過必要的低噪聲放大后，就直接對(duì)其進(jìn)行數(shù)字化(ADC)，數(shù)字化后的信號(hào)經(jīng)過DSP完成數(shù)字下變頻、數(shù)字濾波、數(shù)字解調(diào)等信號(hào)處理任務(wù)；在發(fā)射端：需要發(fā)射的基帶信號(hào)通過DSP完成數(shù)字調(diào)制、數(shù)字上變頻和數(shù)字濾波等信號(hào)處理任務(wù)后，經(jīng)DAC轉(zhuǎn)變?yōu)槟M信號(hào)，然后通過功率放大器放大到足夠功率，最后由天線發(fā)射出去。理想的軟件無線電結(jié)構(gòu)如圖1所示。

實(shí)際上，上述的軟件無線電結(jié)構(gòu)是很難實(shí)現(xiàn)的。首先，根據(jù)奈奎斯特采樣定理，A/D的采樣速率至少是其工作帶寬的 2倍。例如：對(duì)于工作在 2 MHz～2 000 MHz的JTRS電臺(tái)，其采樣頻率至少要達(dá)到4 GHz。目前A/D器件的采樣頻率很難達(dá)到這個(gè)要求，而且，如果A/D采樣后的大量數(shù)據(jù)流直接交由DSP處理，將給DSP帶來巨大的運(yùn)算壓力。以A/D采樣速率僅為100 MHz的A/D器件為例，DSP每處理1個(gè)采樣信號(hào)，大約需要100次運(yùn)算，則總的運(yùn)算速率為100×100 M=104MIPS。這樣高的運(yùn)算速率，目前的DSP芯片還難以達(dá)到。

圖1 理想的軟件無線電結(jié)構(gòu)

針對(duì)上述問題，目前最常用的一種解決方案為：基于帶通采樣的寬帶中頻軟件無線電結(jié)構(gòu)。它的主要思想是：把射頻信號(hào)通過混頻搬移到中頻再帶通采樣，使得A/D采樣率、輸入帶寬滿足系統(tǒng)要求，同時(shí)在DSP前加數(shù)字下變頻器。

中頻帶通采樣軟件無線電結(jié)構(gòu)采用多次混頻體制，即超外差體制，把工作頻段上的某一感興趣的寬帶射頻信號(hào)經(jīng)過放大、混頻和濾波變換到統(tǒng)一的中頻FIF上，最后由A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)中頻信號(hào)進(jìn)行采樣數(shù)字化。它的最大好處就是降低了對(duì)A/D采樣速率的要求，使軟件無線電可實(shí)現(xiàn)性更強(qiáng)，但是也使得射頻前端復(fù)雜化。

限于目前DSP的處理瓶頸，A/D采樣后的大量數(shù)據(jù)一般先交由數(shù)字下變頻器進(jìn)行一些前期的處理再傳遞給DSP進(jìn)行處理。數(shù)字下變頻器一方面從包含所有信道的寬帶信號(hào)中分離出某一用戶窄帶信道，另一方面對(duì)分離出的某一用戶通道信號(hào)抽取、濾波和降低數(shù)據(jù)速率。數(shù)字下變頻器可采用專用的ASIC芯片，如TI公司生產(chǎn)的GC5016芯片等，也可采用FPGA編程來實(shí)現(xiàn)。與專用的數(shù)字下變頻器件相比，F(xiàn)PGA具有更大的靈活性，不會(huì)過分依賴于硬件，只需對(duì)軟件進(jìn)行修改就可以對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)和維護(hù)。

圖2 一種典型的基于帶通采樣的寬帶中頻軟件無線電結(jié)構(gòu)

圖2所示為一種典型的帶通采樣的寬帶中頻軟件無線電結(jié)構(gòu)。該設(shè)計(jì)方案中DSP主要完成基帶信號(hào)處理(如定時(shí)同步、信道估計(jì)、FFT變換、解交織、編譯碼等)。通用微處理器GPP(General Purpose Processor)一般使用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)RTOS(Real Time Operation System)來進(jìn)行任務(wù)調(diào)度和存儲(chǔ)器管理。

2 軟件無線電的解決方案

本文主要實(shí)現(xiàn)圖2中的高速數(shù)字信號(hào)處理部分，數(shù)字信號(hào)處理模塊是軟件無線電的核心部分。在圖2中的是高速數(shù)字信號(hào)處理部分的一種常用方案，通常是采用分離部件搭建的系統(tǒng)存在體積大、功耗高、成本高、各個(gè)單元之間的數(shù)據(jù)傳輸速率受限等缺點(diǎn)。SOPC方案可解決以上問題，并且還具有極高的靈活性和可擴(kuò)展性。

SOPC技術(shù)是美國(guó)Altrea公司于2000年最早提出的。SOPC是一種特殊的嵌入式系統(tǒng)：首先，它是系統(tǒng)芯片(SOC)，即由單個(gè)芯片完成整個(gè)系統(tǒng)的主要邏輯功能；其次，它是可編程系統(tǒng)，具有靈活的設(shè)計(jì)方式，可裁剪、可升級(jí)、可擴(kuò)充，并具備軟硬件在系統(tǒng)可編程的功能。它結(jié)合了SOC和FPGA的優(yōu)點(diǎn)，具有以下基本特征：至少包含1個(gè)以上的嵌入式處理器IP核；具有小容量片內(nèi)高速RAM資源；豐富的IP核資源可供靈活選擇；有足夠的片上可編程邏輯資源；處理器調(diào)試接口和FPGA編程接口共用或并存；可包含部分可編程模擬電路；單芯片、低功耗[3]。

目前主要的嵌入式處理器IP核有軟核和硬核2種，本文采用Altera公司的Nios II軟核處理器。Nios II核是用戶可隨意配置和構(gòu)建的32位總線指令集和數(shù)據(jù)通道的嵌入式微處理器IP核，采用Avalon總線結(jié)構(gòu)通信接口。Nios II有3種性能的處理器內(nèi)核可供選擇：快速的內(nèi)核(Nios II/f)提供高性能；經(jīng)濟(jì)的內(nèi)核(Nios II/e)滿足低成本；標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)核(Nios II/s)則用于性能和尺寸的平衡。此外，Nios II核含有許多可配置的接口模塊核，包括：可配置高速緩存(包括片內(nèi) ESB、外部 SRAM或SDRAM)模塊、可配置 RS232通信口、SDRAM控制器、標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)協(xié)議接口、DMA、定時(shí)器、協(xié)處理器等。在下載進(jìn)FPGA前，用戶可根據(jù)設(shè)計(jì)要求，利用Quartus II和SOPC Builder，對(duì) Nios II及其外圍系統(tǒng)進(jìn)行構(gòu)建，使該嵌入式系統(tǒng)在硬件結(jié)構(gòu)、功能特點(diǎn)、資源占用等方面全面滿足用戶系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求。Nios II核在同一FPGA中被植入的數(shù)量沒有限制，只要FPGA的資源允許[4]。

采用SOPC技術(shù)對(duì)圖2中的高速數(shù)字信號(hào)處理部分進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計(jì)的SOPC方案如下：將原來由ASIC、DSP和GPP完成的工作全部交由1片F(xiàn)PGA構(gòu)成的SOPC系統(tǒng)來完成。本文介紹了一種基于SOPC技術(shù)的軟件無線電系統(tǒng)解決方案，如圖3所示。

圖3 一種基于SOPC技術(shù)的軟件無線電系統(tǒng)解決方案

該系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)如下：由Nios II處理器1完成原來由ASIC完成的數(shù)字上、下變頻處理，可通過調(diào)用直接數(shù)字合成器DDS(Direct Digital Synthesizer)IP模塊來實(shí)現(xiàn)；Nios II處理器2主要完成調(diào)制/解調(diào)工作；Nios II處理器 4主要完成編碼/解碼工作；Nios II處理器 3用來替代原系統(tǒng)中的GPP完成系統(tǒng)參數(shù)的動(dòng)態(tài)配置、人機(jī)交互界面、電臺(tái)管理和控制以及系統(tǒng)中Flash配置內(nèi)容的在線更新工作。其中，Nios II處理器 1、2、4都采用Nios II/f高速型32位內(nèi)核;Nios II處理器3采用Nios II/s標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)核。此外，利用PCI IP核在FPGA中增加了32 bit的PCI Slave總線接口，省去傳統(tǒng)方案中所需的 1塊專用PCI接口芯片；加入了以太網(wǎng)IP核，配合外部以太網(wǎng)PHY接口芯片為系統(tǒng)擴(kuò)展了以太網(wǎng)接口，以便支持設(shè)備通過網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行配置和管理；增加了SDRAM控制器，為系統(tǒng)外擴(kuò)了SDRAM存儲(chǔ)器，進(jìn)一步增強(qiáng)了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理能力。

3 系統(tǒng)的軟硬件實(shí)現(xiàn)

下面就高速數(shù)字信號(hào)處理部分的硬件選型以及SOPC技術(shù)的開發(fā)流程、開發(fā)工具和編程技術(shù)作簡(jiǎn)要介紹。

3.1 高速ADC和DAC設(shè)計(jì)

軟件無線電要求ADC、DAC盡可能地靠近天線，這需要ADC具有很高的采樣率、采樣精度和動(dòng)態(tài)范圍等特征。本系統(tǒng)的ADC采用BB公司的ADS5520，它具有12位的分辨率，125 MS/s的采樣速率；在100 M信號(hào)輸入情況下，信噪比(SNR)高達(dá) 69.7 dBFS，無寄生動(dòng)態(tài)范圍(SFDR)高達(dá) 82 dBC；芯片既支持 3.3 V的單電壓供電，也支持2.3 V的差分輸入電壓；具有串行編程接口，可對(duì)內(nèi)部寄存器進(jìn)行編程，使器件工作在不同的狀態(tài)。

DAC采用BB公司的DAC904芯片，14位的分辨率，165 MS/s的轉(zhuǎn)換速率；可以3.3 V或5 V單電壓供電。信號(hào)輸出端使用截止頻率為120 MHz的低通濾波器，以及雙端到單端變換電路。

3.2 FPGA的設(shè)計(jì)

本平臺(tái)的FPGA器件選用Altera公司的Stratix II FPGA。在Stratix II FPGA中，Altera引入了全新的邏輯單元體系結(jié)構(gòu)——自適應(yīng)邏輯模塊(ALM)，以及經(jīng)過改進(jìn)的片內(nèi)TriMatrix存儲(chǔ)器和數(shù)字信號(hào)處理(DSP)模塊，進(jìn)一步提高了性能[5]。根據(jù)現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)室條件本系統(tǒng)選用ALTERA公司的Stratix II EP2S60F1020C3型號(hào)的FPGA，它的主要特性如表1所示。

考慮到在Stratix II系列器件上，Nios II/f內(nèi)核僅占用1 800個(gè)邏輯單元卻可以達(dá)到超過200 DMIPS的性能，可以計(jì)算出前面設(shè)計(jì)的4個(gè)Nios II處理器再加上一些外圍接口模塊和用戶邏輯，總共占用的LE資源不會(huì)超過40 000。這款FPGA完全滿足系統(tǒng)的需求，剩余的資源可以留為以后系統(tǒng)升級(jí)所用。

表1 Stratix II EP2S60F1020C3的主要特性

3.3 SOPC的軟硬件開發(fā)技術(shù)

SOPC設(shè)計(jì)包括以Nios II軟核處理器為核心的嵌入式系統(tǒng)的硬件配置、硬件設(shè)計(jì)、硬件仿真、IDE環(huán)境的軟件設(shè)計(jì)、軟件調(diào)試等。SOPC系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本軟件工具包括：(1)Quartus II，用于完成 Nios II系統(tǒng)的分析綜合、硬件優(yōu)化、適配、配置文件編程下載以及硬件系統(tǒng)測(cè)試等；(2)SOPC Builder，它是Nios II軟核處理器的開發(fā)包，用于實(shí)現(xiàn)Nios II系統(tǒng)配置、生成以及與Nios II系統(tǒng)相關(guān)的監(jiān)控和軟件調(diào)試平臺(tái)的生成；(3)ModelSim，用于對(duì)SOPC Builder生成的Nios II的HDL描述語言程序進(jìn)行系統(tǒng)功能仿真；(4)Matlab/DSP Builder，用于生成 Nios II系統(tǒng)的硬件加速器，進(jìn)而為Nios II系統(tǒng)定制新的指令；(5)Nios II IDE，用于完成基于Nios II系統(tǒng)的軟件開發(fā)和調(diào)試，并可借助其自帶的Flash編程器完成對(duì)Flash以及EPCS的編程操作。此外，Nios II IDE還包括1個(gè)指令集成模擬器、MicroC/OS-II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)、文件系統(tǒng)以及小型TCP/IP協(xié)議棧[6]。

SOPC的開發(fā)流程通常包括2個(gè)方面：基于Quartus II、SOPC Builder的硬件設(shè)計(jì)和基于 Nios II IDE的軟件設(shè)計(jì)[7]。三者之間的關(guān)系如圖4所示。

圖4 SOPC的開發(fā)框圖

特別值得一提的是，通過Matlab和DSP Builder或直接使用VHDL等硬件描述語言設(shè)計(jì)，用戶可以為Nios嵌入式處理器設(shè)計(jì)各類加速器，并以指令的形式加入Nios的指令系統(tǒng)，從而成為Nios系統(tǒng)的一個(gè)接口設(shè)備，與整個(gè)片內(nèi)嵌入式系統(tǒng)融為一體。用戶可以根據(jù)設(shè)計(jì)項(xiàng)目按具體要求構(gòu)建自己的DSP處理器系統(tǒng)，而不必拘于具體的DSP處理器型號(hào)。

使用SOPC解決方案帶來了整個(gè)系統(tǒng)開發(fā)平臺(tái)的統(tǒng)一，和其他解決方案相比，具有體積小、功耗低、成本低的優(yōu)點(diǎn)。此外，開發(fā)環(huán)境的集成統(tǒng)一、IP核的使用等縮短了系統(tǒng)的開發(fā)周期?；贔PGA的SOPC技術(shù)具有很高的靈活性和開放性，這充分體現(xiàn)了軟件無線電的優(yōu)勢(shì)，是實(shí)現(xiàn)軟件無線電系統(tǒng)的理想方案。

[1]MITOLA J.軟件無線電體系結(jié)構(gòu)——應(yīng)用于無線系統(tǒng)工程中的面向?qū)ο蟮姆椒╗M].趙榮黎，等譯.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.

[2]楊小牛.從軟件無線電到認(rèn)知無線電，走向終極無線電——無限通信發(fā)展展望[J].中國(guó)電子科學(xué)研究院學(xué)報(bào)，2008，3(1)：1-7.

[3]潘松，黃繼業(yè)，曾毓.SOPC技術(shù)實(shí)用教程[M].北京：清華大學(xué)出版社，2005.

[4]Altera Corporation.Brief of Nios II[Z].www.Altera.com.cn.2006.

[5]Altera Corporation.Stratix II Device Handbook[Z].www.Altera.com.cn.2005.

[6]周立功.SOPC嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)教程[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2006：16-17.

[7]姚廷燕，趙維剛，常青，等.SOPC技術(shù)在軟件無線電平臺(tái)中的應(yīng)用[J].遙測(cè)遙控，2005，26(4)：56-60.