將MicroTCA導(dǎo)入無(wú)線基帶設(shè)計(jì)

 MicroTCA正在成為嵌入信號(hào)處理應(yīng)用，尤其是高性能的多處理器系統(tǒng)中日益普及的標(biāo)準(zhǔn)。這些標(biāo)準(zhǔn)采用了可滿足“運(yùn)營(yíng)商級(jí)”電信設(shè)備需求的先進(jìn)中間卡（AdvancedMC），從而找到了進(jìn)入電信應(yīng)用的途徑，如無(wú)線基帶處理。

    無(wú)線基帶處理是一種高需求的應(yīng)用，它需要高能效的解決方案。任何系統(tǒng)還必須柔性地適應(yīng)多種標(biāo)準(zhǔn)的要求，并適應(yīng)快速發(fā)展的各個(gè)電信標(biāo)準(zhǔn)。本文討論了設(shè)計(jì)過(guò)程中的各種因素，包括處理器、互連和軟件平臺(tái)的選擇。

    對(duì)于這種靈活、高性能的應(yīng)用，處理器的主要選擇是DSP和FPGA。過(guò)去，DSP 是標(biāo)準(zhǔn)的解決方案，但FPGA供應(yīng)商已經(jīng)提高了自己的信號(hào)處理能力：今天的很多應(yīng)用得益于一種結(jié)合DSP和FPGA的混合式多處理器系統(tǒng)。一個(gè)高速互連能夠使一個(gè)子系統(tǒng)包含多個(gè)DSP（如3或4個(gè)）和一個(gè)FPGA，使設(shè)計(jì)者提供正確的性能組合，去滿足自己的系統(tǒng)要求。

    當(dāng)硅片供應(yīng)商繼續(xù)增加自己的DSP和FPGA性能，并增加多個(gè)核心來(lái)提升馬力時(shí)，嵌入系統(tǒng)設(shè)計(jì)者必須確保自己的數(shù)據(jù)交換架構(gòu)能跟上這個(gè)步伐。分布式應(yīng)用需要多種層次上的互連：一塊電路板上的芯片之間、一個(gè)背板上的電路板之間以及多個(gè)機(jī)架之間的互連。

    一個(gè)具有2x2多輸入多輸出（MIMO）的20MHz WiMAX基帶系統(tǒng)要求大約1.5Gbps的天線數(shù)據(jù)速率。支持三扇區(qū)的典型基站要求超過(guò)4.5Gbps的聯(lián)合接口速率，它可以通過(guò)三個(gè)獨(dú)立的射頻頭連接或一個(gè)鏈?zhǔn)絾芜B接而得到支持?；陂_(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)的接口（如CPRI或OBSAI）可以用于數(shù)據(jù)的成幀。當(dāng)支持信道采用擴(kuò)頻技術(shù)編碼（如CDMA）的MIMO系統(tǒng)時(shí)，所有基帶處理塊都有來(lái)自所有天線的數(shù)據(jù)。

    除了原始性能以外，設(shè)計(jì)者還必須考慮自己所選結(jié)構(gòu)的成本，包括初始投資費(fèi)用和運(yùn)營(yíng)成本。他們還應(yīng)尋求標(biāo)準(zhǔn)接口，使自己的設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)跨不同平臺(tái)的重用，包括現(xiàn)在與未來(lái)，并且能夠從支持標(biāo)準(zhǔn)的一系列供應(yīng)商中作出選擇。

無(wú)線基帶信號(hào)處理的互連

    對(duì)于高性能信號(hào)處理應(yīng)用，現(xiàn)在一般考慮四種結(jié)構(gòu)：InfiniBand、PCI Express(PCIe)、以太網(wǎng)和Serial RapidIO(SRIO)。

    InfiniBand開(kāi)始有英特爾公司的強(qiáng)大支持，但該公司后來(lái)停止了自己的開(kāi)發(fā)支持，轉(zhuǎn)向支持PCI Express。InfiniBand設(shè)計(jì)為一種交換式結(jié)構(gòu)互連，可以用于局域網(wǎng)和企業(yè)網(wǎng)，但近來(lái)更多地定位在存儲(chǔ)應(yīng)用。雖然從技術(shù)方面它提供很好的特性，尤其是在管理方面，但它并未設(shè)法在嵌入應(yīng)用中立足，而且沒(méi)有供它使用的AdvancedMC規(guī)范。

    PCIe是PCI的串行版，提供每通路(lane)最大2.5Gbps的數(shù)據(jù)速率，一般MicroTCA中每個(gè)AdvancedMC限制為四通路。PCIe特別適合作為一種快速低成本的外設(shè)、I/O與主處理器的連接方式。它還有良好的支持和不錯(cuò)的采用數(shù)量，有些DSP和FPGA供應(yīng)商把它作為一種原生接口。不過(guò)，在超過(guò)一定數(shù)量設(shè)備情況下，PCIe并不具有良好的縮放性，并且不適合多主處理器環(huán)境，如機(jī)架互連。

    因此，PCIe一般用于與一個(gè)獨(dú)立數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)相關(guān)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接，反映在最近公布的SCOPE Alliance AdvancedMC Hardware Profile上。很多情況下，實(shí)際上是在以太網(wǎng)（千兆和10GigE）與SRIO之間作數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的選擇。

    在很多應(yīng)用類(lèi)型中，以太網(wǎng)都是一種常見(jiàn)的選擇。WiMax和LTE是以太網(wǎng)上的 IP技術(shù)。以太網(wǎng)用于基站回程網(wǎng)的傳輸正在引起注意。千兆以太網(wǎng)今天已發(fā)展出不同版本，得到廣泛使用，10GigE通過(guò)XAUI標(biāo)準(zhǔn)在 AdvancedMC中得到支持。自從以太網(wǎng)在廣域網(wǎng)中的早期應(yīng)用以來(lái)，它已變得無(wú)處不在。

    千兆以太網(wǎng)提供點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的分組架構(gòu)，數(shù)據(jù)包大小可變。MicroTCA用其作為基本結(jié)構(gòu)，幾乎確保能得到控制平面上機(jī)架內(nèi)所有AdvancedMC的支持?，F(xiàn)在沒(méi)有針對(duì)千兆以太網(wǎng)的通用服務(wù)質(zhì)量（QoS）標(biāo)準(zhǔn)，越來(lái)越多的路由器與交換機(jī)提供一些QoS特性，使基本結(jié)構(gòu)也能用于低帶寬的數(shù)據(jù)平面?zhèn)鬏敗?/p>

    然而，對(duì)于大帶寬的數(shù)據(jù)平面?zhèn)鬏敚瑥那д滓蕴W(wǎng)到10GigE的成本跳躍太大。以太網(wǎng)要求高CPU處理和分組協(xié)議開(kāi)銷(xiāo)，意味著以太網(wǎng)不是一種高效的實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)。再加上以太網(wǎng)上傳輸?shù)母哐舆t與抖動(dòng)，設(shè)計(jì)者可能希望尋找其它的結(jié)構(gòu)。

SERIAL RapidIO

    由于這些問(wèn)題，SRIO正在多處理器系統(tǒng)中日益普及。它兼有低成本、低功耗、大流量和先進(jìn)功能等特點(diǎn)。與PCI Express不同，SRIO可以有多個(gè)主處理器，并支持多播。它有較以太網(wǎng)更低的協(xié)議開(kāi)銷(xiāo)，并有更好的流控機(jī)制，和更高的原始帶寬利用率。

    SRIO最初開(kāi)發(fā)用于處理器的互連，它同時(shí)適用于控制平面和數(shù)據(jù)平面的傳輸。它是一種點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的分組架構(gòu)，可以支持低開(kāi)銷(xiāo)的任何拓?fù)洹Ｋ试S采用大小可變的分組數(shù)據(jù)包，和最大256字節(jié)的協(xié)議數(shù)據(jù)單元（PDU）。

    除了大流量以外，SRIO還是一種高效率實(shí)現(xiàn)的技術(shù)。它本身就支持QoS，而以太網(wǎng)需要附加的協(xié)議層和網(wǎng)絡(luò)協(xié)同操作。這使SRIO在某種數(shù)據(jù)帶寬下具有了成本與功耗優(yōu)勢(shì)。

    過(guò)去幾年來(lái)，在DSP和信號(hào)處理市場(chǎng)上出現(xiàn)了從PCI Express到SRIO的明顯轉(zhuǎn)換。Crystal Cube Consulting公司預(yù)測(cè)，到2011年，帶SRIO功能的DSP將占總DSP市場(chǎng)的34%，在無(wú)線基礎(chǔ)架構(gòu)應(yīng)用中這一趨勢(shì)尤為強(qiáng)勁。SRIO已在一些基帶處理的主要DSP上實(shí)現(xiàn)，并可以得到獨(dú)立的FPGA IP核心。

    在支持多輸入多輸出（MIMO）系統(tǒng)，并采用擴(kuò)頻技術(shù)的無(wú)線基帶處理應(yīng)用如CDMA和OFDMA中，所有射頻天線的數(shù)據(jù)都必須送給所有基帶處理塊。此時(shí)，實(shí)現(xiàn)優(yōu)異性能的關(guān)鍵就是支持多播的高效低延遲互連，而SRIO就非常合適。

    一個(gè)刀片級(jí)子系統(tǒng)的解決方案可能同時(shí)包含DSP和FPGA，選擇兩者的結(jié)合以適應(yīng)特定應(yīng)用的要求。SRIO結(jié)構(gòu)可以用于射頻數(shù)據(jù)分配，并用于設(shè)備之間的一種低延遲直接內(nèi)存存?。―MA），包括在卡上和在卡外。將SRIO用于卡間和卡內(nèi)連接可以將各種部件結(jié)合在一起。

    在無(wú)線基站中，SRIO可以用于將數(shù)字“芯片速率”數(shù)據(jù)從用戶天線轉(zhuǎn)移到系統(tǒng)中的基帶處理卡上。每個(gè)基帶卡都帶有一個(gè)SRIO互連，一般都有一個(gè)支持SRIO的高性能DSP。然后，經(jīng)基帶卡處理的數(shù)據(jù)仍通過(guò)SRIO，送至回程接口。

MicroTCA

    MicroTCA面向相對(duì)大批量的標(biāo)準(zhǔn)化硬件平臺(tái)，從而成本低于定制程度較高的電信設(shè)備。MicroTCA背板最多可以裝下12個(gè)AdvancedMC模塊，提供高水平的靈活性?，F(xiàn)有各種尺寸的機(jī)架和AMC配置。

    作為一種有廣泛供應(yīng)商支持的開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)，MicroTCA意味著系統(tǒng)設(shè)計(jì)者有很多選擇。該標(biāo)準(zhǔn)亦提供五個(gè)9的可用性，支持熱插拔和元件級(jí)的冗余。

    一個(gè)繁榮的SRIO AMC生態(tài)系統(tǒng)意味著擁有大量的選擇，并支持AMC和MicroTCA系統(tǒng)中的高端應(yīng)用。德州儀器公司、Tundra Semiconductor公司和飛思卡爾半導(dǎo)體公司都是SRIO的支持者，確保了它的成熟?，F(xiàn)在很多供應(yīng)商都為MicroTCA運(yùn)營(yíng)商中心以及控制與信號(hào)處理AMC卡提供SRIO支持。

    不過(guò)，MicroTCA的冗余和靈活性也給它帶來(lái)了額外的成本，對(duì)于較簡(jiǎn)單的系統(tǒng)，采用它可能有些過(guò)分。但對(duì)于高性能的無(wú)線應(yīng)用，可以說(shuō)MicroTCA提供了性能、可靠性與選擇的最佳組合。

標(biāo)準(zhǔn)天線接口：CPRI與OBSAI

    近些年來(lái)的一個(gè)重要進(jìn)展是在基帶處理與射頻電路之間引入了標(biāo)準(zhǔn)光學(xué)接口。這使射頻放大器能夠裝在桿頂，而不是基站內(nèi)，大大降低了以前在RF電纜與天線之間的功率損失，因此減少了基站自身的功耗。

    滿足這一功能有兩種規(guī)范：CPRI和OBSAI。普通公共射頻接口或規(guī)范（CPRI）是五家業(yè)界領(lǐng)先基站硬件供應(yīng)商的合作結(jié)果，他們是：Ericsson AB、華為技術(shù)有限公司、NEC公司、Nortel Networks和Siemens AG。其目標(biāo)是定義一個(gè)簡(jiǎn)單而靈活的互連，用于射頻設(shè)備控制（REC）中基帶處理子系統(tǒng)與RE中射頻（RF）處理功能之間的主要內(nèi)部接口，它可以用于所有第三代（3G）標(biāo)準(zhǔn)，簡(jiǎn)化了整體的基站架構(gòu)。CPRI協(xié)議采用基礎(chǔ)的3G通用移動(dòng)電信系統(tǒng)（UMTS）10ms射頻幀，它發(fā)展自初始規(guī)范，包括了對(duì)基于W -CDMA、CDMA2000、TD-SCDMA和WiMAX系統(tǒng)的支持。

    OBSAI意為開(kāi)放基站架構(gòu)倡議，有一組針對(duì)各種基站部件的完整接口、硬件與測(cè)試規(guī)范。同樣，它也允許在基帶處理與遠(yuǎn)程射頻頭之間的標(biāo)準(zhǔn)光學(xué)接口。

系統(tǒng)實(shí)例1：AEROFLEX TM500 LTE測(cè)試模塊

    Aeroflex公司是一家測(cè)試與測(cè)量設(shè)備供應(yīng)商。它的TM500產(chǎn)品設(shè)計(jì)用于 LTE測(cè)試。TM500 LTE有大量的Layer 1、Layer 2和更高層的測(cè)試功能，為測(cè)試LTE網(wǎng)絡(luò)的工程師生成詳細(xì)的診斷數(shù)據(jù)，提供直至射頻調(diào)制解調(diào)器最低層的可視性。這使得工程師們能夠檢查所有功能是否均能正常工作，從而優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行及性能。Aeroflex系統(tǒng)證明了MicroTCA對(duì)高端應(yīng)用的能力，這種應(yīng)用的每個(gè)系統(tǒng)中有多達(dá)十個(gè)AMC信號(hào)處理卡。

    LTE是移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)從3G的一個(gè)巨大進(jìn)步，而與以往測(cè)試設(shè)備相比， Aeroflex要求處理能力和I/O帶寬提升一個(gè)數(shù)量級(jí)。該公司審核了當(dāng)前能提供高信號(hào)處理能力和優(yōu)異I/O帶寬，并且具備所需AMC外形尺寸的產(chǎn)品。 Aeroflex選擇了CommAgility公司的AMC-D4F1-1200，因?yàn)樵撃K以一個(gè)AdvancedMC槽提供高DSP/FPGA性能與密度。每個(gè)AMC-D4F1模塊都有四個(gè)1.2GHz TI公司的TMS320C6455 DSP和一個(gè)Xilinx公司Virtex-4 FX系列FPGA，提供強(qiáng)大的信號(hào)處理性能。

    一個(gè)基于PICMG（PCI工業(yè)計(jì)算機(jī)制造商集團(tuán)）AMC.4標(biāo)準(zhǔn)的10Gbps SRIO架構(gòu)為射頻或其它卡內(nèi)外的原始數(shù)據(jù)傳輸提供了確定的帶寬。獨(dú)立的AMC.2千兆以太網(wǎng)提供用于基帶或其它處理數(shù)據(jù)流的控制、管理與提交。另外通過(guò) FPGA的多個(gè)高速串行端口，為背板或（可選的）前面板提供了附加的高速用戶可配置I/O。

系統(tǒng)實(shí)例2：WIMAX基站

    為確保最小的開(kāi)發(fā)時(shí)間，嵌入設(shè)計(jì)工程師應(yīng)尋求已開(kāi)發(fā)并經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的系統(tǒng)級(jí)解決方案。例如，CommAgility公司已與Axis Network Technology(AxisNT)和Tata Elxsi合作，驗(yàn)證了一個(gè)基于MicroTCA的WiMAX基站參考方案，它包括WiMAX基帶處理與WiMAX遠(yuǎn)程射頻頭。三家公司合作將參考設(shè)計(jì)與商用產(chǎn)品整合為一個(gè)基站參考設(shè)計(jì)。

    示范系統(tǒng)演示了Tata Elxsi的WiMAX基帶軟件，它運(yùn)行在CommAgility公司的AMC-3C87F信號(hào)處理卡上，通過(guò)一個(gè)光CPRI鏈路連接到AxisNT的遠(yuǎn)程射頻頭上，然后輸出為一個(gè)OFDMA調(diào)制的RF信號(hào)。這個(gè)RF信號(hào)再顯示在一臺(tái)頻譜分析儀上，顯示64QAM的4W輸出功率，滿足ETS 302 544頻譜遮罩和嚴(yán)格的EVM規(guī)范。AMC-3C87F包括三個(gè)1GHz或1.2GHz的TI TCI6487 DSP和一個(gè)Xilinx Virtex-5系列FPGA，為三扇區(qū)的10MHz WiMAX基帶數(shù)據(jù)提供處理能力。

    卡上的SRIO結(jié)構(gòu)提供DSP與FPGA之間的5Gbps射頻數(shù)據(jù)傳輸。AMC.2千兆以太網(wǎng)用于卡管理以及CPRI控制和管理數(shù)據(jù)。

    MicroTCA是應(yīng)對(duì)無(wú)線基帶處理高性能挑戰(zhàn)的上佳解決方案，正日益在這一應(yīng)用中得到普及。它有可靠性和靈活性，越來(lái)越多的供應(yīng)商在提供軟硬件支持。

    為滿足無(wú)線應(yīng)用的需求，工程師們需要仔細(xì)考慮自己系統(tǒng)的性能。這包括高性能處理器，可能是DSP、FPGA，或者是兩者的組合，還有像SRIO這樣的高速互連。另外，一系列供應(yīng)商也在提供系統(tǒng)級(jí)軟件，可以大大縮短產(chǎn)品上市時(shí)間，簡(jiǎn)化開(kāi)發(fā)工作。