5G通信信號模擬器系統軟件設計

System software design of 5G communication signal simulator

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

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

　　0 引言

       軟件技術(shù)在測試系統中起著(zhù)越來(lái)越重要的作用，測試系統已經(jīng)成為以通用硬件為基礎、以測試軟件為核心的集成系統?！败浖褪莾x器”的思想改變了傳統測量?jì)x器的觀(guān)念，許多過(guò)去在傳統儀器由硬件完成的功能，可以由軟件來(lái)實(shí)現。在測試軟件發(fā)展過(guò)程中，初期人們是通過(guò)測試編程語(yǔ)言來(lái)編寫(xiě)儀器測試程序的。測試軟件開(kāi)發(fā)人員不僅要了解測試系統中的接口標準、通信規范，熟悉儀器的各種程控代碼，還必須掌握測試編程語(yǔ)言的編程方法。測試軟件應具有開(kāi)放性、可重用性、可擴展性。隨著(zhù)測試儀器種類(lèi)的不斷增加以及測試任務(wù)的日益復雜，使得測試軟件的標準化成為發(fā)展的必然趨勢。
　　1 軟件架構建模

       1.1 基于SCPI命令的可互換虛擬儀器驅動(dòng)器模型標準系統

       可編程儀器標準命令SCPI（）是為解決可程控儀器編程標準化，1990年儀器制造商國際協(xié)會(huì )在標準的基礎上進(jìn)行擴充，而制定出的一個(gè)重要的程控儀器軟件標準。SCPI全面定義了標準化的儀器程控消息、響應消息以及數據和狀態(tài)的報告結構?；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標準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構如`下圖所示，通過(guò)調用統一、通用的SCPI庫函數，并配置相應的參數，就可以控制各種不同接口的模塊。當測試任務(wù)發(fā)生變化，需要更換其它儀器時(shí)，只需更新儀器驅動(dòng)程序，并相應調整SCPI函數的參數，而無(wú)需修改應用程序的代碼。
　　1.2 總線(xiàn)仲裁及同步

       由于總線(xiàn)上連接著(zhù)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)設備儀器同時(shí)發(fā)送，如何規定發(fā)射部件等一系列問(wèn)題都需要總線(xiàn)控制器統一管理，主要包括總線(xiàn)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，這種龐大復雜多樣的測試需求,使得基于任何一種總線(xiàn)技術(shù)構成的自動(dòng)測試系統都不能覆蓋整個(gè)測試對象。因此我們需要重點(diǎn)研究總線(xiàn)仲裁及各總線(xiàn)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式查詢(xún)、計數器定時(shí)查詢(xún)和獨立請求等三種方式。
　　鏈式查詢(xún)指當一個(gè)或多個(gè)設備同時(shí)發(fā)出總線(xiàn)使用請求信號時(shí)，中央仲裁器發(fā)出的總線(xiàn)授權信號沿著(zhù)菊花鏈串行的從一個(gè)設備依次傳送到下一個(gè)設備直至查詢(xún)到發(fā)出請求信號的設備儀器。
　　計數器定時(shí)查詢(xún)是指總線(xiàn)上各設備通過(guò)總線(xiàn)請求信號發(fā)出請求，中央仲裁器發(fā)射到請求信號后，在總線(xiàn)空閑情況下，通過(guò)計數器計數來(lái)判別設備地址，從而使該設備獲得總線(xiàn)使用權的一種方式。
　　獨立請求方式是指每個(gè)連接到總線(xiàn)的設備都有一組單獨的總線(xiàn)請求信號與總線(xiàn)授權信號。每個(gè)設備請求使用總線(xiàn)時(shí)，它們各自發(fā)出自己的總線(xiàn)請求信號。中央仲裁器中設置了一個(gè)專(zhuān)門(mén)的排隊電路，由它根據一定的優(yōu)先次序決定優(yōu)先響應哪個(gè)設備的請求，然后給該設備總線(xiàn)授權信號。
　　2 總線(xiàn)間同步機制

       總線(xiàn)間同步機制的精度，直接影響到多模塊間協(xié)同功能的實(shí)現。在本方案中采用基于信號觸發(fā)的消息同步機制，是通過(guò)總線(xiàn)傳送含有觸發(fā)信息的消息包，被觸發(fā)設備通過(guò)對消息包解析，來(lái)判斷是否進(jìn)行觸發(fā)。從本質(zhì)來(lái)講這種機遇消息包觸發(fā)的同步機制是通過(guò)總線(xiàn)來(lái)傳送電信號。被觸發(fā)的設備在接到這個(gè)信號后，進(jìn)行預先定義好的動(dòng)作。同時(shí)在這些信息包中還包括機遇系統同步時(shí)鐘的時(shí)間戳信息。這種基于消息包觸發(fā)的同步精度可以達到毫秒級。
　　3 系統軟件設計方案

       5G通信信號模擬器硬件構成時(shí)分復雜，為了能夠有效協(xié)調整機中各個(gè)模塊正常工作，一個(gè)架構清晰、分工合理的軟件總體方案設計尤為必要，它是其它具體軟件功能實(shí)現的前提。儀表軟件總體方案如下圖所示。
　　由圖中可看出，軟件總體設計方案的思想是，按照信令、數據、參數的控制流程，把系統軟件分成以下幾個(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(guò)預定義的消息接口傳遞命令與參數，共同協(xié)調性實(shí)現信令、數據的最佳運轉。
　　系統主控軟件負責整個(gè)系統的控制以及人機接口處理，因此是主控軟件整個(gè)平臺的控制核心。主控軟件包括人機接口、資源管理、測試程序維護、測試系統校準、測試任務(wù)執行、數據分析處理、用戶(hù)權限管理、操作平臺維護、操作員向導等處理單元，并參加部分數字信號處理內容。因此，對硬件平臺要求很高，本項目將采用高性能工業(yè)控制板+多片FPGA+DSP設計方案；從軟件角度，將采用多線(xiàn)程配合處理方式，解決復雜的、高效的系統控制及人機接口處理問(wèn)題，從而滿(mǎn)足本項目產(chǎn)品5G通信信號模擬器的系統需求。
　　工業(yè)控制板將選擇高性能工控機，采用德國控創(chuàng )公司的XXX系列工控機，該工控機具有高性能處理器及較佳的功耗。同時(shí)，該模塊內部具有可訂制特性，可節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)數據傳輸、存儲和處理。主要的技術(shù)指標和特性如下：(1)片內包含4個(gè)1.2 GHz定點(diǎn)DSP內核和1個(gè)1.2微處理器(2)雙通道PCIe GEN2接口(3)速度達1333 MHz的64位DDR3接口并行存儲接口(5)4通道RapidIO接口，可實(shí)現高速串行通道互連以太網(wǎng)接口FPGA將選用Virtex-7系列VX平臺的XC7XXX與DSP構建一個(gè)高性能的、高處理速度數據處理平臺。該FPGA具有對高性能邏輯應用、高性能信號處理和高速串行連接功能優(yōu)化功能。主要的技術(shù)指標和特性如下：系統時(shí)鐘個(gè)個(gè)IO引腳資源個(gè)專(zhuān)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)接口整機軟件將采用分層設計的思想，多組件并行處理，采用開(kāi)放式平臺，實(shí)現多制式多模測試。軟件總體包括主控軟件、DSP軟件以及開(kāi)發(fā)調試應用軟件平臺。
　　主控軟件是平臺軟件的重點(diǎn)，工作量也最大，操作系統采用Windows嵌入式操作系統，根據硬件的設計，充分利用硬件資源，定制符合本儀器的操作系統平臺，它具有可靠性高、占用資源小的優(yōu)點(diǎn)。主開(kāi)發(fā)軟件采用微軟的標準Visual studio軟件開(kāi)發(fā)平臺設計，為了便于軟件的編程與維護，采用符合Windows程序設計的軟件規范來(lái)設計。它主要完成整機資源管理、程序維護、系統校準、單元任務(wù)執行、數據分析處理、用戶(hù)權限管理、操作平臺維護、操作員向導等其他功能，框圖如圖3所示。
　　DSP開(kāi)發(fā)軟件采用TI公司的DSP開(kāi)發(fā)工具軟件，它提供了強大的信號處理軟件包。
　　在設計開(kāi)發(fā)過(guò)程中，將應用大規模FPGA（現場(chǎng)可編程門(mén)陣列），如跳頻圖案產(chǎn)生、IQ基帶信號處理、實(shí)時(shí)頻譜分析、實(shí)時(shí)基帶信號處理、數字化合成本振掃描等，選擇Xilinx公司Spartan6系列FPGA作為低端應用（速度要求不高，容量需求不大），如數字接口控制電路等；選擇Vritex7系列作高端應用（高速、大容量），如數字中頻處理等。因此FPGA開(kāi)發(fā)軟件采用Xilinx公司的Vivado 2015.2 和ISE 12.4開(kāi)發(fā)平臺，它是對Xilinx的FPGA專(zhuān)用開(kāi)發(fā)工具，該軟件集成大量IP內核庫，如通用邏輯單元、RapidIO接口等，對設計過(guò)程有很大的幫助。其它，在設計過(guò)程中，還將應用許多其它的仿真、CAD軟件，對局部單元進(jìn)行設計，如用于數字信號處理仿真的MATLAB軟件、用于高頻電路設計仿真的、用于射頻電路仿真的HP ADS軟件等。

　　4 結論

       5G通信信號模擬器是5G關(guān)鍵技術(shù)、關(guān)鍵核心器件和5G基站研發(fā)/生產(chǎn)必備的測試驗證平臺，而整機系統軟件是其核心組成部分。本文介紹了一種5G通信信號模擬器系統軟件的設計方法，可實(shí)現對5G通信信號模擬器的軟件設計的技術(shù)支撐。

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