基于軟件無線電的通信系統(tǒng)實驗平臺研制(3) —控制 方 法

戴伏生

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)(威海)信息與電氣工程學(xué)院,山東 威海 264209)

0 引 言

基于類似Unix操作系統(tǒng)但可自由免費使用的開源無線電軟件(GNU’s not Unix Radio, GNU Radio)[1]，研制的無線通信系統(tǒng)實驗平臺，采用易于獨立發(fā)展和便于操作的層級化管理和控制模式。頂層管理控制放在計算機當(dāng)中實現(xiàn)。底層管理控制由實驗平臺承擔(dān)，主要是對中頻/射頻模塊進行管理與控制。在信號處理方面，實驗平臺負(fù)責(zé)中頻信號的處理，計算機負(fù)責(zé)基帶信號的處理。只有計算機和實驗平臺有機的結(jié)合，才能完成無線電系統(tǒng)功能。雖然，計算機與實驗平臺相互配合，通過GNU Radio軟件能夠驗證很多應(yīng)用無線電技術(shù)[2-6]。但是，若不掌握實驗平臺系統(tǒng)內(nèi)部控制的原理和工作方式，就不能靈活應(yīng)用該實驗平臺，驗證的功能將局限于基帶信號處理方面，很難開發(fā)出具有實質(zhì)創(chuàng)新特色的無線電技術(shù)實驗，更談不上對實驗平臺無線電實現(xiàn)的技術(shù)進行移植，進而開發(fā)出可獨立工作的軟件無線裝置，因此本文著重介紹所研制的無線電通信系統(tǒng)教學(xué)實驗平臺的控制方法。

1 數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議棧及UDP端口定義

1.1 實驗平臺傳輸協(xié)議棧結(jié)構(gòu)

在實驗平臺XtremeDSP48A FPGA[7]構(gòu)建的系統(tǒng)中，上位機和下位機均需對所要傳輸信息進行分類，若從信息的性質(zhì)方面進行分類，則分為工作背景命令/狀態(tài)和數(shù)據(jù)信息；若從信息需要處理的實時性方面進行分類，則分為低速數(shù)據(jù)和高速數(shù)據(jù)流。其中所有的數(shù)據(jù)信息均分類為高速數(shù)據(jù)流，而命令/狀態(tài)信息既有低速數(shù)據(jù)流，也有高速數(shù)據(jù)流。實驗平臺上用FPGA構(gòu)建的系統(tǒng)中對低速數(shù)據(jù)流和高速數(shù)據(jù)流的處理，所使用的傳輸協(xié)議棧在高層是有區(qū)別的，實驗平臺上用FPGA所構(gòu)建的系統(tǒng)信息傳輸協(xié)議棧如圖1所示。

實驗平臺上用FPGA構(gòu)建的系統(tǒng)主要采用輕量級的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議(Light weight IP, LwIP)[8]，低速控制數(shù)據(jù)包傳輸采用LwIP/UDP+(Application, APP)背景包協(xié)議結(jié)構(gòu)，APP為實驗平臺上用FPGA構(gòu)建的系統(tǒng)自定義的應(yīng)用包格式[9]。高速信息流傳輸采用LwIP/UDP+(Vita Radio Transport, VRT)包協(xié)議結(jié)構(gòu)。VRT是基于VITA-49協(xié)議規(guī)范定義的無線收發(fā)數(shù)據(jù)包格式[10]。由于VITA-49是專門用于軟件無線電射頻/中頻設(shè)備網(wǎng)絡(luò)方式的互操作性傳輸協(xié)議規(guī)范，所以VRT非常適合高速數(shù)據(jù)及高速命令狀態(tài)信息的網(wǎng)絡(luò)化傳輸。

圖1 實驗平臺傳輸協(xié)議棧

1.2 實驗平臺中對UDP端口定義

為了更明確實驗平臺的處理流程，主要從信息流向角度介紹。下位機通過UDP/IP協(xié)議與上位機進行信息的傳輸，而在UDP協(xié)議的上層使用幾種信息包格式，對應(yīng)地在實驗平臺中的數(shù)據(jù)流也包括幾種，如下主要介紹的是低速控制信息和高速信息包。低速APP信息包格式采用操作標(biāo)識ID包格式；而高速VRT信息包格式中又含有兩種格式，即數(shù)據(jù)包Data Packet和工作背景命令包Context Packet，分別對應(yīng)在高速數(shù)據(jù)通道和高速控制信息通道上傳輸。

在千兆以太網(wǎng)的角度來看，其將上位機與實驗平臺的所有數(shù)據(jù)交互，都作為千兆以太網(wǎng)的有效數(shù)據(jù)，并通過UDP/IP協(xié)議在二者之間傳輸。當(dāng)下位機將以太網(wǎng)數(shù)據(jù)拆包后，先根據(jù)UDP端口號區(qū)分是APP低速控制信息，還是VRT的高速有效數(shù)據(jù)或控制信息，并將不同數(shù)據(jù)發(fā)往不同的方向。圖2體現(xiàn)實驗平臺系統(tǒng)設(shè)計上對內(nèi)部對數(shù)據(jù)流向的控制思想。

圖2 實驗平臺內(nèi)部對數(shù)據(jù)流向的控制思想

UDP協(xié)議使用端口號大于49151的端口號都代表動態(tài)端口，用戶可以自己定義其對應(yīng)的應(yīng)用程序[11]。為了信息傳輸?shù)男枰?，對UDP端口進行了定義，表1所示的是實驗平臺常用的UDP端口。

表1 實驗平臺主要常用的UDP端口定義

低速控制信息所涉及UDP端口號為49152，主要實現(xiàn)上位機與下位機之間的低速控制狀態(tài)的設(shè)置和讀取。對低速控制信息通道的數(shù)據(jù)處理，均需要片上系統(tǒng)中處理器(Zylin CPU, ZPU)[12]進行解析，然后根據(jù)解析出的操作要求，通過Wishbone總線[13]，再控制相應(yīng)功能模塊及其子單元。UDP端口號49156～49159是高速數(shù)據(jù)及控制信息傳輸通道，這些端口傳輸?shù)男畔⒅饕c數(shù)字變頻，或者發(fā)送接收前端的高速設(shè)置寄存器Setting FIFO Control模塊相關(guān)[14]。高速傳輸通道在信息傳遞過程中不需要ZPU進行解析，而是由Packet router解析包頭后，直接送給相應(yīng)的邏輯功能模塊，實質(zhì)上是時序邏輯的硬件動作。

2 低速控制信息的傳輸與工作方式

2.1 實驗平臺的低速控制信息格式

低速控制信息主要涉及五種操作，SPI的處理、I2C讀、I2C寫、窺探Peek、干涉Poke等。上位機給實驗平臺低速控制信息APP包格式見圖3所示。由于實驗平臺返回給上位機的APP包格式與此相似，恕不需特別介紹。

圖3 上位機給實驗平臺低速控制信息數(shù)據(jù)包格式

實驗平臺低速控制信息APP包格式中的包頭與擬操作的功能模塊相關(guān)，例如SPI的處理包，其操作涉及9個SPI芯片，為：主板A/D轉(zhuǎn)換器、射頻子板發(fā)射頻率合成器、射頻子板發(fā)射電路參數(shù)檢測與調(diào)整用串行A/D轉(zhuǎn)換和D/A轉(zhuǎn)換器、射頻子板接收電路參數(shù)檢測與調(diào)整用串行D/A和D/A轉(zhuǎn)換芯片器、主板D/A轉(zhuǎn)換器、時鐘管理器等。對SPI操作將用到掛載Wishbone總線的Settings bus功能模塊，且在Settings bus之下的設(shè)置寄存器組SR_SPI_CORE，對應(yīng)總線基組BASE地址為0X7050，SR_SPI_CORE中有3個設(shè)置寄存器，SR_SPI_CORE+0寄存器地址為BASE+0=0X7050，它負(fù)責(zé)設(shè)定SPI功能模塊的工作時鐘參數(shù)；SR_SPI_CORE+1寄存器地址為BASE+1=0X7054，它負(fù)責(zé)選擇本次操作針對的是9個SPI芯片中哪個，以及要傳輸多少位數(shù)據(jù)和動作時序；SR_SPI_CORE+2寄存器地址為BASE+2=0X7056，存放準(zhǔn)備傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。

2.2 實驗平臺對低速控制信息的處理方法

由于ZPU是Wishbone總線的主控制器，對低速控制信息的處理，會涉及路由器模塊Packet router與ZPU之間對總線操作的控制，所以需要進行總線資源屬性的設(shè)置。Packet router給ZPU傳送數(shù)據(jù)稱為總線設(shè)置資源屬性，反之則稱為總線讀取資源屬性?？偩€設(shè)置資源屬性時，ZPU將Packet router設(shè)置為寫ZPU方式，Packet router對來自以太網(wǎng)的APP數(shù)據(jù)包頭進行UDP端口識別，當(dāng)端口號為49152即USRP2_UDP_ CTRL_PORT時，Packet router把APP數(shù)據(jù)送到總線?？偩€再把數(shù)據(jù)傳給ZPU，ZPU進行APP數(shù)據(jù)解析，進而控制總線掛載的功能模塊。總線讀取資源屬性時，ZPU將Packet router設(shè)置為讀ZPU方式。Packet router讀取ZPU中的資源信息，再把APP包加上相同的端口號49152即USRP2_UDP_CTRL_PORT包頭后，然后把APP包通過以太接口送給上位機。

當(dāng)實驗平臺接收到端口號為49152即USRP2_UDP_CTRL_PORT的控制信息時，總線處于總線設(shè)置資源屬性，Packet router把APP包通過總線傳給ZPU，ZPU對APP包中的操作控制信息數(shù)據(jù)處理方法見表2。ZPU給上位機返回信息時，總線處于總線讀取資源屬性，ZPU把VRT包通過總線傳給Packet router，由Packet router給APP包添加UDP端口號49152后發(fā)送給上位機。

表2 低速控制信息在實驗平臺中處理方法

3 高速信息的處理方法

3.1 發(fā)射TX信息處理方法

實驗平臺對發(fā)射信息處理方法如圖4所示。高速信息數(shù)據(jù)的來源有兩個即以太網(wǎng)或MIMO，由設(shè)置寄存器組SR_BUF_POOL中Sreg_mode_ctrl寄存器的最低位決定。若設(shè)置該實驗平臺為主設(shè)備，高速信息數(shù)據(jù)來源以太網(wǎng)；若在多個實驗平臺級聯(lián)使用時，設(shè)置該實驗平臺為從設(shè)備，則高速信息數(shù)據(jù)來源MIMO。文中以默認(rèn)設(shè)置實驗平臺為主設(shè)備介紹。

高速信息包流從以太網(wǎng)傳輸?shù)铰酚善鱌acket router模塊時，路由器模塊中的包調(diào)度Packet dispatcher模塊，會根據(jù)VRT數(shù)據(jù)包UDP端口判斷包流的類型。當(dāng)UDP端口為USRP2_UDP_TX_DSP0_PORT時，就將其發(fā)往發(fā)射信號高速數(shù)據(jù)通道；當(dāng)UDP端口為USRP2_UDP_FIFO_CRTL_PORT時，則將電路高速控制信息發(fā)往高速命令通道，即控制命令順序執(zhí)行寄存器。由于發(fā)射的高速數(shù)據(jù)量較大，實驗平臺中設(shè)計了一個9 Mbit SRAM作為突發(fā)數(shù)據(jù)的緩存，并采用了存儲控制器(General Purpose Memory Controller, GPMC)[15]，GPMC負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)SRAM緩存數(shù)據(jù)與外部數(shù)據(jù)提取Ext_fifo_i1模塊間數(shù)據(jù)輸出速率。由于傳輸數(shù)據(jù)采用了VRT數(shù)據(jù)包格式，所以在數(shù)字上變頻DUC前，需要通過VITA_tx_chain邏輯模塊對信息包流進行包頭和有效數(shù)據(jù)分離，分離出的包頭信息將會確保數(shù)據(jù)和時序的正確性，有效數(shù)據(jù)在D/A轉(zhuǎn)換前還需通過TX_frontend邏輯模塊，對信號進行直流偏置工作、信號增益和相位等進行調(diào)整。

高速命令通道中的控制命令順序執(zhí)行寄存器模塊，該模塊內(nèi)包含兩個短的先進先出寄存器Short_fifo模塊，分別用于存放控制命令和執(zhí)行結(jié)果，主要負(fù)責(zé)讀取輸入的控制命令包而進行對應(yīng)操作，并產(chǎn)生執(zhí)行結(jié)果的VRT格式應(yīng)答包ACK_packet。該應(yīng)答包作為UDP的數(shù)據(jù)通過路由器Packet router模塊加上USRP2_UDP_FIFO_CRTL_PORT包頭后送給上位機。

3.2 接收RX信息處理方法

對接收信息處理方法如圖5所示。由A/D轉(zhuǎn)換器輸出高速采樣的數(shù)據(jù)共有兩路DSP0和DSP1通道，兩路信號經(jīng)RX_frontend邏輯模塊對數(shù)字信號進行直流偏置工作、信號增益和相位等進行調(diào)整后，利用VITA_rx_chain邏輯模塊進行VITA-49數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換[16]，添加包頭等信息形成VRT規(guī)范數(shù)據(jù)包流。當(dāng)傳輸?shù)铰酚善鱌acket router邏輯模塊時，路由器首先會根據(jù)數(shù)據(jù)來源，分別給數(shù)據(jù)包添加上UDP端口，若數(shù)據(jù)為高速采樣數(shù)據(jù)來自數(shù)字下變頻DDC0時，路由器會給VRT包添加上USRP2_UDP_RX_DSP0_PORT包頭，而來自數(shù)字下變頻DDC1時，則給VRT包添加上USRP2_UDP_RX_DSP1_PORT包頭；若信號來自順序控制應(yīng)答寄存器時，路由器會把數(shù)據(jù)加上USRP2_UDP_FIFO_CRTL_PORT包頭后送給上位機。

圖4 實驗平臺對發(fā)射信息的處理方法

圖5 實驗平臺對接收RX信息的處理方法

需要說明的是在批量數(shù)據(jù)發(fā)送或者是接收期間將用到一些設(shè)置寄存器組，如：路由器Packet router邏輯模塊的設(shè)置寄存器組SR_UDP_SM、SR_BUF_POOL，數(shù)字上下變頻邏輯模塊DDC_chain和UDC_chain中的設(shè)置寄存器組SR_RX_CTRL0、SR_RX_DSP0、SR_RX_CTRL0、SR_RX_DSP1、SR_TX_CTRL、SR_TX_DSP，以及RX_frontend和TX_frontend信號調(diào)整邏輯模塊中的設(shè)置寄存器組SR_RX_FRONT、SR_TX_FRONT等。這些設(shè)置寄存器中的參量都是通過低速控制信息Setting bus模塊，需要利用ZPU進行事前設(shè)置，且在批量數(shù)據(jù)發(fā)送或者是接收期間，這些設(shè)置寄存器中的參量應(yīng)保持不改變。

3.3 實驗平臺中的VRT包格式

實驗平臺的高速信息采用VITA-49規(guī)范構(gòu)建了VRT包[10]，格式如圖6所示。其中，包類型的4 bit字段，實驗平臺定義3種，若為0001，則包類型定義為表示帶有流標(biāo)識的高速數(shù)據(jù)包；若為0100或0101，則包類型定義為表示工作背景和擴展背景包的高速命令包。

圖6 實驗平臺中VRT包格式

VRT包格式中C字段用來標(biāo)志數(shù)據(jù)包中是否含有類標(biāo)識符，因?qū)嶒炂脚_沒采用類標(biāo)識符，故C置為0。T只對數(shù)據(jù)包起作用，標(biāo)志VRT數(shù)據(jù)包中是否含有尾部，含有尾部T置為1。M只對背景包起作用，為0時表示使用精準(zhǔn)時間戳。TSI字段標(biāo)志數(shù)據(jù)包中使用的整數(shù)部分時間戳是UTC、GPS還是其他類型，由于獨立工作的實驗平臺暫時無法獲得電信聯(lián)盟參考時間UTC，所以在實驗平臺暫不使用UTC，但是若給實驗平臺外配GPS模塊，可設(shè)置TSI為10，否則TSI設(shè)置為11即其他時間標(biāo)準(zhǔn)。TSF字段標(biāo)志數(shù)據(jù)包中使用小數(shù)部分時間戳的實時性定義類型。更多有關(guān)VITA-49規(guī)范建議將另文介紹，此處不再贅述。

4 結(jié) 語

對研制的無線電通信系統(tǒng)教學(xué)實驗平臺中低速控制信息和高速信息處理方法和工作特點，進行了系統(tǒng)地介紹。闡明了實驗平臺中低速控制數(shù)據(jù)流傳輸采用LwIP/UDP+APP背景包協(xié)議結(jié)構(gòu)，高速數(shù)據(jù)流傳輸采用LwIP/UDP+VRT數(shù)據(jù)包協(xié)議結(jié)構(gòu)，并根據(jù)UDP端口號區(qū)分低速控制信息和高速控制信息。區(qū)分后的信息發(fā)給相應(yīng)功能模塊進行相應(yīng)處理。實驗平臺主板設(shè)計特點是通過接口對信息進行分類處理，并采用了層級化管理和控制方法。掌握APP低速控制信息和VRT高速數(shù)據(jù)及控制信息處理方法，不僅有助于對實驗平臺工作原理的全面理解，而且為進一步按照用戶特定要求實施對實驗平臺特殊控制，開展個性化創(chuàng)新特色實驗奠定了必要的基礎(chǔ)。雖然，通過以上介紹對教學(xué)實驗平臺主板工作原理建立了系統(tǒng)工作的概念，但是，若要想充分發(fā)揮實驗平臺提供的資源，尤其是想開發(fā)出具有創(chuàng)造性的軟件無線電應(yīng)用，還需要掌握射頻子板的工作原理。后續(xù)將對實驗平臺的射頻子板工作原理，以及主板控制射頻子板的方法進行闡述。