软件无线电平台可重配置接口的实现

随着2.5 G和3 G的出现，使多种通信体制并存发展，它们在工作频段、波形结构、调制方式、编码方式、加密方式等方面的不同，既限制了系统之间操作的互通性，也影响了用户使用的便捷性。由于软件无线电SDR(Software Defined Radio)技术可以将模块化、标准化和通用化的硬件单元和软件模块集成在一个通用的物理平台上，通过软硬件的可重构，实现多种无线通信功能，故以软件无线电为基础、面向多种通信体制的兼容信号处理技术成为研究热点。

　　本文研制了一个能实现多种无线通信体制的软件无线电平台。该平台如图1所示，由上位机、FPGA处理板、射频板和天线组成。其中，上位机提供用户界面，并完成基带信号处理和系统控制。FPGA处理板主要完成各种通信体制的信号预处理。

　　考虑到平台对多体制速率的兼容性、用户远程配置处理平台的便捷性以及平台与现有网络的融合和向分布式处理方向的可升级性和易扩展性等，该平台选用以太网接口作为上位机与FPGA处理板之间的连接方式。该以太网接口需要支持实时的在线重配置功能。

　　由于平台选用的FPGA器件是Alteral公司的CycllONeII2C70F672C8，芯片本身没有动态部分可重构的功能，不能利用中介绍的Xilinx的VirtexFPGA的动态部分重构功能，只需要重新配置FPGA的部分区域，而FPGA其余部分正常工作。Off-Chip动态重构的重构时间太长。模块的可重选择[5]的重构时间短，但耗费FPGA资源较多。为了满足平台的以太网接口对于一种配置时间较短而且耗用资源较少的配置方式的需要，本文提出并实现了一种上位机和FPGA处理板之间信令驱动的、参数可重加载的、可实时在线重配置的以太网接口，并详细介绍了该接口的数据/信令包的格式设计和FPGA中的逻辑设计。

　　1 可配置接口设计

　　1.1 接口电路原理描述

　　上位机和FPGA之间的接口电路如图2所示，主要由网络交换芯片BCM5325E和接口转换芯片RTL8201组成。其中，BCM5325E为网络交换芯片[6]，工作频率为25 MHz。芯片集成了10/100 Mb/s切换控制器和6个端口，除了一个MII(Media Independent Interface)端口以外，另外5个端口(port0-port4)为全双工的10/100 Mb/s快速以太网收发器(满足IEEE802.3 u标准接口)，完成以太网物理接口功能。RTL8201是一个快速以太网物理层收发器，工作频率为25 MHz，可以将IEEE802.3 u标准接口转化为MII接口。

　　发送过程中，上位机先将用户原始数据/信令按照一定的格式封装成网络包，通过网口发送到交换芯片的端口(port0或者port1)，网络交换芯片将该网络包转发到相应端口(port3或者port4)，然后经过相应的8201进行数据格式的转换，最后到达相应的FPGA，FPGA再对接收到的网络包进行解析处理，以恢复上位机发送的用户原始数据/信令。接收过程相反，FPGA发送的数据包依次经过8201、网络交换芯片后到达上位机。

　　1.2 接口包格式设计

　　上位机与FPGA之间需要交换数据包来完成通信双方的信息传输，还需要交换信令包来完成系统的重配置，因此需要接口能够区分不同类型的包。此外，不同通信体制下或不同传输业务中，数据速率不同可能要求包的长度不同，因此还需要接口能够灵活地识别不同长度的网络数据包。

　　标准EthernetII协议下的包格式如图3所示，其中D_MAC为数据包的目的地址，S_MAC为数据包的源地址，TYPE为数据包的类型，FCS为校验位。标准的EthernetII包不能满足所需接口的要求，需要在EthernetII协议的基础上做一些改动，形成适合于统一平台的网络包格式，如图4所示，图4(a)为数据包格式，图4(b)为信令包格式。

　　改进的包格式有以下特点：首先，将EthernetII协议的标准包格式中的数据段中划分出一部分作为标示域，其中长度域(Length)用来标示包中数据/信令的长度，时间戳域(TimeSTamp)用来标示包的发送或者接收时间。其次，通过Type域的内容来区分数据包和信令包。最后，数据包中的Data域用来装载用户数据，信令包的Infor域用来装载信令，如滤波器的参数配置信息、成帧模块的参数配置信息、编码模块的参数配置信息等。每个模块对应的配置信令的格式为“Addr+Len+Para”，如图4(b)所示。首先是4 B的信令头信息，其中2 B表示该信令对应的内部模块地址Addr，另外2 B表示该信令的长度Len；接下来的n B是信令的内容，即各模块的配置参数Para。因此，用户可以灵活地选择需要配置的模块，也可以根据需要设定这些模块的配置参数，而且每个模块的配置参数的长度可以变化。

改进的网络包为统一平台，为实现灵活的切换方式提供了很好的基础，而且由于改进的网络包保留了EthernetII协议的基本特性，可以在现有的以太网中