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關鍵技術(shù)、關鍵核心器件和5G基站研發(fā)/生產(chǎn)必備的測試驗證平臺，而整機系統(tǒng)軟件是其核心組成部分。本文從實際出發(fā)，對5G通信信號模擬器系統(tǒng)軟件進行了建模，并介紹了一種整機系統(tǒng)軟件的設計方法，從而實現(xiàn)了對5G通信信號模擬器軟件設計技術(shù)的支撐。
       關鍵詞：5G；信號模擬器；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、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)中的接口標準、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。測試軟件應具有開放性、可重用性、可擴展性。隨著測試儀器種類的不斷增加以及測試任務的日益復雜，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(gòu)建模

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

       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)會在標準的基礎上進行擴充，而制定出的一個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(shù)據(jù)和狀態(tài)的報告結(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(jié)構(gòu)如`下圖所示，通過調(diào)用統(tǒng)一、通用的SCPI庫函數(shù)，并配置相應的參數(shù)，就可以控制各種不同接口的模塊。當測試任務發(fā)生變化，需要更換其它儀器時，只需更新儀器驅(qū)動程序，并相應調(diào)整SCPI函數(shù)的參數(shù)，而無需修改應用程序的代碼。
　　1.2 總線仲裁及同步

       由于總線上連接著多個模塊時，何時由哪個部件發(fā)送信息，如何定時，如何防止信息丟失，如何避免多個設備儀器同時發(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)成的自動測試系統(tǒng)都不能覆蓋整個測試對象。因此我們需要重點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式查詢、計數(shù)器定時查詢和獨立請求等三種方式。
　　鏈式查詢指當一個或多個設備同時發(fā)出總線使用請求信號時，中央仲裁器發(fā)出的總線授權(quán)信號沿著菊花鏈串行的從一個設備依次傳送到下一個設備直至查詢到發(fā)出請求信號的設備儀器。
　　計數(shù)器定時查詢是指總線上各設備通過總線請求信號發(fā)出請求，中央仲裁器發(fā)射到請求信號后，在總線空閑情況下，通過計數(shù)器計數(shù)來判別設備地址，從而使該設備獲得總線使用權(quán)的一種方式。
　　獨立請求方式是指每個連接到總線的設備都有一組單獨的總線請求信號與總線授權(quán)信號。每個設備請求使用總線時，它們各自發(fā)出自己的總線請求信號。中央仲裁器中設置了一個專門的排隊電路，由它根據(jù)一定的優(yōu)先次序決定優(yōu)先響應哪個設備的請求，然后給該設備總線授權(quán)信號。
　　2 總線間同步機制

       總線間同步機制的精度，直接影響到多模塊間協(xié)同功能的實現(xiàn)。在本方案中采用基于信號觸發(fā)的消息同步機制，是通過總線傳送含有觸發(fā)信息的消息包，被觸發(fā)設備通過對消息包解析，來判斷是否進行觸發(fā)。從本質(zhì)來講這種機遇消息包觸發(fā)的同步機制是通過總線來傳送電信號。被觸發(fā)的設備在接到這個信號后，進行預先定義好的動作。同時在這些信息包中還包括機遇系統(tǒng)同步時鐘的時間戳信息。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(tǒng)軟件設計方案

       5G通信信號模擬器硬件構(gòu)成時分復雜，為了能夠有效協(xié)調(diào)整機中各個模塊正常工作，一個架構(gòu)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，軟件總體設計方案的思想是，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定義的消息接口傳遞命令與參數(shù)，共同協(xié)調(diào)性實現(xiàn)信令、數(shù)據(jù)的最佳運轉(zhuǎn)。
　　系統(tǒng)主控軟件負責整個系統(tǒng)的控制以及人機接口處理，因此是主控軟件整個平臺的控制核心。主控軟件包括人機接口、資源管理、測試程序維護、測試系統(tǒng)校準、測試任務執(zhí)行、數(shù)據(jù)分析處理、用戶權(quán)限管理、操作平臺維護、操作員向?qū)У忍幚韱卧?，并參加部分?shù)字信號處理內(nèi)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F(xiàn)PGA+DSP設計方案；從軟件角度，將采用多線程配合處理方式，解決復雜的、高效的系統(tǒng)控制及人機接口處理問題，從而滿足本項目產(chǎn)品5G通信信號模擬器的系統(tǒng)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，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DSP TMSXXX，它非常適合進行實時數(shù)據(jù)傳輸、存儲和處理。主要的技術(shù)指標和特性如下：(1)片內(nèi)包含4個1.2 GHz定點DSP內(nèi)核和1個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平臺的XC7XXX與DSP構(gòu)建一個高性能的、高處理速度數(shù)據(jù)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(tǒng)時鐘個個IO引腳資源個專用(6)4路PCIe-GEN3接口核電壓個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，采用開放式平臺，實現(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)試應用軟件平臺。
　　主控軟件是平臺軟件的重點，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)硬件的設計，充分利用硬件資源，定制符合本儀器的操作系統(tǒng)平臺，它具有可靠性高、占用資源小的優(yōu)點。主開發(fā)軟件采用微軟的標準Visual studio軟件開發(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(guī)范來設計。它主要完成整機資源管理、程序維護、系統(tǒng)校準、單元任務執(zhí)行、數(shù)據(jù)分析處理、用戶權(quán)限管理、操作平臺維護、操作員向?qū)У绕渌δ?，框圖如圖3所示。
　　DSP開發(fā)軟件采用TI公司的DSP開發(fā)工具軟件，它提供了強大的信號處理軟件包。
　　在設計開發(fā)過程中，將應用大規(guī)模FPGA（現(xiàn)場可編程門陣列），如跳頻圖案產(chǎn)生、IQ基帶信號處理、實時頻譜分析、實時基帶信號處理、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，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，對設計過程有很大的幫助。其它，在設計過程中，還將應用許多其它的仿真、CAD軟件，對局部單元進行設計，如用于數(shù)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(jié)論

       5G通信信號模擬器是5G關鍵技術(shù)、關鍵核心器件和5G基站研發(fā)/生產(chǎn)必備的測試驗證平臺，而整機系統(tǒng)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(tǒng)軟件的設計方法，可實現(xiàn)對5G通信信號模擬器的軟件設計的技術(shù)支撐。

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