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  • SOPC技术在软件无线电平台中的应用
    http://www.ic72.com 发布时间:2008-1-9 9:30:00

        前 言

        伴随着可编程逻辑器件密度、规模和速度的快速增长以及计算机、通信、网络等市场不断增加的需求刺激,上个世纪90年代末期到本世纪初,各个可编程逻辑器件厂商开始提出自己的SOPC(System on a programmable chip) 片上可编程系统的软件和硬件一体化解决方案,并提供从低端的消费电子到高端的网络通信等市场的全系列产品。SOPC 构建在现有可编程逻辑基础之上,除了具有缩小面世时间、设计灵活等通常可编程逻辑具有的优势外,还增加了系统级的功能如高端处理器等,为现在越来越复杂的产品所带来的竞争压力提供了高效的解决方案

        业界提供SOPC解决方案的厂商主要有XilinxAltera 。其中Xilinx 高端SOPC产品有集成4个Power PC处理器硬核的Virtex-II pro系列,低端有MicroBlaze 软核处理器,可以被Xilinx 器件广泛支持,它们的片上总线互联采用IBM的CoreConnect 总线技术。Altera 公司的高端SOPC解决方案则在其FPGA产品中集成了ARM9MIPS处理器硬核,低端力推NIOS(最新版本为NIOS II)软核处理器,NIOS的总线结构采用Avalon总线,在面对通信特殊应用时还可采用Atlantic接口。NIOS软核处理器可以集成到Altera的多种FPGA中去。

        此外,还有许多其他的微处理器、微控制器、各种接口、编译码器等IP 核,它们可以编译进这些公司的可编程逻辑器件中去,极大丰富了设计人员的资料库,可根据不同应用需求量体裁衣。用搭积木方式设计SOPC系统变得日益成熟。

        在SOPC概念提出的同一时期,Miltola提出的“软件无线电”这一概念也出现在人们视野中。虽然半导体技术的发展已经让我们可以越来越近地逼近射频软件无线电的终极理想,但是,目前真正实用的依然多是线性结构的中频软件无线电,即:接收信号经过射频模块下变频到中频后通过ADC采样,送DSP或者FPGA等可编程的中频处理单元处理;发射信号在FPGA完成数字中频调制后,经过DAC输出给射频模块上变频发射。本文介绍Altera公司基于NIOS II软核处理器的SOPC解决方案在一个线性结构的中频软件无线电平台设计中的应用。

        1  以NIOS II为核心的SOPC结构

        NIOS是第一款为可编程逻辑优化的可配置处理器,是通用RISC处理器结合丰富的外设、专用指令和硬件加速单元创建的专用片上可编程系统。NIOS II是Altera的第二代软核处理器,是NIOS的升级产品,可用于Altera的Stratix II , Stratix , Cyclone II , Cyclone 以及HardCopy家族系列。NIOS II的最高性能可以达到200DMIPS,而在Altera器件中嵌入NIOS II的最小花费只有0. 35美元,而且在Altera的FPGA和HardCopy器件中使用NIOS II嵌入式软核处理器是免版税的。在同一器件中,可实现的NIOS II处理器数量只受器件本身资源的限制,这使它非常适应网络应用中一些多处理器协同工作的场合。Altera提供了从入门到高级的NIOS II开发套件和众多的IP 核资源,SOPC Builder硬件开发环境、基于GNU CPC + +和Elipse IDE的软件开发环境,可以快速地验证用户的设计,提高产品设计效率。

        NIOS II处理器核心提供全32位指令集、32位数据通道和地址空间、32个通用寄存器、32个外部中断源、单指令32X32乘法和除法、计算64位和128位乘积的专用指令、单指令桶形移位寄存器,提供256条用户定制指令,支持对多种片上外设以及片外存储器和外设的访问,集成开发环境中硬件辅助调试模块。支持启动、停止、单步和跟踪执行。所有的NIOS II 指令集架构完全兼容。其核心结构示于图1。NIOS II采用Avalon总线进行SOPC内部的互联,以NIOS II为核心的典型的SOPC系统结构于图2。

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        Avalon总线结构如图3 所示,基本的Avalon总线传输是在主设备和从设备之间传输一个字节、半字或字。一次传输过后,总线可以立刻进行下一次传输,而且与上一次传输的目的设备和源设备无关。Avalon总线还支持外设等待执行时间、传输外设和多主设备总线等功能。这些传输模式使得在一次总线传输中,在外设之间能够完成多个数据单位的交换。

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        图3 Avalon总线结构

        Avalon总线主设备和从设备的交互采用一种“从端仲裁’技术,在多个主设备试图访问同一个从设备时,用于决定哪个主设备获得访问权。Avalon总线具有以下两个优点: ①仲裁的细节被封装到Avalon总线内,主设备和从设备的接口与总线上设备数目无关; ②多个主设备能够同时执行总线传输,只要它们不在同一时钟周期访问同一个从设备。

        Avalon总线专门为SOPC环境所优化设计,由PLD内部的逻辑和布线资源组成,应用于芯片内总线。 它可以由SOPC Builder自动生成系统,Avalon总线提供以下功能: ①最多4G的寻址空间; ②同步接口; ③分离的地址,数据和控制线; ④内建的地址译码; ⑤多主设备的总线结构; ⑥基于向导的参数配置; ⑦动态总线宽度调整。

        Avalon总线结构有适用于SOPC的如下特点: ①到周边设备的接口同步于Avalon 总线时钟,不需要复杂的异步握手P确认信号,Avalon总线和整个系统的性能能够利用标准的同步时序分析技术来评测; ②所有的信号都是高电平或低电平有效,有利于总线的切换。多路复用器(而不是三态缓冲器) 决定哪一个信号驱动哪一个外设。即使外设没有被选中,此设备也不需要将其输出信号置为高阻态; ③地址、数据和控制信号使用分开的专用端口,简化了外设的设计。外设不需要进行地址和数据周期解码,不需要判断当前总线周期的状态,即使没有被选中,也无需关掉输出端口。Avalon总线作为一种简单的总线结构,通过简单易用的结构和较小的资源占用,较好地将片上的处理器和周边设备集成到SOPC里面。

        2 基于SOPC 的软件无线电平台设计

        本文应用背景为直扩抗干扰话音电台的研制项目。第一版设计的电台采用了专用扩频芯片。信号流处理过程如下:接收射频信号经过混频滤波放大后输出中频信号,中频信号经过调理电路处理后送给一个双8位的ADC进行欠采样,数字化后的中频信号送入专用扩频专用芯片(STEL2000A) 中完成数字下变频,匹配滤波器解扩,环路跟踪,数据解调,再交由DSP处理器完成语音解码。发射端由DSP处理器完成话音编码后送入专用扩频芯片进行数据扩频调制、差分编码、QPSK调制,输出中频信号经过中频调理电路后送射频模块完成上变频送天线发射。

        改进设计要求如下:采用软件无线电结构重新设计电台,在实现原系统功能的基础上,扩频伪码长度要求可编程(32 、64 、128位可选) ;增加PCI接口;增加以太网接口;增加电台的数传功能。根据改进的要求,在实际设计中采用SOPC 方案实现如下:保持前端电路接口基本不动,将原来由DSP(TMS320C549) 、通用控制器和专用扩频芯片(STEL2000A) 完成的工作全部交由一片FPGA(Altera 公司的Stratix EP1S25F780)构成的SOPC系统来完成。新系统的功能实现如下:将语音编解码程序移植到两个NIOS II软核处理器上实现;利用PCI IP核在FPGA中增加了32Bit 的PCI Slave总线接口,省去传统方案中所需的一块专用PCI接口芯片;利用一个NIOS II处理器实现了系统参数的动态配置功能,并实现了原系统中通用控制器的控制管理功能;利用一个NIOS II软核处理器完成卷积码编码和维特比译码;在系统中加入了以太网IP 核,配合外部以太网PHY接口芯片为电台扩展了以太网接口,并增加了SDRAM控制器,为系统外扩了SDRAM存储器,进一步增强了电台的数据处理能力。在用户逻辑中设计了可变长度的匹配滤波器,完成扩频信号的解扩,数据的解调。改进前后的系统的框图分别如图4、图5所示。

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         在改进的系统中,NIOS II处理器1用来实现实时的24K、32K速率Σ- Δ语音编码器,NIOS II处理器2用来实现Σ- Δ语音的实时解码器,这两个处理器采用NIOS II/F高速型32位内核; NIOS II处理器3采用标准型内核,用来完成系统参数的配置、人机交互界面、电台管理和控制以及系统中Flash配置内容的在线更新工作;系统增加的10M/100M以太网接口支持设备通过网络远程配置和管理,包括电台使用伪码的下发、电台使用密钥的下发、系统参数的远程更新、新功能的重新配置等,为实现一定区域中所有工作电台的空中管理提供了可能。原设计的电台主要以话音通信为主,要实现数传功能,必须增加纠错编码。通常的解决方案是增加一块专用的纠错编码芯片或者一块专用的处理器来完成纠错编码。在我们采用SOPC进行改造后,通过在FPGA中增加NIOS II处理器4,用来实现信道编码和译码,提高原系统的误码率性能,以很小的代价方便地为电台引入数传功能。我们在使用(2 ,1 ,7)卷积码配合维特比译码进行仿真,使用了一个NIOS II/F等级的处理器配合少量用户逻辑,完成了不低于10Kbps速率的卷积编码和维特译码工作。表1 列出了系统各主要部分资源占用的情况。

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        在改进设计中,SOPC的解决方案在许多方面体现了它独特的优势。使用NIOS II软核处理器替代专用DSP处理器和通用控制器,不仅简化电路结构,而且增强了编程的灵活性。由于软核处理器具有定制指令的功能,在应用中可以针对实际系统具体需求,对运算效率敏感的指令采取硬件优化,提高处理器工作效能。例如,需要大量除法或者乘法运算的地方,可以用硬件的乘法器和除法器代替多条通用指令,以大大提高运行效率;在一些处理时间要求很高的程序段,使用用户定制指令,使用一部分逻辑资源将该部分功能硬件化,大大提高了整个程序的运行速度;软核处理器的IPO数量可以根据需求任意扩展,扩展的程度只受到芯片管脚和内部资源的限制。在这些方面,现有的FPGA资源大都已经十分富裕,可以不再为通用的控制器IPO数目不足而忧虑。

        使用SOPC解决方案带来了整个系统开发平台的统一,原先需要DSP处理器的开发环境、通用控制器的开发环境、FPGA的开发环境三者来协同完成一个完整系统的设计和实现,采用SOPC解决方案后,这些工作都统一到SOPC厂商提供的统一平台上,无需熟悉多种复杂的开发环境,而只需专注于一种开发环境的使用。这使对开发环境的熟悉时间大大缩短。如本文中,系统在改造前需要购买TI 的DSP开发环境和Altera的开发环境及单片机的开发环境。而改造后的系统,只需要Altera的Quatus II配合其SOPC Builder以及各种所需的IP核资源就能完成所有这些工作。这种单一的开发环境同时也降低了系统开的成本。

        SOPC系统中核心的功能都基于FPGA,而FPGA现场可编程的特性允许随时改变系统的功能。为此,只需完成软件上的修改,然后重新下载即可。对于现在不断变化更新的应用需求,这一特性使硬件系统具有更好的适应性和更长的生命周期。同时,采用基于SOPC的软件无线电结构,可使整个电台的电路结构简化,提高整机的集成度,减少所需的器件种类,为设备的生产、维护以及后勤备件等提供了更的方便。

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         3 结束语

        本文介绍了最新的SOPC发展情况,并结合软件无线电概念将其应用于抗干扰电台的改造项目,增强了原有系统功能,改善了系统的灵活性,体现出SOPC在实际应用中的巨大优势和广阔发展前景。


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