（通信与信息系统专业论文）gbps无线通信系统信号汇聚板的研究与实现.pdf

、r-1，d，!日。1； i 、，“qq，j 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的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。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学 或其他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了谢意。 。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名： 日期：j 埤监逊 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定， 即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校 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，允许学位论文被 查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、 缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此 规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在年解密后适用本授权书。非保密 论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名：童年刍望l 导师签名： 日期： 凌3 垂! 颦翌亟 日期：习鱼f 兰冉丝自 g b p s 无线通信系统信号汇聚板的研究与实现 摘要 随着个人移动通信的发展和用户需求量的增加，第四代移动通 信的发展已进入预研阶段。本文以国家8 6 3 计划重大项目“g b p s 无 线传输关键技术与试验系统研究开发为背景，设计基于a t c a 体 系架构的信号汇聚板。本设计在遵循a t c a 规范的基础上，采用了 内嵌高性能p o w e r p c 和r o c k e t l o 高速串行收发器的v i r t e x 5f x l 3 0 t 作为实现m a c 层功能信号汇聚板的处理芯片，并扩展了系统智能平 台管理和配置等辅助功能，满足了g b p s 系统高数据吞吐量、高实时 性和高扩展性的要求。本文将围绕g b p s 系统中信号汇聚板的研究和 硬件实现展开工作。 首先，本文概述了论文的研究背景；说明了论文的主要工作和 论文结构安排。 本文第二章首先对g b p s 系统通信架构和处理芯片需求进行了具 体分析。研究并分析了基于a t c a 架构的硬件平台实现方式，分析 比较多种常用的信号处理芯片，确定v i r t e x - 5f x l 3 0 t 作为信号汇聚 板处理器，满足了g b p s 系统对硬件平台、数据吞吐量等需求。最后， 在前期研究基础上，提出a t c a 信号汇聚板硬件实现具体目标。 本文第三章对a t c a 信号汇聚板的各个功能电路进行了研究和 设计，具体工作主要包括r o c k e t l o 电路设计、以太网电路设计、时 钟电路设计、配置及管理电路设计、子板接口设计、d d r i i 电路、 电源电路设计和复位电路设计。 本文第四章对a t c a 信号汇聚板的关键信号进行了信号完整性 仿真分析口分析了r o c k e t l o 电路、千兆以太网接口和高速时钟接口 的信号完整性，为上述信号汇聚板硬件实现中布局布线提出了指导 性原则，保证板子工作稳定可靠。 第五章对全文进行了总结，总结本文的研究工作及意义，并对 未来的工作方向提出了展望。 关键词i m t - a d v a n c e d r o c k e t i o g b p s p o w e r p c l 虹c 入 信号完整性 誊m嚣簪0x。 r e s e a r c ha n di m p l e m e n t 棚o no nt h es i g n a l c o n v e r g eb o a r dl ng b p sw i r e l e s s c o m m u n i c 棚o ns y s t e m w i t ht h ed e v e l o p m e n to fp e r s o n a lm o b i l ec o m m u n i c a t i o n sa n dt h e g r o w t h o fc o m m u n i c a t i o nd e m a n d ，t h e f o u r t h g e n e r a t i o n m o b i l e c o m m u n i c a t i o ns y s t e md e v e l o p m e n th a se n t e r e dp h a s eo ft e c h n i c p r e - r e s e a r c h n i s t h e s i s d e s i g n ss i g n a lc o n v e r g e b o a r db a s e do n a d v a n c e dt e l e c o m m u n i c a t i o n c o m p u t i n ga r c h i t e c t u r e ( a t c a ) ， s u p p o r t e db yt h en a t i o n a l “8 6 3 h i t e c hp r o g r a mp r o j e c t “r e s a r c ha n d d e v e l o p m e n to ng b p st r a n s m i s s i o nk e yt e c h n i q u e sa n dd e m os y s t e m ” b a s e do na t c as p e c i f i c a t i o n t h et h e s i sa d o p t sv i r t e x - 5 1 3 0 tw i t h 6 5 g b p s r o c k e t l og t xt r a n s c e i v e r sa n de m b e d d e dp o w e r p c 4 4 0 p r o c e s s o r c o r e st oa c h i e v e s i g n a lc o n v e r g e b o a r du s e di nm a c f u n c t i o n sr e a l i z a t i o n ，a n df u l f i l l st h er e q u i r e m e n t sf o rh i g h - t h r o u g h p u t ， h i g hr e a l t i m ep e r f o r m a n c ea n dh i g hs c a l a b i l i t y n i st h e s i sf o c u s e so n t h er e s e a r c ha n di m p l e m e n t a t i o no ft h es i g n a lc o n v e r g eb o a r di ng b p s w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m c h a p t e r1o ft h i st h e s i sb r i e f l yi n t r o d u c e st h eo v e r v i e wo ft h ef o u r t h g e n e r a t i o nm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m sa sw e l la st h em a i nw o r ka n d s t r u c t u r e c h a p t e r2f i r s t l y m a k e ss o m e s p e c i f i ca n a l y s e s o nt h e g b p s c o m m u n i c a t i o na r c h i t e c t u r e ，t h eh a r d w a r ei m p l e m e n t a t i o ns c h e m e sb a s e d o n 衄c aa r c h i t e c t u r e ，s e v e r a lt y p e so fs i g n a l p r o c e s s o r s a n dt h e n ， v i r t e x 一5f k l 3 0 ti sc h o s e da st h ei d e a l s i g n a lp r o c e s s o rf o r t h e r e q u i r e m e n t s o fh a r d w a r e p l a t f o r m a n dd a t a t h r o u g h p u t i n g b p s c o m m u n i c a t i o ns y s t e m t h ef i n a lo ft h i sc h a p t e rp r o p o s e sh a r d w a r e i m p l e m e n t a t i o nt a r g e t so fa t c as i g n a lc o n v e r g eb o a r d c h a p t e r3r e s e a r c h sa n dd e s i g n ss o m ef u n c t i o n a lc i r c u i t so fa t c a s i g n a lc o n v e r g eb o a r d ，i n c l u d i n gr o c k e t l oc i r c u i t s ，g i g a b i te t h e r n e t c i r c u i t s ，c l o c kc i r c u i t s ，c o n f i g u r a t i o n s a n d m a n a g e m e n t sc i r c u i t s ， d a u g h t e r b o a r di n t e r f a c e ，d d r i ic i r c u i t ，p o w e ra n d r e s e tc i r c u i t s c h a p t e r4m a i n l ym a k e ss o m es i ( s i g n a li n t e g r i t y ) s i m u l a t i o n so n t h o s ek e ys i g n a l s ，i no r d e rt oa n a l y z et h es io fr o c k e t l oc i r c u i t ，g i g a b i t e t h e r n e tc i r c u i ta n dh i g h s p e e dc l o c ki n t e r f a c e ，b a s eo nt h o s ew o r k ，s o m e f e a s i b l er e c o m m e n d a t i o n so nl a r ( 1 a y o u ta n dr o u t i n g ) a r ep r o p o s e dt o g u a r a n t e et h ea t c as i g n a lc o n v e r g eb o a r dw o r k i n gs t a b l ya n dr e l i a b l y i nt h el a s tc h a p t e r , h e r es u m m a r i z e st h et h e s i sa n dt h er e s e a r c h s i g n i f i c a n c e ，f o l l o w e db yp r o p o s i n gf u t u r er e s e a r c hd i r e c t i o n s k e yw o r d s ：i m t a d v a n c e d r o c k e t l o 。 g b p s p o w e r p c 峨c 氏 s i 目录 第一章绪论1 1 1 论文选题1 1 1 1 论文研究背景和课题来源1 1 1 2 g b p s 无线通信系统研究2 1 1 3 论文的主要工作3 1 2 本论文结构安排。4 第二章 g b p s 无线通信系统信号汇聚板研究6 2 1 g b p s 无线通信系统需求分析6 2 2 信号汇聚板功能需求8 2 3 信号处理芯片选型研究8 2 4 平台架构选择和芯片选型1 0 2 4 1 通信平台架构研究。1 0 2 4 2v i r t e x 5f x l 3 0 t 概j 苤。1 4 2 4 3 采用v i r t e x 5f x l 3 0 t 的优势1 6 2 5g b p s 系统数据平面和控制平面设计1 6 2 5 1 数据平面设计1 6 2 5 2 控制平面设计1 7 2 6g b p s 系统a t c a 平台架构具体设计1 8 2 7g b p s 系统信号汇聚板工作原理1 9 2 8 信号汇聚板硬件实现需求分析。2 1 2 9 本章小结。2 2 第三章a t c a 信号汇聚板详细设计2 3 3 1r o c k e t l o 电路设计2 4 3 1 1r o c k e t l o 高速串行收发器概述。2 4 3 1 2 串行通信协议研究2 4 3 1 3r o c k e t l o 时钟设计2 5 3 1 4r o c k e t i o 收发器参考时钟分布2 6 3 2 千兆以太网电路设计2 6 3 2 1 千兆以太网研究2 6 3 2 2 千兆以太网电路设计2 7 3 3 时钟电路设计2 8 3 3 1 时钟分配网络设计2 8 3 3 2 时钟调整器选型研究。2 9 3 3 3 背板时钟设计3 0 3 3 4 高速差分时钟电路设计3 0 3 4 配置与管理电路设计3 2 3 4 1 系统管理电路设计3 2 3 4 2 配置电路设计3 4 3 5 承载子板接口设计。3 6 i v 3 5 1a m c 接口分配3 6 3 5 2a m c 子板热插拔设计3 6 3 5 3q s h 接口分配3 8 3 6d d r i i 电路设计。3 9 3 6 1d d r i i 选型研究3 9 3 6 2d d r i i 接口连接4 0 3 7 电源电路设计4 1 3 7 1电源网络设计4 2 3 7 2 电源模块研究4 2 3 7 3 具体电源设计。4 3 3 8 复位电路设计4 5 3 9 本章小结。4 6 第四章a t c a 信号汇聚板信号完整性分析4 7 4 1 信号完整性仿真概述4 7 4 1 1 信号完整性概念。4 7 4 1 2 信号完整性仿真必要性4 8 4 1 3 信号完整性仿真方法4 8 4 2r o c k e t l o 高速串行信号分析。4 9 4 2 1r o c k e t l o 串行信号完整性仿真。4 9 4 2 2r o c k e t l o 串行信号布局布线指导规则。5 1 4 3 高速差分时钟信号完整性分析5 2 4 3 1高速时钟信号完整性仿真。5 2 4 3 2 高速时钟信号布局布线指导规则5 5 4 4 千兆以太网口电路处理5 5 4 5a t c a 信号汇聚板实物图5 6 4 6 本章小结5 7 第五章总结与展望5 8 参考文献5 9 致谢6 1 作者攻读硕士学位期间发表的学术论文目录。6 2 v 移动通信在市场和技术的驱动下，经历了第一代模拟系统和第二代数字蜂 窝系统( 2 g ) ，现在正处于支持多媒体业务的第三代移动通信系统( 3 g ) ，其传 输速率比第二代移动通信系统快得多，但其仍无法满足以多媒体视频为代表的 数据业务需求的持续增长。未来移动通信已经逐步向具有更高传输速率的第四 代移动通信( 4 g ) 演进，以解决第三代移动通信系统尚不能达到的大容量、高 服务质量( q o s ) 、低成本、高速数据传输和高分辨率多媒体服务的需要。第四 代移动通信系统的预研工作越来越迫切，本文的主要工作是在这个大背景进行 的。 1 1 论文选题 1 1 1论文研究背景和课题来源 移动通信从上个世纪8 0 年代初开始商用，至今已有2 0 多年的时间。移动 通信系统的发展经历了第一代模拟系统和第二代数字蜂窝系统，目前正处于第 三代移动通信发展时期。但是，随着各种互联网应用的蓬勃发展，现有的3 g 网 络已经不能满足人们日益增长的需求。无线通信系统呈现出移动化、宽带化和 口化的发展趋势，在此形势下，国际电联( 1 t u ) 提出了更高的要求一一 i m t - a d v a n c e d ( 俗称4 g ) ，w i m a x 和l t e 则是目前移动通信向4 g 演进的主要 标准嘲。 删对i m t - a d v a n c e d 网技术提出的要求是：( 1 ) 在低速移动、热点覆盖场景 下1 g b p s 以上。( 2 ) 高速移动、广域覆盖场景下l o o m b p s 。目前w i m a x 和l t e 这两种标准都未达到i m t - a d v a n c e d 制定的这一目标，3 g p p 等各大标准组织都 在积极修订各自的标准，以符合r r u r ( 国际电联无线通信部门) 的建议。 w i m a x 是由i e e e 提出的宽带无线接入技术，得到英特尔、思科等r r 厂商 的支持。l t e 是3 g p p 提出的演进标准，它定义了l t e - f d d 和l t e - t d d 两种 方式。l t e f d d 受到了传统移动运营商的支持，中国移动则是l t e t d d 的主 要支持者。随着l t e 技术研究的深入，为了抢占技术制高点，国家越来越多重 视l t e 的研究，投入了大量的人力物力到下一代移动通信技术的研究当中。本 l 北京邮电大学硕士研究生学位论文 文就是在这种大背景下展开研究工作的。 2 0 0 6 年底，科技部启动“g b p s 无线传输关键技术与试验系统研究开发 国 家8 6 3 重大课题( 课题编号为2 0 0 6 a a 0 1 2 2 8 3 ) ，由北京邮电大学，清华大学和 东南大学参与，该项目旨在推动我国i m t - a d v a n c e d 系统研究与开发，突破基础 性的g b p s 无线通信硬件与软件关键技术，研制出无线数据传输能力达到1 g b p s 以上的试验验证系统，并进行相关试验和典型业务传输演示，为实现中国未来 无线通信产业的跨越式发展创造了条件，本文作者有幸参与这个重大项目，根 据作者在项目中负责的工作完成了本文，为方便起见，下文将项目中研究的通 信系统简称为“g b p s 无线通信系统或“g b p s 系统 。 1 1 2 g b p s 无线通信系统研究 g b p s 无线通信系统采用了多种先进的无线通信技术，如o f d m 、m i m o 、 l d p c ( 低密度校验码) 和空时编码等，提供高达1 g b p s 的峰值速率，以满足未 来对实时多媒体服务高带宽的需求。如图1 1 系统原理框图所示，g b p s 无线通 信系统广泛应用先进的通信技术，系统整体的算法复杂度和传输性能较第二阶 段 1 1 1 2 系统( 8 6 3 - - f u t u r e 计划第二阶段) 有一个数量级的增加，如何为系统 中诸多的处理、控制单元提供一种高效、高带宽、灵活的互连架构，成为g b p s 无线通信系统设计中必须面对的极具挑战性的难题。 图1 1 g b p s 无线通信系统原理框图 ( 1 ) 数字基带处理算法复杂度增大，要求有复杂单板互连平台 g b p s 无线通信系统中采用了m i m o 、o f d m 等无线通信技术。这些技术的 算法复杂度很高，需要进行大量的数学运算，从而增大了硬件实现的复杂度， 如图1 - 2 4 1 可知，随着移动通信技术的发展，理论算法的实现复杂度不断增加， 并且，算法复杂度的增长速度大于硬件的发展速度，他们之间的差距将越来越 明显。按照目前的可编程逻辑器件逻辑规模，很难在单个芯片或单个电路板的 2 北京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 条件下实现所有的算法，必然要求采用多芯片和多处理板复杂平台互联共同完 成。 幺虿g ，：霸1 z + 算法复杂度( 香农限)l尹 + 处理器性娩( 其尔定律) 加门，- 嬲 3 眨 一，缸2 2 0 0 0 ，乙 2 g 积 一一 9 0卅2 a 0 4 - ， 1 9 0 2 一 ，n 嘲 厂1 憎彳一- 函 j 翻 。二 绷一 lg p p 寸梦妒矿梦萨 图1 2 移动通信算法复杂度与硬件器件发展速度对比州 ( 2 ) 数据传输需要满足实时性和高吞吐率要求 g b p s 无线通信系统要求利用1 0 0 m h z 带宽实现1 g b p s 的实时数据传输，因 此，物理层基带处理要求处理节点间的数据传输有较高的实时性和吞吐率。如 果采用传统的共享型总线，随着基带处理节点数的增多，节点间交互数据量急 剧增大，必然对设备间传输实时性能造成影响。所以采用传统的共享型架构的 内连总线很难达到上述要求。因此需要设计新型的平台架构，实现连接在总线 上的设备间进行数据传输时有小的时延。 ( 3 ) 系统必须具备高扩展性和灵活性的特点 g b p s 无线通信系统系统作为i m t - a d v a n c e d 3 的预研演示系统，采用的基带 处理算法和链路层协议 1 l 2 l 还在不断的验证和完善之中。所以g b p s 无线通信系 统系统平台内连总线应该具备较高的可扩展性，使现在和今后不同的实现方案 可以在对硬件平台改动极小的情况下得以实现。从而不必再担心由于改动部分 实现方案而使系统的性能受到影响或降低原有系统平台的可用度。同时，设计 无线接入m i m o 系统出于设计灵活性的考虑要求整个系统的各个部分都尽可能 实现参数化，并可以进行参数的自适应调整和重新配置。 1 1 3论文的主要工作 本文是围绕实现g b p s 无线通信系统存在的挑战展开的，提出a t c a 架构 3 一 一 一 一 伽 伽 伯 o ， 北京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 作为通信平台架构，高性能v i r t c x 5f p g a 作为信号处理芯片，设计了用于实现 g b p s 无线通信系统m a c 层功能的a t c a 信号汇聚板，包括原理图设计、印刷 电路板设计，以及印刷电路板设计之前的信号完整性仿真，设计出具有可扩展 性、高数据吞吐率和实时性强的信号汇聚板。主要工作如下： ( 1 ) 结合g b p s 无线通信系统的项目需求以及面临的挑战，明确a t c a 信 号汇聚板在系统中的具体功能，研究分析多种通信硬件平台架构和各种信号处 理芯片，在此基础上，提出采用a t c a 架构的硬件实现方式以及选用v i r t c x 5 f x l 3 0 t 作为信号处理芯片来完成c b p s 系统中的信号汇聚板。 ( 2 ) 介绍a t c a 通信平台架构，以及本设计中采用的f p g a 的一些主要特 点，设计满足技术需求和a t c a 架构规范的信号汇聚板。 ( 3 ) 在前面研究的基础上，设计并实现g b p s 无线通信系统的a t c a 信号 汇聚板，这一部分的主要工作包括a t c a 信号汇聚板的硬件原理图设计以及印 刷电路板的布局布线。 ( 4 ) 对a t c a 信号汇聚板中一些关键信号进行信号完整性仿真，根据仿真 的结果提出一些行之有效的布局布线指导性规则，从而保证a t c a 信号汇聚板 满足设计需求，并且可靠的工作。最终实现g b p s 无线通信系统所需要的a t c a 信号汇聚板。 1 2 本论文结构安排 本论文以“g b p s 无线传输关键技术与试验系统研究开发项目为研究背景， 分析了系统中信号汇聚板功能的技术需求，研究和实现了g b p s 无线通信系统信 号汇聚板。工作内容包括g b p s 无线通信系统中数据流向分析、硬件体系架构选 择、芯片选型研究、a t c a 信号汇聚板详细设计、a t c a 信号汇聚板上面关键信 号的信号完整性仿真分析和调试验证工作。 本论文的结构安排如下： 第一章“绪论 ， 概述了本论文的课题背景；列举g b p s 无线通信系统实 现时面临的挑战；阐明了本论文所完成的工作和论文结构安排。 第二章“g b p s 无线通信系统信号汇聚板研究 ，基于对g b p s 无线通信系 统的需求分析和信号汇聚板的具体功能要求，选择a t c a 体系架构作为g b p s 系 统的硬件平台，采用内嵌高性能p o w c r p c 和r o c k c t i o 高速串行收发器的v i r t c x 5 f x l 3 0 t 作为实现信号汇聚板处理芯片；总结了g b p s 系统a t c a 信号汇聚板硬 件实现需求。 第三章“a t c a 信号汇聚板详细设计 ，本章采用总分结构对a t c a 信号 4 北京邮电大学硕士研究生学位论文 汇聚板的研究和实现进行了详细说明；首先提出系统架构总体概览，根据汇聚 板总体架构详细设计信号汇聚板各功能模块电路；说明了调试及验证的过程。 第四章“a t c a 信号汇聚板信号完整性分析一，针对a t c a 信号汇聚板上的 关键信号进行了理论仿真和实际测试，为信号汇聚板布局布线提供指导性规则。 第五章“总结与展望 ，对本文所作的工作做了总结，针对设计过程中存在 的不足，对后续工作做了展望。 北京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章g b 芦无线通信系统信号汇聚板研究 第二章g b p s 无线通信系统信号汇聚板研究 本章基于对g b p s 无线通信系统需求分析，包括平台架构需求分析和芯片处 理能力分析，结合信号汇聚板在系统中的具体功能，选择a t c a 体系架构作为 g b p s 无线通信系统的硬件平台，采用v i r t c x - 5f x l 3 0 t 作为信号汇聚板处理器。 详细介绍了g b p s 系统的数据平面和控制平面，最后，总结分析了g b p s 无线通 信系统信号汇聚板硬件设计的具体指标。 2 1g b p s 无线通信系统需求分析 g b p s 无线通信系统中，基站端( a p ) 和移动站端( m t ) 有很多单元的设 计是相似的，基站端由于处理算法和模块设计较为复杂，因此，在通信架构研 究这一部分中，本文将选取更有代表性的基站端收发系统的硬件架构进行分析。 g b p s 基站端系统硬件模块构成如图2 - 1 所示嘲。 r 。- - 。巴 一一一一一：一 北京部电大学硕士研究生学位论文第二章 c _ e o p s 无线通信系统信号汇聚板研究 构成，可以根据算法复杂度、速度要求等实际需要，增加或删减相应的模块数 目，也可以根据需要完成上行或下行链路性能验证，系统各功能模块通过模块 互联结构( 本文研究的重点之一) 实现互联和数据交互。基带处理模块中用于 发送处理的基带板完成编码、调制、空时发送处理、以及导频插入等，产生的 基带发送信号送到多天线发送模块，进行多载波信号合成以及数模转换，产生 多天线模拟基带信号，送到射频前端；多天线接收模块接收来自射频前端的多 天线模拟基带接收信号，进行模数转换、多载波分解以及载波和时间同步，产 生同步的接收基带信号，经多天线阵接收处理模块合并后送到基带处理模块中 用于接收处理那一部分基带板，完成信道估计、空时联合检测、解调与解码等， 重建发送的信息序列；m a c 处理模块用于完成m a c 层功能，这是本文的设计 重点。从上面的分析可以得出，g b p s 无线通信系统必须在以下5 个方面有特别 的要求。 ( 1 ) 数据传输带宽 从技术要求上讲，g b p s 无线通信系统物理层传输速率需要达到1 g b p s ，而 在系统内部模块之间的数据肯定要远远超过1 g b p s ，基带发送板、基带接收板与 多天线阵列之间的传输速率更高，在进行系统设计时需要为其预留较多的带宽。 根据设计，g b p s 系统各功能单板间每条接口链路的数据传输能力需要达到几个 g b p s 以上，选用的模块互联结构必须能够承载高速数据流，以满足系统各模块 间信息的交互及数据传输。 ( 2 ) 模块连接方式 g b p s 系统分为很多功能较为独立的处理模块，各模块间再通过高速互联模 块完成模块间的数据传输，互联通道较多，模块之间的连接如果过于复杂，不 仅影响开发的效率，而且还会在进行系统连调时造成很多不可预知的问题。因 此g b p s 系统选用的互联模块必须是一种配置灵活且便于扩展的互联架构，使各 模块之间的互联有稳定的高速数据传输功能的同时接口比较易于实现和联调。 ( 3 ) 系统耦合度 根据图1 - 1 和图2 - 1 的系统总体框架设计和模块分配，要求系统中各模块功 能相互独立，特别是模块之间的连结接口既要完成数据传输，又要易于实现与 联调。 ( 4 ) 系统可扩展性 g b p s 系统尚处于研究当中，整体的架构上还未完全定稿，系统的处理能力 需要具备扩展的功能，因此采用的平台架构必须具备较强的可扩展性。 ( 5 ) 时钟系统 对于g b p s 系统来说，。由于采用的是时分双工( t d d ) 方式诩，系统的同步 7 北京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章g b 芦无线通信系统信号汇聚板研究 是非常重要的，系统中各功能模块内部的关键时钟期望来自同一个时钟源，因 此所设计的架构需要提供较强的时钟同步功能。 2 2 信号汇聚板功能需求 信号汇聚板在系统中用于完成m a c 层功能，具体的工作有： ( 1 ) 负责汇聚基带处理模块发送过来的数据( 接收时) ； ( 2 ) 向基带发送模块分发m a c 层业务数据( 发送时) ； ( 3 ) 完成系统的业务控制与q o s ，并通过以太网接口与终端计算机和控 制平面交互信息。 为了有效的完成以上工作，完成的g b p s 系统信号汇聚板需要在传输带宽、 连接方式等方面满足一系列要求，必须具备多个高速通道方便与其他信号处理 板互联，还需要具备快速的m a c 层协议处理，最小的处理时延，提供千兆以太 网口用于业务演示和系统控制管理。 2 3 信号处理芯片选型研究 在研究了硬件平台架构需求之后，对信号处理芯片研究也迫在眉睫，g b p s 系统的目标速率提升带来算法复杂度和吞吐率的显著提升，再加上无线通信系 统的发展趋势是缩短传输时间间隔( t n ) ，这使得系统处理密度随之显著提高， 常用的信号处理芯片有d s p 、a s i c 、f p g a ，他们的特点如下 6 1 ： 1 、d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ，数字信号处理器) 是一种独特的微处理 器，有自己的完整指令系统，是以数字信号来处理大量信息的器件。d s p 采用 的是哈佛设计，即数据总线和地址总线分开，使程序和数据分别存储在两个分 开的空间，允许取指令和执行指令完全重叠。也就是说在执行上一条指令的同 时就可取出下一条指令，并进行译码，这大大的提高了微处理器的速度。它不 仅具有可编程性，而且其实时运行速度可达每秒数以千万条复杂指令程序，远 远超过通用微处理器，是数字化电子世界中日益重要的电脑芯片。它的强大数 据处理能力和高运行速度，是最值得称道的两大特色。由于它运算能力很强， 速度很快，体积很小，而且采用软件编程具有高度的灵活性，因此为从事各种 复杂的应用提供了一条有效途径。根据数字信号处理的要求，d s p 芯片主要特 点有：( 1 ) 在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法；( 2 ) 程序和数据空 间分开，可以同时访问指令和数据；( 3 ) 片内具有快速r a m ，通常可通过独立 的数据总线在两块中同时访问；( 4 ) 具有低开销或无开销循环及跳转的硬件支 r 北京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章伪芦无线通信系统信号汇聚板研究 持：( 5 ) 快速的中断处理和硬件i o 支持；( 6 ) 具有在单周期内操作的多个硬件 地址产生器；( 7 ) 可以并行执行多个操作；( 8 ) 支持流水线操作，使取指、译 码和执行等操作可以重叠执行。 2 、a s i c ( a p p l i c a t i o ns p e c i f i ci n t e g r a t e dc i r c u i t s ，专用集成电路) ，是指应 特定用户要求和特定电子系统的需要而设计、制造的集成电路。目前用c p l d ( 复杂可编程逻辑器件) 和f p g a ( 现场可编程逻辑阵列) 来进行a s i c 设计是 最为流行的方式之一，它们的共性是都具有用户现场可编程特性，都支持边界 扫描技术，但两者在集成度、速度以及编程方式上具有各自的特点。a s i c 的特 点是面向特定用户的需求，品种多、批量少，它作为集成电路技术与特定用户 的整机或系统技术紧密结合的产物，与通用集成电路相比具有体积更小、重量 更轻、功耗更低、可靠性提高、性能提高、保密性增强、成本降低等优点。 3 、f p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ，现场可编程逻辑阵列) ，它是在 p a l 、g a l 、p l d 等可编程器件的基础上进一步发展的产物，f p g a 采用了逻 辑单元阵列l c a ( l o g i cc e l la r r a y ) 这样一个新概念，内部包括可配置逻辑模 块c l b ( c o n f i g u r a b l el o g i cb l o c k ) 、输出输入模块i o b ( i n p u to u t p u tb l o c k ) 和内部连线( i n t e r c o n n e c t ) 三个部分。用户可对f p g a 内部的逻辑模块和i o 模 块重新配置，以实现用户的逻辑。 f p g a 可以用v h d l 或v e r i l o gh d l 来编程，灵活性强，由于能够进行编 程、除错、再编程和重复操作，因此可以充分地进行设计开发和验证。当电路 有少量改动时，更能显示出f p g a 的优势，其现场编程能力可以延长产品在市 场上的寿命，而这种能力可以用来进行系统升级或除错。 f p g a 目前的趋势是有代替前两者的可能，在f p g a 内部置入乘法器和d s p 块，就具有高速的d s p 处理能力。在f p g a 内置入硬核c p u 或软核c p u ( x i l i 弧 有p o w e r p c 硬核和m i c r o b l a z e 软核) 就可以成为既能实现数字逻辑又能适应嵌 入式开发的综合性器件，新型f p g a 可以用内部乘法器寄存器内存块构造软核， 例如构造a r m ，则可以实现a r m 的功能；若构造成d s p ，则可以实现d s p 的 功能。不过f p g a 的功耗较大，一般情况下构造a r m d s p 不如专用a r m d s p 方便，但是在高速信号处理时，采用并行结构，大大提高处理速度，甚至可以 超过目前最快的d s p ，可以大大的降低信号处理时延。 通过上面的分析比较，结合g b p s 通信系统算法复杂度和吞吐率需求，传统 的通用处理器，乃至当前最强性能的d s p 的处理能力都还不能满足g b p s 系统 的要求，从硬件和软件联合设计的角度来说，基于s o p c ( 可编程偏上系统) 架 构( 诸如内嵌p o w e r p c f f l 的f p g a 式的架构) 可以满足o b p s 系统m a c 层对于 9 北京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章g b p s 无线通信系统信号汇聚板研究 灵活性和高效性的需求，利用p o w e r p c 嵌入式处理器模块，可快速方便地实现 g b p s 系统中复杂的控制和通信协议处理。而且，作为预研阶段的技术，市场上 没有能够满足需求的a s i c a s s p 芯片，因此，f p g a 能成为主要的算法和协议 承载载体，具备能够提供高密度计算能力和高吞吐率数据通道优点，是g b p s 系 统信号处理理想选择。 2 4 平台架构选择和芯片选型 在上一节里面，主要分析g b p s 系统实现面临的平台架构挑战和处理芯片选 型研究，并提出了信号汇聚板具体功能需求，本节将具体介绍选用的架构和处 理芯片，架构选择中，还将对比其他平台架构，说明选用a t c a 体系架构作为 g b p s 系统的平台架构的优越性。 2 4 1通信平台架构研究 根据2 1 小节对g b p s 系统平台架构的需求分析，本小节研究对比了v m e 、 p c i 、c o m p a c t p c i 和a t c a 几种通信平台架构( 表2 一1 ) 。 表2 1 多种通信平台架构性能对比 v m 匮秘口 c n l a a l 哪 a l a 3 2 位3 3 m h z 的c p c i 总线 匏位的v m e 总线量大 6 4 位3 3 m h z 的p c i 总 最大传输速度为 匏m b 理论带竟为4 0 m b s , 线传输速度为2 e ； 可支持2 0 g b p s 半双工 传输带宽 m b s 呲3 3 m h z 的为盈融酎 或1 0 g b p s | 全双工传输 实际仅能达到每秒1 5 m位6 8 m h z 的p c i 总 式 刨s 左右的传输速度 线传输速度为5 3 3位m h z 时的蜂值速 m b i s度达5 2 8 m b s 总线是在特定的时问内只 p c i 总线在同一时捌只簟p c i 总线在同一时捌只托 连接方式 有一个蕞块占用囊据传 供一对设备完成传要供一对设备完成传，墨具有配置灵活且便于 求有一十仲裁机构( a r b i t e r隶有一个仲慧机构( a r b l l o扩展的总线架杓 总线 n 系统藕合度裔高较低低 扩展性低低较高高 同步传输 时钟系统无时钟系统具有时钟系统有完备时钟接口 具有时钟系统 熟撒v m e 6 4 支持支持支持支持 采用a t c a 架构主要的劣势有 ( 1 ) 不适用于配制大容量系统( 既多个a t c a 机箱和机架) ( 2 ) 通信行业分工越来越专业化和多元化，a t c a 的规范限制了系统组件( 软 l o 北京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章g b 芦无线通信系统信号汇聚板研究 件或中间件等) 的多样性。 ( 3 ) 不适合大容量的核心交换和路由设备 虽然a t c a 架构存在一些劣势，但