System software design of 5G communication signal simulator

孫昊
（中國電子科技集團(tuán)公司第41研究所研發(fā)一部，安徽 蚌埠 233010）

       摘要：5G通信信號(hào)模擬器是5G關(guān)鍵技術(shù)、關(guān)鍵核心器件和5G基站研發(fā)/生產(chǎn)必備的測試驗(yàn)證平臺(tái)，而整機(jī)系統(tǒng)軟件是其核心組成部分。本文從實(shí)際出發(fā)，對5G通信信號(hào)模擬器系統(tǒng)軟件進(jìn)行了建模，并介紹了一種整機(jī)系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)方法，從而實(shí)現(xiàn)了對5G通信信號(hào)模擬器軟件設(shè)計(jì)技術(shù)的支撐。
       關(guān)鍵詞：5G；信號(hào)模擬器；系統(tǒng)軟件

　　0 引言

       軟件技術(shù)在測試系統(tǒng)中起著越來越重要的作用，測試系統(tǒng)已經(jīng)成為以通用硬件為基礎(chǔ)、以測試軟件為核心的集成系統(tǒng)?！败浖褪莾x器”的思想改變了傳統(tǒng)測量儀器的觀念，許多過去在傳統(tǒng)儀器由硬件完成的功能，可以由軟件來實(shí)現(xiàn)。在測試軟件發(fā)展過程中，初期人們是通過測試編程語言來編寫儀器測試程序的。測試軟件開發(fā)人員不僅要了解測試系統(tǒng)中的接口標(biāo)準(zhǔn)、通信規(guī)范，熟悉儀器的各種程控代碼，還必須掌握測試編程語言的編程方法。測試軟件應(yīng)具有開放性、可重用性、可擴(kuò)展性。隨著測試儀器種類的不斷增加以及測試任務(wù)的日益復(fù)雜，使得測試軟件的標(biāo)準(zhǔn)化成為發(fā)展的必然趨勢。
　　1 軟件架構(gòu)建模

       1.1 基于SCPI命令的可互換虛擬儀器驅(qū)動(dòng)器模型標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)

       可編程儀器標(biāo)準(zhǔn)命令SCPI（）是為解決可程控儀器編程標(biāo)準(zhǔn)化，1990年儀器制造商國際協(xié)會(huì)在標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)充，而制定出的一個(gè)重要的程控儀器軟件標(biāo)準(zhǔn)。SCPI全面定義了標(biāo)準(zhǔn)化的儀器程控消息、響應(yīng)消息以及數(shù)據(jù)和狀態(tài)的報(bào)告結(jié)構(gòu)?；驹瓌t是使測試軟件編程是面向測試功能而不是面向儀器，相同的命令控制相同的測試功能，而不是相同的儀器。SCPI標(biāo)準(zhǔn)大大提高了儀器的互換性。SCPI提出了三種形式的相容性，即縱向相容性、橫向相容性和功能相容性。
　　本方案中，多模塊間集成的軟件結(jié)構(gòu)如`下圖所示，通過調(diào)用統(tǒng)一、通用的SCPI庫函數(shù)，并配置相應(yīng)的參數(shù)，就可以控制各種不同接口的模塊。當(dāng)測試任務(wù)發(fā)生變化，需要更換其它儀器時(shí)，只需更新儀器驅(qū)動(dòng)程序，并相應(yīng)調(diào)整SCPI函數(shù)的參數(shù)，而無需修改應(yīng)用程序的代碼。
　　1.2 總線仲裁及同步

       由于總線上連接著多個(gè)模塊時(shí)，何時(shí)由哪個(gè)部件發(fā)送信息，如何定時(shí)，如何防止信息丟失，如何避免多個(gè)設(shè)備儀器同時(shí)發(fā)送，如何規(guī)定發(fā)射部件等一系列問題都需要總線控制器統(tǒng)一管理，主要包括總線的判優(yōu)控制（仲裁邏輯）和通信控制。

　　在方案中，被測對象為多模多頻通信終端，這種龐大復(fù)雜多樣的測試需求,使得基于任何一種總線技術(shù)構(gòu)成的自動(dòng)測試系統(tǒng)都不能覆蓋整個(gè)測試對象。因此我們需要重點(diǎn)研究總線仲裁及各總線間的觸發(fā)及同步技術(shù)。
　　1.3 集中仲裁方式

       集中式的仲裁方式主要分為鏈?zhǔn)讲樵?、?jì)數(shù)器定時(shí)查詢和獨(dú)立請求等三種方式。
　　鏈?zhǔn)讲樵冎府?dāng)一個(gè)或多個(gè)設(shè)備同時(shí)發(fā)出總線使用請求信號(hào)時(shí)，中央仲裁器發(fā)出的總線授權(quán)信號(hào)沿著菊花鏈串行的從一個(gè)設(shè)備依次傳送到下一個(gè)設(shè)備直至查詢到發(fā)出請求信號(hào)的設(shè)備儀器。
　　計(jì)數(shù)器定時(shí)查詢是指總線上各設(shè)備通過總線請求信號(hào)發(fā)出請求，中央仲裁器發(fā)射到請求信號(hào)后，在總線空閑情況下，通過計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)來判別設(shè)備地址，從而使該設(shè)備獲得總線使用權(quán)的一種方式。
　　獨(dú)立請求方式是指每個(gè)連接到總線的設(shè)備都有一組單獨(dú)的總線請求信號(hào)與總線授權(quán)信號(hào)。每個(gè)設(shè)備請求使用總線時(shí)，它們各自發(fā)出自己的總線請求信號(hào)。中央仲裁器中設(shè)置了一個(gè)專門的排隊(duì)電路，由它根據(jù)一定的優(yōu)先次序決定優(yōu)先響應(yīng)哪個(gè)設(shè)備的請求，然后給該設(shè)備總線授權(quán)信號(hào)。
　　2 總線間同步機(jī)制

       總線間同步機(jī)制的精度，直接影響到多模塊間協(xié)同功能的實(shí)現(xiàn)。在本方案中采用基于信號(hào)觸發(fā)的消息同步機(jī)制，是通過總線傳送含有觸發(fā)信息的消息包，被觸發(fā)設(shè)備通過對消息包解析，來判斷是否進(jìn)行觸發(fā)。從本質(zhì)來講這種機(jī)遇消息包觸發(fā)的同步機(jī)制是通過總線來傳送電信號(hào)。被觸發(fā)的設(shè)備在接到這個(gè)信號(hào)后，進(jìn)行預(yù)先定義好的動(dòng)作。同時(shí)在這些信息包中還包括機(jī)遇系統(tǒng)同步時(shí)鐘的時(shí)間戳信息。這種基于消息包觸發(fā)的同步精度可以達(dá)到毫秒級。
　　3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)方案

       5G通信信號(hào)模擬器硬件構(gòu)成時(shí)分復(fù)雜，為了能夠有效協(xié)調(diào)整機(jī)中各個(gè)模塊正常工作，一個(gè)架構(gòu)清晰、分工合理的軟件總體方案設(shè)計(jì)尤為必要，它是其它具體軟件功能實(shí)現(xiàn)的前提。儀表軟件總體方案如下圖所示。
　　由圖中可看出，軟件總體設(shè)計(jì)方案的思想是，按照信令、數(shù)據(jù)、參數(shù)的控制流程，把系統(tǒng)軟件分成以下幾個(gè)主要部分：多模物理層處理模塊、模塊、核心控制模塊以及腳本處理模塊等。幾大模塊之間通過預(yù)定義的消息接口傳遞命令與參數(shù)，共同協(xié)調(diào)性實(shí)現(xiàn)信令、數(shù)據(jù)的最佳運(yùn)轉(zhuǎn)。
　　系統(tǒng)主控軟件負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的控制以及人機(jī)接口處理，因此是主控軟件整個(gè)平臺(tái)的控制核心。主控軟件包括人機(jī)接口、資源管理、測試程序維護(hù)、測試系統(tǒng)校準(zhǔn)、測試任務(wù)執(zhí)行、數(shù)據(jù)分析處理、用戶權(quán)限管理、操作平臺(tái)維護(hù)、操作員向?qū)У忍幚韱卧?，并參加部分?jǐn)?shù)字信號(hào)處理內(nèi)容。因此，對硬件平臺(tái)要求很高，本項(xiàng)目將采用高性能工業(yè)控制板+多片F(xiàn)PGA+DSP設(shè)計(jì)方案；從軟件角度，將采用多線程配合處理方式，解決復(fù)雜的、高效的系統(tǒng)控制及人機(jī)接口處理問題，從而滿足本項(xiàng)目產(chǎn)品5G通信信號(hào)模擬器的系統(tǒng)需求。
　　工業(yè)控制板將選擇高性能工控機(jī)，采用德國控創(chuàng)公司的XXX系列工控機(jī)，該工控機(jī)具有高性能處理器及較佳的功耗。同時(shí)，該模塊內(nèi)部具有可訂制特性，可節(jié)約接口電路的尺寸和功耗。DSP將采用TI公司的高性能定點(diǎn)DSP TMSXXX，它非常適合進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸、存儲(chǔ)和處理。主要的技術(shù)指標(biāo)和特性如下：(1)片內(nèi)包含4個(gè)1.2 GHz定點(diǎn)DSP內(nèi)核和1個(gè)1.2微處理器(2)雙通道PCIe GEN2接口(3)速度達(dá)1333 MHz的64位DDR3接口并行存儲(chǔ)接口(5)4通道RapidIO接口，可實(shí)現(xiàn)高速串行通道互連以太網(wǎng)接口FPGA將選用Virtex-7系列VX平臺(tái)的XC7XXX與DSP構(gòu)建一個(gè)高性能的、高處理速度數(shù)據(jù)處理平臺(tái)。該FPGA具有對高性能邏輯應(yīng)用、高性能信號(hào)處理和高速串行連接功能優(yōu)化功能。主要的技術(shù)指標(biāo)和特性如下：系統(tǒng)時(shí)鐘個(gè)個(gè)IO引腳資源個(gè)專用(6)4路PCIe-GEN3接口核電壓個(gè)13.1 Gb/s GTH收發(fā)器(9)支持10/100/1000 Mb/s 以太網(wǎng)接口整機(jī)軟件將采用分層設(shè)計(jì)的思想，多組件并行處理，采用開放式平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)多制式多模測試。軟件總體包括主控軟件、DSP軟件以及開發(fā)調(diào)試應(yīng)用軟件平臺(tái)。
　　主控軟件是平臺(tái)軟件的重點(diǎn)，工作量也最大，操作系統(tǒng)采用Windows嵌入式操作系統(tǒng)，根據(jù)硬件的設(shè)計(jì)，充分利用硬件資源，定制符合本儀器的操作系統(tǒng)平臺(tái)，它具有可靠性高、占用資源小的優(yōu)點(diǎn)。主開發(fā)軟件采用微軟的標(biāo)準(zhǔn)Visual studio軟件開發(fā)平臺(tái)設(shè)計(jì)，為了便于軟件的編程與維護(hù)，采用符合Windows程序設(shè)計(jì)的軟件規(guī)范來設(shè)計(jì)。它主要完成整機(jī)資源管理、程序維護(hù)、系統(tǒng)校準(zhǔn)、單元任務(wù)執(zhí)行、數(shù)據(jù)分析處理、用戶權(quán)限管理、操作平臺(tái)維護(hù)、操作員向?qū)У绕渌δ埽驁D如圖3所示。
　　DSP開發(fā)軟件采用TI公司的DSP開發(fā)工具軟件，它提供了強(qiáng)大的信號(hào)處理軟件包。
　　在設(shè)計(jì)開發(fā)過程中，將應(yīng)用大規(guī)模FPGA（現(xiàn)場可編程門陣列），如跳頻圖案產(chǎn)生、IQ基帶信號(hào)處理、實(shí)時(shí)頻譜分析、實(shí)時(shí)基帶信號(hào)處理、數(shù)字化合成本振掃描等，選擇Xilinx公司Spartan6系列FPGA作為低端應(yīng)用（速度要求不高，容量需求不大），如數(shù)字接口控制電路等；選擇Vritex7系列作高端應(yīng)用（高速、大容量），如數(shù)字中頻處理等。因此FPGA開發(fā)軟件采用Xilinx公司的Vivado 2015.2 和ISE 12.4開發(fā)平臺(tái)，它是對Xilinx的FPGA專用開發(fā)工具，該軟件集成大量IP內(nèi)核庫，如通用邏輯單元、RapidIO接口等，對設(shè)計(jì)過程有很大的幫助。其它，在設(shè)計(jì)過程中，還將應(yīng)用許多其它的仿真、CAD軟件，對局部單元進(jìn)行設(shè)計(jì)，如用于數(shù)字信號(hào)處理仿真的MATLAB軟件、用于高頻電路設(shè)計(jì)仿真的、用于射頻電路仿真的HP ADS軟件等。

　　4 結(jié)論

       5G通信信號(hào)模擬器是5G關(guān)鍵技術(shù)、關(guān)鍵核心器件和5G基站研發(fā)/生產(chǎn)必備的測試驗(yàn)證平臺(tái)，而整機(jī)系統(tǒng)軟件是其核心組成部分。本文介紹了一種5G通信信號(hào)模擬器系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)方法，可實(shí)現(xiàn)對5G通信信號(hào)模擬器的軟件設(shè)計(jì)的技術(shù)支撐。

       參考文獻(xiàn)
[1] 薛曉男，李增紅.200 MHz寬帶基帶信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).國外電子測量技術(shù).2017，36（10）：69-72.
[2] 李海虎，張超.基于FPGA的GHz寬帶中頻數(shù)字采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì).國外電子測量技術(shù).2016，35（4）：55-63.
[3] Greg Jue，Sangkyo Shin.靈活的5G波形及超寬帶信號(hào)生成和分析測試系統(tǒng).國外電子測量技術(shù).2015，34（6）：16-21.
[4] Frank-Werner Thummler.使用矢量信號(hào)發(fā)生器測試尖端通信技術(shù)：性能與功能.國外電子測量技術(shù)：.2015，34（5）：9-11.
[5] 何鵬，劉一清.基于Spartan-6 FPGA的DDR3布線分析和測試[J].電子測量技術(shù)，2014，37（6）：89-92.
[6] 王鋼，劉靜森，趙洪林.基于多相濾波結(jié)構(gòu)的偵察接收機(jī)中頻處理電路[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，38（9）：1410-1412.
[7] 魏永豪，袁曉，安紅.帶通采樣定理與中頻采集數(shù)字正交檢波[J].現(xiàn)代雷達(dá)，2006，28（12）：69-75.
[8] 徐小明，蔡燦輝.基于FPGA的數(shù)字下變頻（DDC）設(shè)計(jì)[J].通信技術(shù)，2011，44（10）：19-21.
[9] HUNTER M T，MIKHAEL W B.KOURTELLISG，Wideband digital down converters forsynthetic in-strumentation[J].IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement，2009（58）：263-269.
[10] 張黎明.高性能數(shù)字接收機(jī)FPGA設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子測量與儀器學(xué)報(bào)，2013，27（5）：479-483.

本文來源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2019年第4期第69頁，歡迎您寫論文時(shí)引用，并注明出處