（信号与信息处理专业论文）wimax基带处理板的dsp子系统的设计与实现.pdf

分类号 密级 udc 1注 学 位 论 文 wimax 基带处理板的 dsp 子系统的设计与实现 (题名和副题名) 韩艳芬 (作者姓名) 指导教师姓名 吴援明 教授 电子科技大学 成 都 (职务、职称、学位、单位名称及地址) 申请专业学位级别 硕士 专业名称 信号与信息处理 论文提交日期 2009.3 论文答辩日期 2009.5 学位授予单位和日期 电子科技大学 答辩委员会主席 评阅人 2009 年 月 日 注 1：注明国际十进分类法 udc的类号。 独独 创创 性性 声声 明明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的 说明并表示谢意。 签名：签名： 日期：日期： 年年 月月 日日 关于论文使用授权的说明关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘， 允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全 部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。 (保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：签名： 导师签名：导师签名： 日期：日期： 年年 月月 日日 摘要 i 摘 要 全球微波接入互操作性 wimax(world interoperability for microwave access) 是基于 ieee802.16 标准的无线城域网接入技术， 实际应用中基本上能覆盖到城郊。 wimax 不但可以作为有线网络接入的无线扩展实现边远地区的网络连接，而且 还可以实现无线城域网的接入。宏基站就是 wimax 无线城域网的应用之一。 论文研究来源于中兴通讯有限公司 wimax 宏基站项目，该项目根据 802.16e 标准开发宏基站，为用户提供高速稳定的通信服务。论文工作是关于基站收发信 机中的基带处理板。基带处理板作为基站收发信机中的基带处理模块，它的主要 功能是完成整个 802.16e 的物理层算法处理。 目前 802.16e 物理层协议需要对收发信息进行编解码、调制解调等处理，其中 包含很多运算密集的数字信号处理技术。由于其协议本身还在不断的完善之中同 时市场上也没有专门的套片解决方案，或专用的 asic 芯片。考虑到以上处理有些 适合硬件逻辑实现，有些适合数字信号处理器实现，所以单板物理层处理模块需 要采用 fpgasdsps 的实现方案。此方案中采用四片 dsp 和两个 fpga，其中一 片 dsp 作为主控，其他三片 dsp 和 fpga 作为算法处理。本文的重要工作包括以 下几个方面： (1)基带处理单板的 dsp 子系统的硬件的设计与实现：硬件设计上采用最新技 术rapid io， 实现了整个 dsp 子系统的速率为 3.125gbps 的高速数据转发， 网 口速率达到千兆的设计。 (2)软件设计上，主控 dsp 支持二次 bootloader 的升级与回退，支持加载算法 dsp 和 fpga 的版本，支持对其他算法 dsp 和 fpga 运行情况的监视，节省了生 产成本，提高了系统的稳定性。 (3) 针对网口和 srio 接口硬件设计上的需求，分别对网口和 srio 接口做了 详细的软件设计与实现。 (4)在算法 dsp 方面不仅实现了算法处理，还考虑了几个比较重要的出错信息 上报，支持出错自修复机制，主要讨论了交织器算法 ctc。 最后对 dsp 子系统进行单元测试和系统测试，结果表明子系统中的子模块和 整个子系统都达到了任务要求的功能。 关键词：关键词：wimax，控制模块，数字信号处理器，rapid io，bootloader abstract ii abstract world interoperability for microwave access (wimax) is a kind of wireless metropolitan area network access technology based on the ieee802.16 standard, its practical applications to the suburbs has basically been able to cover. wimax as a wired network can not only expand wireless access to achieve network connectivity in remote areas, but also access the wireless metropolitan area network. wimax acer station is one of the wireless metropolitan area network applications. a research paper is from zte wimax acer limited station project, which developed under the 802.16e standard acer stations, to provide users with stable high-speed communications services. thesis is about the baseband processor board in the base transceiver stations. baseband processor board as a baseband processor module of the base station transceiver, its main function is to complete the 802.16e physical layer processing algorithms. current 802.16e physical layer protocol needs to code and decode, modulateand demodulate the transceiver information, which includes a lot of compute-intensive digital signal processing technology. because the agreement is growing perfection when the market there is no specialized chip set solution, or a dedicated asic chip. taking into account the above logic is deal with some of the hardware for the realization, some are suitable for the realization of digital signal processors, the single physical layer processing module fpgas + dsps is needed for the realization of the program. 4 dsps and 2 fpgas are used in this program, a dsp as a master of them, three other dsp and fpga for algorithm processing. the important works of this paper are as follows: (1) hardware design and implementation of the dsp subsystem of baseband processor board: the latest technology - rapid io is used, 3.125gbps rate of high-speed of the entire dsp subsystem is realized, and the gigabit network is designed. (2) software design, the master dsp supports the upgrading and back of secondary bootloader; supports the loading algorithm of the dsp and the fpga version, supports surveillance operation for other dsp and fpga algorithm, saving the production cost abstract iii and improve the system stability. (3) for the srio and network interface hardware design requirements, the network interface port and srio are namely designed and realizated in detail. (4) to algorithm dsp, not only the algorithms are realized, but also a few of the erro control modules which are message reported in support of self-repair mechanisms error are considered. interleaver algorithm ctc is discussed. finally, dsp sub-system unit and system are tested; results showed that the sub-subsystem module and the entire sub-system tasks have reached the required functionality. keyowrds: wimax; control modules, digital signal processor, rapid io, bootloader 目录 iv 目 录 第一章第一章 引言引言 . 1 1.1 wimax 国内外研究现状以及研究意义 . 2 1.2 论文的内容安排和目标 . 7 第二章第二章 wimax btswimax bts 系系统框架和基带处理模块原理统框架和基带处理模块原理 . 8 2.1 wimax bts 系统框架介绍 . 8 2.2 基带处理模块原理 . 10 2.3 基带系统的流程管理 . 12 2.4 本章小结 . 15 第三章第三章 基带处理板基带处理板 dspdsp 子系统的总体设计子系统的总体设计 . 17 3.1 系统的设计原理 . 17 3.2 复用性的设计原理 . 18 3.2.1 硬件复用性 . 18 3.2.2 软件复用性 . 18 3.3 系统硬件架构 . 19 3.3.1 系统方案说明 . 19 3.3.2 控制流描述 . 19 3.3.3 数据流描述 . 21 3.4 系统软件架构 . 23 3.4.1 主控 dsp 的软件架构 . 24 3.4.2 基带处理分析 . 25 3.4.3 基带软件处理的可靠性设计 . 25 3.5 本章小结 . 26 第四章第四章 基带处理板基带处理板 dspdsp 子系统软件设计与实现子系统软件设计与实现 . 28 目录 v 4.1. 主控 dsp 的 bootloader 的设计与实现 . 28 4.2 二次 bootloader 的升级与回退设计 . 30 4.2.1 硬件连接设计 . 30 4.2.2 epld 的逻辑流程 . 31 4.2.3 软件流程 . 32 4.2.4 boot 版本的生成 . 33 4.3 版本下载 tftp 机制 . 34 4.3.1 tftp 帧格式 . 34 4.3.2 版本下载流程 . 36 4.4 主控 dsp 正式版本的设计与实现 . 37 4.4.1 算法 dsp 版本的加载 . 38 4.4.2 fpga 版本的加载 . 39 4.4.3 控制模块的实现 . 40 4.4.4 emac 消息收发模式设计与实现 . 44 4.4.5 srio 模块的设计与实现 . 51 4.5 算法 dsp 的设计与实现 . 56 4.5.1 初始化 . 57 4.5.2 中断处理流程 . 57 4.5.3 ctc 交织器算法 . 59 4.6 本章小结 . 62 第五章第五章 测试与验证测试与验证 . 63 5.1 单元测试 . 63 5.1.1 硬件配置 . 63 5.1.2 软件配置 . 63 5.1.3 测试目标和测试设计 . 63 5.1.4 具体测试过程 . 64 5.2 集成测试 . 69 5.2.1 硬件配置 . 69 5.2.2 软件配置 . 69 目录 vi 5.2.3 测试目标和测试设计 . 70 5.2.4 具体测试过程 . 70 5.3 遇到的问题与解决方法 . 71 5.4 本章小结 . 72 第六章第六章 总结与展望总结与展望 . 73 致致 谢谢 . 75 参考文献参考文献 . 76 附录附录 a a 重要名字缩写重要名字缩写 . 79 作者攻硕期间取得的研究成果作者攻硕期间取得的研究成果 . 80 第一章 引言 1 第一章 引言 随着社会信息化的不断推进及通信技术快速发展，用户对信息业务的需求日 益丰富，以互联网业务为代表的宽带多媒体数据业务正成为网络业务发展的主流， 宽带用户的数量在全球呈现出非常强势的增长态势。因此，构建宽带化、全业务、 智能化的现代通信网络已成为大势所趋。而通信网络的宽带化不仅需要拓展广域 网、城域干线网的带宽，而且也要解决好接入网的带宽问题。目前随着光通讯技 术的逐渐成熟，光纤网络的大量应用，广域和城域干线网的建设发展呈现出良好 的趋势并颇具规模。而接入网作为网络建设的投资重点，传统的接入方式已成为 新一代网络建设的瓶颈。近年来也出现了光纤接入、xdsl、以太网接入和无线接 入等新兴接入技术来解决宽带网络的最后一公里问题。 在众多的宽带接入技术中，无线宽带接入技术成为近年来通信技术市场的最 大亮点，是构成未来通信技术的重要组成部分。无线通信技术满足了用户对在不 同移动状态下获取网络信息的强烈需求，也符合当今社会人员流动性大、工作生 活节奏紧张的发展趋势。另一方面，无线通信技术具有网络部署迅速便捷的特点， 对于缺乏线缆资源的新兴运营商来说，无线通信技术是成功部署通信网络，迅速 为用户提供语音和数据服务的最佳手段。 表 1-1 几种无线接入网技术 传输速率 (mbps) 传输距离 起始时间 wpan irda 4 1m 1993 blue tooth 1 10m 1998 uwb 110 10m 2003 wlan 802.11b 11 100m 1999 802.11g clp 应用任务-hdlc 驱动任务)-射频板。该消息为只做传输 不做处理的消息，无重传保护定时器。 定标流程： ev_r_p_calibratestart/ack：射频板的 rcp 进程向 dsp a 发送定标启动请 求消息， dsp a 将该消息转发给算法 dsp b； dsp b 启动手动定标功能后响应该消 息给 dsp a，dsp a 收到响应消息后转发给射频板的 rcp 进程。该消息为透传消 息，无重传保护定时器。 ev_r_p_calibrateparamadjust/ack：射频板的 rcp 进程向 dsp a 发送定标 调整请求消息， dsp a 将该消息转发给算法 dsp b； dsp b 调整定标参数后响应该 消息给 dsp a，dsp a 收到响应消息后转发给射频板的 rcp 进程。该消息为透传 消息，无重传保护定时器。 ev_r_p_calibratestop/ack：射频板的 rcp 进程向 dsp a 发送定标停止请 求消息， dsp a 将该消息转发给算法 dsp b； dsp b 停止手动定标功能后响应该消 息给 dsp a，dsp a 收到响应消息后转发给射频板的 rcp 进程。该消息为透传消 息，无重传保护定时器。 状态周期维护： ev_t_period_report，ev_t_check_fpgasriostat，ev_r_d_ping dsp，ev_r_d_pingdspack：基带处理单板正常运行状态下需要周期检测 dspa、 fpga、srio 接口，算法 dsp b/c/d 运行状态。ev_t_period_report 由定时 器事件驱动，检测 dsp a 是否进入死循环；ev_t_check_fpgasriostat 由定 时器事件驱动，检测 fpga 及 srio 接口运行状态同时向算法 dsp b/c/d 发 ev_r_d_pingdsp 消息 ping 算法 dsp b/c/d，如果 fpga 或 srio 接口运行异常， 电子科技大学硕士学位论文 44 需 要 进 行 相 应 得 容 错 处 理 ； 算 法 dsp b/c/d 收 到 ping 消 息 后 响 应 ev_r_d_pingdspack，如果响应消息正常置标志位为 1、收到响应消息但是超时 置标志位为 2、超时没有收到响应消息置标志位为 0。 (5)s_waitrestart 单板重启状态。 ev_t_wait_restart ： 基 带 处 理 板 dspa 运 行 在s_startup / s_waitaddress/s_basepoweron/ s_run 状态下出现消息超时，重发超过门限，人机 复位命令，fpga 运行状态异常，srio 接口运行异常，算法 dsp 运行异常等严重 错 误 时 需 要 将 状 态 迁 移 到s_waitrestart ， 然 后 设 置 定 时 器 触 发 ev_t_wait_restart 消息。 s_startup/s_waitaddress/ s_basepoweron/ s_run 状态下的都有流程： 请求 mmc 点面板灯： ev_m_r_currunledstatusreq/ack ， ev_t_wait_runledstatusack： 当 scs 进程运行在不同的状态时需要通过 mmc 点面板不同模式下的亮灯模式。 mmc 请求点灯模式： ev_m_r_currunledstatusreq/ack：当 mmc 重启后需要向 dsp a 请求当 前的亮灯模式，dsp a scs 进程收到该消息后将私有数据区中保存的亮灯模式响 应给 mmc，mmc 亮相应得面板灯模式。 人机命令重启单板： ev_r_resetboard：人机命令，后台通过菜单 /右键/shell 命令发送 ev_r_resetboard 消息到基带处理单板，要求重启单板。 oam 任务主要用于完成版本查询，boot 更新以及诊断测试等功能。 pprt 任务主要用于告警上报功能。rru 配置的下发。 oam 和 pprt 任务也采用状态机实现，状态机分为 s_startup/s_waitaddress /s_run，至于具体实现在此限于篇幅限制，不再赘述。 系统任务内部采用状态机实现，系统任务间采用常用的信号量，邮箱，消息 来实现任务的资源共享。 4.4.4 emac 消息收发模式设计与实现 emac 接口模块(即 emac/mdio)实现 dsp 与外部设备之间通过以太网帧协 议进行消息交互。mac 帧格式与 tftp 下载版本的格式一致。如图 4-16 所示。 第四章 基带处理板 dsp 子系统软件设计与实现 45 datades macsrc mactpidtcitypefcs 链路层的帧头 6字节目的 mac 地址 6 字节源 mac 地址 4字节802.1q 帧头 帧类 型 46 1500 字节的数据 crc32 图 4-16 mac 帧格式 其中 802.1q 的帧头部分(tpidtci)如图 4-17 所示。 tpid(tag protocol identifier) tc