王 寧，田增山，劉 宇，施華雷

(重慶郵電大學(xué) 光纖通信技術(shù)研究所，重慶400065)

到目前為止，移動(dòng)通信已經(jīng)歷了100多年的歷史，從模擬蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)轉(zhuǎn)向數(shù)字蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng);其業(yè)務(wù)由傳統(tǒng)的電話通信發(fā)展為多媒體業(yè)務(wù)通信［1］。而移動(dòng)電話是移動(dòng)通信系統(tǒng)衍生的產(chǎn)物，作為當(dāng)今社會(huì)主流的通信工具，它給人們生活帶來(lái)方便的同時(shí)也存在著很多安全方面的隱患。例如:成為新的不安全因素，給生命、財(cái)產(chǎn)、生產(chǎn)安全帶來(lái)隱患;成為新的泄密渠道，對(duì)信息安全構(gòu)成威脅等。對(duì)于移動(dòng)電話帶來(lái)的種種問(wèn)題，目前對(duì)其管控的手段主要依靠國(guó)家保密工作部門(mén)出臺(tái)的一系列規(guī)定限制涉密場(chǎng)所移動(dòng)終端的使用規(guī)定，要使這些規(guī)定有效執(zhí)行，必須輔之一定的技術(shù)防護(hù)措施［2］。移動(dòng)終端管控系統(tǒng)作為移動(dòng)終端管理技術(shù)防護(hù)措施之一，它包含射頻接收機(jī)、基帶處理、上位機(jī)顯示等幾個(gè)部分。其中，基帶處理又分為基帶處理算法實(shí)現(xiàn)和基帶處理硬件系統(tǒng)兩大部分，基帶處理硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)對(duì)基帶處理、乃至整個(gè)移動(dòng)終端管控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)有著不可或缺的重要性和必要性。對(duì)于本系統(tǒng)，難點(diǎn)主要表現(xiàn)在基帶算法復(fù)雜度高，運(yùn)算量較大，數(shù)據(jù)吞吐量大;對(duì)基帶處理的正確性和實(shí)時(shí)性要求較高。對(duì)于這些難點(diǎn)，除了基帶算法本身的優(yōu)化處理外，也可以從硬件角度出發(fā)，通過(guò)提高基帶處理硬件平臺(tái)的處理速度和實(shí)時(shí)性來(lái)提升整個(gè)系統(tǒng)的性能。介于基帶處理硬件系統(tǒng)的重要性，故在其設(shè)計(jì)上需要特別的注意，否則會(huì)對(duì)移動(dòng)終端管控系統(tǒng)的整體實(shí)現(xiàn)造成瓶頸，達(dá)不到管控的效果。

由此可見(jiàn)，基帶處理硬件平臺(tái)是移動(dòng)終端管控系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部，設(shè)計(jì)出一種滿足基帶處理功能需求的高性能硬件平臺(tái)，對(duì)整個(gè)移動(dòng)終端管控系統(tǒng)的可行性具有重要意義。本文針對(duì)移動(dòng)終端管控系統(tǒng)硬件基帶板設(shè)計(jì)，而基帶處理板的功能就是為系統(tǒng)提供基帶算法處理的平臺(tái)，配合算法完成對(duì)移動(dòng)終端上/下行信號(hào)解析，完成阻斷信令構(gòu)造，完成數(shù)據(jù)接收、發(fā)送;完成軟件控制、任務(wù)調(diào)度和上位機(jī)通信等功能;完成移動(dòng)終端管控系統(tǒng)基帶處理的整體目標(biāo)任務(wù)。

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)框圖

基帶處理板的硬件平臺(tái)是移動(dòng)終端管控系統(tǒng)的基礎(chǔ)，其重要性無(wú)須多言。經(jīng)過(guò)認(rèn)真分析系統(tǒng)的功能需求，查閱國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)，比對(duì)各種基帶處理方案的優(yōu)缺點(diǎn)，本系統(tǒng)最終的硬件設(shè)計(jì)采用多通道FPGA+DSP+ARM的高端組合架構(gòu)，并合理利用各處理器的優(yōu)點(diǎn)，相互配合完成各個(gè)功能模塊的工作。

圖1為本設(shè)計(jì)的框圖架構(gòu)。本系統(tǒng)總體架構(gòu)以ARM為主控單元，實(shí)現(xiàn)對(duì)3個(gè)基帶處理通道任務(wù)的調(diào)度;同時(shí)由ARM通過(guò)以太網(wǎng)接口連接上位機(jī)，建立人機(jī)友好界面與基帶處理板聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)的控制任務(wù)［3］。設(shè)計(jì)中采用2片F(xiàn)PGA完成對(duì)射頻前端的接收和發(fā)送任務(wù)，F(xiàn)PGA硬件電路有很強(qiáng)的并行處理能力，可以做預(yù)處理，比如基帶處理中的導(dǎo)頻信號(hào)搜索，需要大數(shù)據(jù)量，快速處理完成，但是其算法運(yùn)算架構(gòu)比較簡(jiǎn)單，主要是同步相關(guān)運(yùn)算，F(xiàn)FT運(yùn)算;故利用FPGA處理比DSP實(shí)現(xiàn)更快，更合適。而DSP能進(jìn)一步完成FPGA預(yù)處理后的基帶數(shù)據(jù)解析。系統(tǒng)中采用兩收一發(fā)3片高主頻的DSP芯片，其讀寫(xiě)指令周期短，運(yùn)算速度更快，能夠提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求

移動(dòng)終端管控基帶處理板，是針對(duì)移動(dòng)移動(dòng)終端基帶信號(hào)實(shí)時(shí)處理的硬件系統(tǒng)。系統(tǒng)的基帶處理按照其功能按照信號(hào)類型上大體分為3類:第1類是對(duì)移動(dòng)終端上行信號(hào)實(shí)時(shí)解析;第2類是對(duì)移動(dòng)終端下行信號(hào)實(shí)時(shí)解析;第3類是基帶信號(hào)消息構(gòu)造，發(fā)送阻斷信令，對(duì)移動(dòng)終端實(shí)時(shí)管控。

2.1 功能需求

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求，功能需要可以分為以下幾個(gè)部分:

1)完成對(duì)射頻前端數(shù)據(jù)正確、實(shí)時(shí)接收工作;

2)具有高速基帶信號(hào)做預(yù)處理的功能;

3)在特定算法下利用DSP硬件條件，完成預(yù)處理后的數(shù)據(jù)解析工作;

4)實(shí)現(xiàn)在特定DSP硬件中完成消息構(gòu)造，且構(gòu)造的消息實(shí)時(shí)發(fā)送至射頻前端的功能;

5)具備兩個(gè)通道接收上下行信號(hào)，一個(gè)通道發(fā)送下行信號(hào)功能;

6)實(shí)現(xiàn)基帶板與上位機(jī)數(shù)據(jù)的雙向、實(shí)時(shí)通信的功能。

2.2 技術(shù)需求

1)基帶處理板構(gòu)造特定阻斷信令的時(shí)間小于2 ms。

2)基帶處理板解讀上行信道的時(shí)間小于3 ms。

3)基帶處理板解讀下行信道基站配置信息的時(shí)間小于4 ms。

4)構(gòu)造阻斷信令到信令發(fā)送完成的時(shí)間小于5 ms。

5)射頻與基帶接口交互采用SMA射頻接口和4個(gè)30芯的歐品連接器;基帶處理板與上位機(jī)接口采用標(biāo)準(zhǔn)10/100 Mbit/s自適應(yīng)以太網(wǎng)接口。

3 硬件電路設(shè)計(jì)

針對(duì)圖1中的系統(tǒng)硬件框架，電路設(shè)計(jì)的基本要求是滿足各個(gè)模塊的功能，同時(shí)還必須考慮器件的選型、成本和硬件系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

3.1 FPGA前端數(shù)據(jù)處理接口設(shè)計(jì)

FPGA是基帶板和射頻中頻前端連接的橋梁，是接收、發(fā)送數(shù)據(jù)和發(fā)送控制信息的直接接收者和發(fā)送者。通過(guò)圖1可以知道系統(tǒng)中通道1和通道2共享1個(gè)FPGA硬件資源，這兩個(gè)通道均是接收射頻/中頻數(shù)據(jù)，從同一個(gè)12 bit寬的I/O口進(jìn)入FPGA，再通過(guò)控制信號(hào)將兩路數(shù)據(jù)分開(kāi)。基帶板和射頻中頻板之間的連接由一個(gè)30 cm長(zhǎng)的傳輸電纜線，這樣會(huì)造成信號(hào)衰減，送入到終端時(shí)驅(qū)動(dòng)能力就不夠;解決這個(gè)問(wèn)題可以通過(guò)驅(qū)動(dòng)芯片改善，本設(shè)計(jì)選用的驅(qū)動(dòng)芯片是74LVC164245。相關(guān)接口的原理圖如圖2所示。

圖2 基帶與射頻中頻接口原理圖

3.2 DSP系統(tǒng)接口電路

基帶板卡中最為重要的核心器件是DSP處理器，本文選用TMS320C6416型號(hào)的DSP，主頻600 MHz，接口操作時(shí)鐘133 MHz，該處理器的運(yùn)算速度達(dá)到4 800 MInstruction/s(兆指令/秒)，且內(nèi)部二級(jí)緩存空間達(dá)到1 Mbyte［4］。

TMS320C6416與FPGA的連接主要體現(xiàn)在數(shù)據(jù)傳輸和控制上，包含了DSP連接到FPGA的引腳。DSP利用其EMIFA接口實(shí)現(xiàn)對(duì)FPGA的無(wú)縫連接，EMIFA接口屬于高速接口，實(shí)際上，C6416的EMIFA的數(shù)據(jù)接口共有64 bit寬，但是本方案只使用了其中的16 bit。

除了FPGA和DSP之間有數(shù)據(jù)傳輸外，還有其他的信息需要傳輸，這里設(shè)計(jì)采用SPI(Serial Peripheral Interface，串行外圍接口)接口實(shí)現(xiàn)。它們之間通信連接如圖3所示。

3.3 ARM接口電路

圖3 FPGA與DSP接口模塊原理圖

系統(tǒng)中ARM實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的任務(wù)調(diào)度，一方面接收上位機(jī)下發(fā)的控制信號(hào)，另一方面又將3個(gè)通道的消息實(shí)時(shí)傳送給上位機(jī)?？山y(tǒng)計(jì)，選用的ARM必須擁有:3個(gè)SPI(Serial Peripheral Interface)接口用于和DSP通信;3個(gè)串口，其中2個(gè)用于和FPGA通信，另外1個(gè)用于調(diào)試口;1個(gè)網(wǎng)口用于和上位機(jī)通信;以及多個(gè)GPIO口、中斷口等?；谝陨蠈?duì)ARM性能的要求，本方案選擇TI公司推出的處理器OMAP3530，該處理器的MPU(Microprocessor Unit)系統(tǒng)內(nèi)核采用ARM Cortex-A8，是一款基于ARMv7架構(gòu)的應(yīng)用處理器，主頻高達(dá)為720 MHz，功耗低于300 mW，性能高達(dá)2 000 MInstruction/s［5］。嵌入式系統(tǒng)使用的是瑞爾泰科技有限公司(ICE-TEK)OMAP3530MiniBoard，其具有較為完備的通用硬件接口，可以連接市場(chǎng)上通用的計(jì)算機(jī)設(shè)備，且支持Linux操作系統(tǒng)［6］。

不同于DSP和FPGA單向通信接口的設(shè)計(jì)，系統(tǒng)中ARM與DSP的通信需要實(shí)現(xiàn)SPI模式的主從雙向傳輸。而DSP沒(méi)有專用的SPI接口，利用其MCBSP(Multichannel Buffered Serial Port)來(lái)設(shè)計(jì)SPI。在其傳輸中，將ARM設(shè)置為主模式，DSP設(shè)置為從模式，傳輸只能由主器件發(fā)起;如果傳輸需要被動(dòng)發(fā)起時(shí)，需要對(duì)傳輸?shù)姆绞竭M(jìn)行改進(jìn)，即除了圖4所示的4根信號(hào)線外，ARM和DSP之間還需要增加一根中斷信號(hào)線GPIO。

圖4 ARM與DSP、FPGA、PC接口模塊原理圖

3.4 以太網(wǎng)電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)中網(wǎng)絡(luò)指令數(shù)據(jù)的傳輸是通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的RJ45接口連在ARM外圍，選用配套的以太網(wǎng)控制器進(jìn)行傳輸，本設(shè)計(jì)選用SMSC(Smart Mixed-Signal Connectivity)公司2008年推出的LAN9220芯片。它是一種全功能單芯片10/100 Mbit/s以太網(wǎng)控制器，專用于對(duì)性能、靈活性、集成方便性和系統(tǒng)成本控制有嚴(yán)格要求的嵌入式應(yīng)用。LAN9220具備與SRAM類型的高性能從接口的集成以太網(wǎng)MAC和PHY。主機(jī)總線接口簡(jiǎn)單但功能強(qiáng)大，可為大多數(shù)普通16/32 bit微處理器提供無(wú)縫連接。通過(guò)集成的校驗(yàn)和卸載引擎，可為接收和發(fā)送的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀自動(dòng)生成16 bit校驗(yàn)和。其與ARM的接口原理圖如圖5所示［7-8］。

圖5 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸原理圖

3.5 供電系統(tǒng)

對(duì)于高速的系統(tǒng)，在設(shè)計(jì)的開(kāi)始電源就應(yīng)該作為另一個(gè)系統(tǒng)級(jí)不見(jiàn)考慮。在設(shè)計(jì)和選擇電源芯片時(shí)大概需要注意以下幾點(diǎn):

1)電源芯片轉(zhuǎn)換的效率;

2)對(duì)于某些器件內(nèi)核電壓和其外設(shè)電壓需要先后供電;

3)模擬器件和數(shù)字器件需要分開(kāi)供電，大功率芯片也需要單獨(dú)供電;

4)整個(gè)系統(tǒng)所需要的功耗，電源輸入和輸出應(yīng)增加適當(dāng)?shù)臑V波電容;

5)增加電源反接保護(hù)電路，增加一些LED燈來(lái)顯示電源，方便觀測(cè)。

本系統(tǒng)電源入口為+5 V，預(yù)計(jì)所有器件在程序運(yùn)行時(shí)最大功耗在10～11 W，設(shè)計(jì)時(shí)選用輸入為20 W的電源供電?；鶐О蹇ㄉ婕癋PGA，DSP，ARM等許多器件，需要多種電平，根據(jù)需要本文設(shè)計(jì)了將+5 V轉(zhuǎn)為各種電平的供電系統(tǒng)。

4 測(cè)試

4.1 測(cè)試目標(biāo)

本文重點(diǎn)介紹的是硬件設(shè)計(jì)，對(duì)于硬件系統(tǒng)的測(cè)試是驗(yàn)證硬件設(shè)計(jì)方案是否可行、完備、可靠的最基本環(huán)節(jié)。

4.2 測(cè)試內(nèi)容

1)供電系統(tǒng)測(cè)試;

2)FPGA相關(guān)接口測(cè)試;

3)ARM相關(guān)接口測(cè)試;

4)DSP相關(guān)接口測(cè)試。

基帶板卡系統(tǒng)實(shí)物圖如圖6所示。

4.3 測(cè)試方法和結(jié)果

1)供電測(cè)試

圖6 基帶板卡系統(tǒng)實(shí)物圖

FPGA系統(tǒng)需要1.2/2.5/3.3 V電壓，分別使用一組ASM1117芯片供電;ARM模塊采用3.3 V電壓，使用AS2830芯片供電;DSP模塊需用1.4 V/3.3 V電壓，分別使用一組TPS54310供電，用萬(wàn)用表測(cè)試電壓，結(jié)果都在0.1 V誤差范圍內(nèi)屬于正常。

2)FPGA與DSP系統(tǒng)接口測(cè)試

FPGA是基帶板數(shù)據(jù)接收器件，預(yù)處理后需要將數(shù)據(jù)送給DSP進(jìn)一步處理，此為數(shù)據(jù)接口;DSP需要通過(guò)SPI口給FPGA發(fā)送控制信息(如增益、頻偏等)，此為控制接口。以接收通道為例(發(fā)送通道類似)，通道一和通道二共用1個(gè)FPGA，每個(gè)通道各分配16 kbyte大小FPGA緩存FIFO，構(gòu)建乒乓處理緩存機(jī)制，F(xiàn)PGA通過(guò)FIFO向DSP發(fā)送數(shù)據(jù)，比對(duì)數(shù)據(jù)的確定正確性。FPGA與DSP之間測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比如圖7所示。

圖7 FPGA與DSP之間數(shù)據(jù)測(cè)試(截圖)

3)ARM與FPGA系統(tǒng)接口測(cè)試

ARM與FPGA通過(guò)串口實(shí)現(xiàn)信息傳輸，F(xiàn)PGA接口并無(wú)專用的串口，需要用普通I/O口通過(guò)程序模擬串口。串口需要兩根數(shù)據(jù)線，分別是數(shù)據(jù)接收與發(fā)送。這里以ARM和FPGA之間的串口測(cè)試結(jié)果為例來(lái)說(shuō)明設(shè)計(jì)的正確性:ARM通過(guò)應(yīng)用層向FPGA發(fā)送三個(gè)已知數(shù)據(jù)，分別是a、b、c，它們對(duì)應(yīng)的ASCII值分別為97，98，99。而FPGA接收到數(shù)據(jù)以二進(jìn)制表示分別是01100001b，01100010b，01100011b，換算成十進(jìn)制為97，98，99，故FPGA正確接收ARM發(fā)送的數(shù)據(jù)。多次比對(duì)ARM發(fā)送的數(shù)據(jù)和FPGA接收的數(shù)據(jù)，均無(wú)數(shù)據(jù)丟失和錯(cuò)誤，由此可知ARM和FPGA之間的串口設(shè)計(jì)正確。

4)DSP與ARM系統(tǒng)接口測(cè)試

DSP選用McBSP接口模擬SPI模式和ARM的SPI接口通信，以實(shí)現(xiàn)消息傳輸功能。測(cè)試時(shí)，ARM發(fā)送已知數(shù)據(jù)，通過(guò)DSP接收存儲(chǔ)并觀測(cè)數(shù)據(jù)是否正確。基于SPI模式下DSP接收到ARM傳送的數(shù)據(jù)測(cè)試如圖8所示。

圖8 DSP與ARM之間數(shù)據(jù)測(cè)試(截圖)

5 結(jié)束語(yǔ)

本文充分利用FPGA、DSP、ARM的各自優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種多通道基帶處理硬件架構(gòu)方案，實(shí)現(xiàn)了良好的人機(jī)交互界面，在硬件系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、高速性有著很好的體現(xiàn)。通過(guò)自主設(shè)計(jì)的基帶處理板卡為移動(dòng)終端管控系統(tǒng)提供了穩(wěn)定可靠的硬件基礎(chǔ)，可以應(yīng)用在某些通信需要限制或者保障的場(chǎng)所。

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