FPGA及動態(tài)可重構技術在軟件無線電中的應用

SDR是使用一個簡單的終端設備通過軟件重配置來支持不同種類的無線系統(tǒng)和服務(包括2G、3G移動通信系統(tǒng)和WLAN)的新技術。它具有較強的開放性和靈活性，硬件采用標準化、模塊化結構，可以隨著器件和技術的發(fā)展而更新和擴展；軟件模塊可以進行加載和更改，根據(jù)需要不斷升級。軟件無線電的結構如圖1所示，主要分為實時信道數(shù)據(jù)處理部分、環(huán)境管理部分、系統(tǒng)分析和功能強化部分。實時信道數(shù)據(jù)處理部分包括A/D、D/A、變頻、信道分離、調制解調以及碼流處理等數(shù)據(jù)模塊。



SDR的核心是聯(lián)合戰(zhàn)術無線電系統(tǒng)JTRS（Joint Tactical Radio System)的SCA規(guī)范，它對模塊化可編程無線通信系統(tǒng)的硬件體系結構、軟件體系結構和安全體系結構以及應用程序接口（API）規(guī)范進行了描述，同時引入了嵌入式微處理器系統(tǒng)、總線、操作系統(tǒng)、公共對象請求代理體系（CORBA）、面向對象的軟件和硬件設計等一系列計算機技術，并采用了“波形應用”和“資源”可裁剪、可擴充的設計思想，從而保證了軟件和硬件的可移植性和可配置性。

以接收機為例，SDR中A/D模塊之后的部分通過軟件來實現(xiàn)。本文在FPGA平臺上實現(xiàn)信號的調制解調，以滿足高速數(shù)字信號處理發(fā)展的需求。在Xilinx Virtex2Pro FPGA硬件平臺上實現(xiàn)了美國軍方短波通信系統(tǒng)標準MIL-STD-188-110B調制解調器，其中引入了動態(tài)部分可重構技術，提高了配置速度和硬件資源的利用率。

滿足SCA規(guī)范的波形組件之間通過CORBA總線通信，而FPGA平臺的專用處理器要實現(xiàn)對CORBA的支持比較困難。本文利用SCA規(guī)范中的SHP組件兼容性補充協(xié)議CP289提出了這一問題的具體解決方案。

1 FPGA的動態(tài)部分可重構技術

FPGA的動態(tài)可重構技術是指對時序變化的數(shù)字邏輯系統(tǒng)，其時序邏輯的發(fā)生不是通過調用芯片內(nèi)不同區(qū)域不同邏輯資源的組合實現(xiàn)，而是通過對具有專門緩存邏輯資源的FPGA進行局部或全局芯片邏輯的動態(tài)重構而實現(xiàn)。部分重構是指重構器件或系統(tǒng)的一部分，在此過程中，其余部分的工作狀態(tài)不受影響。

FPGA部分可重構有多種實現(xiàn)方法，較為常用的是基于模塊化設計方法和EAPR(Early Access Partial Reconfiguration)設計流程，后者較前者而言，是一種較新的設計方法，并且有相應的軟件可以代替命令行方式進行實現(xiàn)，本文采取的就是這種實現(xiàn)方法。

圖2所示為一個簡單的基于EAPR設計流程生成的部分動態(tài)可重配置系統(tǒng)。整個系統(tǒng)劃分出靜態(tài)模塊和動態(tài)模塊，之間的通信通過總線宏來進行。該系統(tǒng)通過FPGA板子上的dip開關為輸入引腳提供輸入數(shù)據(jù)，確定計數(shù)器的初始值。通過下載不同部分的比特流可以實現(xiàn)加、減計數(shù)功能的動態(tài)切換。計數(shù)結果通過值傳遞模塊接到FPGA板子上的LED管腳。整個設計過程可以概括為：



(1)模塊劃分：靜態(tài)模塊和動態(tài)模塊；

(2)頂層模塊與靜態(tài)和動態(tài)子模塊的設計及綜合；

(3)編寫初始用戶約束文件，主要指定I/O管腳約束和時鐘約束；

(4)在PlanAhead中進行EAPR設計：

①建立局部可重構工程；

②為每一個PRM定義可重配置實體；

③為PRM規(guī)定可重配置區(qū)域；

④放置總線宏和全局時鐘邏輯；

⑤運行DRC檢查；

⑥分別實現(xiàn)靜態(tài)邏輯和PR模塊；

⑦裝配并生成全局和部分比特流。

2 基于FPGA的SDR硬件體系結構及DPR實現(xiàn)

Xilinx Virtex2Pro FPGA內(nèi)含處理器，通過一定的軟件編程，可根據(jù)環(huán)境及外部需求采用不同的調制解調算法處理通信系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)。通過DPR技術，可以實時快速地調整算法中的參數(shù)或者實現(xiàn)不同算法之間的切換。

2.1 基于FPGA的SDR硬件平臺

本文基于Xilinx Virtex2Pro FPGA，搭建的SDR硬件平臺如圖3所示。該系統(tǒng)以軟核處理器 MicroBlaze為核心，DDR SDRAM Controller、OPB_HWICAP和UART Controller通過OPB總線與處理器通信。DDR SDRAM為片外處理器，UART為串口設備，ICAP為內(nèi)部訪問互連接口，主要用于部分重構。

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2.2 DPR在SDR硬件平臺中的應用

如圖3所示，平臺的頂層為調制解調算法模塊。本文以美國軍方短波通信系統(tǒng)標準MIL-STD-188-110B調制解調算法的實現(xiàn)進行說明，圖4所示為其實現(xiàn)框圖。



該標準支持不同的比特速率和交織長度，在調制算法中格雷映射、符號生成和同步前導頭與訓練序列有所差別，故將其劃分為動態(tài)模塊，其余為靜態(tài)模塊。相應的，在解調模塊當中，符號解析、格雷映射和解交織模塊算法有所差別，劃分為動態(tài)模塊。在硬件實現(xiàn)過程中，由于不同模塊處理數(shù)據(jù)的速率不相同，因此需增加一個時鐘生成模塊，并將其劃分為動態(tài)模塊。

之后，根據(jù)EAPR設計流程生成不同條件下的不同功能的部分比特流及全局靜態(tài)比特流。設計實現(xiàn)的動態(tài)部分可重構調制解調器框圖分別如圖5、圖6所示。與模塊化設計方法相比，設計過程中動態(tài)和靜態(tài)區(qū)域并不需要占據(jù)FPGA的整列，提高了FPGA的資源利用率。另一點不同之處在于模塊化設計方法中總線宏是基于TBUF的，而EAPR總線宏是基于slice的。





實驗表明，發(fā)射機系統(tǒng)的一個部分重配置比特流的大小為269 KB，為全局比特流（1 415 KB）的19.0%，因而所需的用于存儲配置比特流的空間較小，配置速度相對較快，所需配置時間約為全局配置時間的19.0%。

3 FPGA組件在SCA中的集成

根據(jù)參考文獻[4]的內(nèi)容，可加載到軟件無線電平臺上的波形組件分為運行于通用處理器上的SCA組件和運行于專用硬件處理器(SHP)上的組件。FPGA組件屬于SHP組件中的RPL（寄存器傳輸級可編程邏輯）組件，用HDL語言實現(xiàn)功能，但不支持CORBA。為使該類型的組件能夠集成到SCA系統(tǒng)中，必須在設計時使其接口滿足特定的規(guī)范，使之具有可移植性和可復用性。本文中FPGA組件按照OCP協(xié)議進行接口封裝。參考文獻[5]介紹了關于整個OCP協(xié)議的接口設置、工作原理和時序邏輯。

3.1 FPGA組件的代碼生成

由于波形應用是由波形組件和域描述文件組成的，波形組件完成相應的功能，域描述文件提供組件之間的裝配、連接、屬性等信息，因此需要通過解析軟件組件描述（SCD）文件和接口定義來獲得OCP接口。SCD文件中定義了組件的端口列表，OCP模塊就是要實現(xiàn)的組件。在接口庫中已經(jīng)定義好了各種接口類型。通過查詢接口庫，可以獲得符合要求的接口，具體要實現(xiàn)的功能則由接口的參數(shù)決定。最終需要產(chǎn)生一個OCP接口配置文件，它以文本的形式描述了組件的內(nèi)核和接口信息。

通過分析OCP接口配置文件，可以生成OCP接口的VHDL代碼。代碼中包括一個實體描述和空結構體以及一個VHDL語言包，實體表示滿足OCP接口封裝的組件，OCP接口則對應于實體的端口，端口的類型由其所在接口的類型決定。組件開發(fā)者將完成特定需求功能的代碼移入空的結構體中，便得到組件的完整的VHDL代碼。

3.2 FPGA組件在SCA中的集成

SCA組件都需要通過CORBA進行通信，而FPGA組件不使用CORBA，它的實現(xiàn)可分為實現(xiàn)體(worker)和通用代理(generic proxy)兩部分。其中worker是在SHP容器中執(zhí)行的功能組件實體；generic proxy相當于SCA中的適配器。

通用代理是SCA適配器概念的實例化，是由SHP邏輯設備的每一個“執(zhí)行”操作創(chuàng)建的CORBA對象，類似于應用工廠在每一次“創(chuàng)建”操作時創(chuàng)建CF∷Application對象以及域管理器在每一次“安裝”操作時創(chuàng)建應用工廠。當要求SHP邏輯設備實例化SHP組件時，通過使用load、execute命令創(chuàng)建代表SHP容器中實體的本地CORBA對象。它可以與SHP容器通信，用于下載、創(chuàng)建、控制和配置worker。相對于GPP邏輯設備的執(zhí)行操作會產(chǎn)生一個GPP組件實現(xiàn)本身所對應的CORBA對象索引，SHP邏輯設備的執(zhí)行操作會產(chǎn)生相應的通用代理的CORBA對象索引。

本文基于FPGA主要實現(xiàn)了動態(tài)部分可重構實驗平臺，并將其應用到SDR硬件平臺調制解調算法實現(xiàn)中，提高了系統(tǒng)的靈活性和可擴展性。同時討論了FPGA組件集成到SCA中的設計方法以及相關的技術，從而能夠縮短系統(tǒng)的開發(fā)設計時間，增強組件的可移植性、可復用性和重新被設計的能力。