电子产品世界

System software design of 5G communication signal simulator

孙昊
（中国电子科技集团公司第41研究所研发一部，安徽 蚌埠 233010）

       摘要：5G通信信号模拟器是5G关键技术、关键核心器件和5G基站研发/生产必备的测试验证平台，而整机系统软件是其核心组成部分。本文从实际出发，对5G通信信号模拟器系统软件进行了建模，并介绍了一种整机系统软件的设计方法，从而实现了对5G通信信号模拟器软件设计技术的支撑。
       关键词：5G；信号模拟器；系统软件

　　0 引言

       软件技术在测试系统中起着越来越重要的作用，测试系统已经成为以通用硬件为基础、以测试软件为核心的集成系统。“软件就是仪器”的思想改变了传统测量仪器的观念，许多过去在传统仪器由硬件完成的功能，可以由软件来实现。在测试软件发展过程中，初期人们是通过测试编程语言来编写仪器测试程序的。测试软件开发人员不仅要了解测试系统中的接口标准、通信规范，熟悉仪器的各种程控代码，还必须掌握测试编程语言的编程方法。测试软件应具有开放性、可重用性、可扩展性。随着测试仪器种类的不断增加以及测试任务的日益复杂，使得测试软件的标准化成为发展的必然趋势。
　　1 软件架构建模

       1.1 基于SCPI命令的可互换虚拟仪器驱动器模型标准系统

       可编程仪器标准命令SCPI（）是为解决可程控仪器编程标准化，1990年仪器制造商国际协会在标准的基础上进行扩充，而制定出的一个重要的程控仪器软件标准。SCPI全面定义了标准化的仪器程控消息、响应消息以及数据和状态的报告结构。基本原则是使测试软件编程是面向测试功能而不是面向仪器，相同的命令控制相同的测试功能，而不是相同的仪器。SCPI标准大大提高了仪器的互换性。SCPI提出了三种形式的相容性，即纵向相容性、横向相容性和功能相容性。
　　本方案中，多模块间集成的软件结构如`下图所示，通过调用统一、通用的SCPI库函数，并配置相应的参数，就可以控制各种不同接口的模块。当测试任务发生变化，需要更换其它仪器时，只需更新仪器驱动程序，并相应调整SCPI函数的参数，而无需修改应用程序的代码。
　　1.2 总线仲裁及同步

       由于总线上连接着多个模块时，何时由哪个部件发送信息，如何定时，如何防止信息丢失，如何避免多个设备仪器同时发送，如何规定发射部件等一系列问题都需要总线控制器统一管理，主要包括总线的判优控制（仲裁逻辑）和通信控制。

　　在方案中，被测对象为多模多频通信终端，这种庞大复杂多样的测试需求,使得基于任何一种总线技术构成的自动测试系统都不能覆盖整个测试对象。因此我们需要重点研究总线仲裁及各总线间的触发及同步技术。
　　1.3 集中仲裁方式

       集中式的仲裁方式主要分为链式查询、计数器定时查询和独立请求等三种方式。
　　链式查询指当一个或多个设备同时发出总线使用请求信号时，中央仲裁器发出的总线授权信号沿着菊花链串行的从一个设备依次传送到下一个设备直至查询到发出请求信号的设备仪器。
　　计数器定时查询是指总线上各设备通过总线请求信号发出请求，中央仲裁器发射到请求信号后，在总线空闲情况下，通过计数器计数来判别设备地址，从而使该设备获得总线使用权的一种方式。
　　独立请求方式是指每个连接到总线的设备都有一组单独的总线请求信号与总线授权信号。每个设备请求使用总线时，它们各自发出自己的总线请求信号。中央仲裁器中设置了一个专门的排队电路，由它根据一定的优先次序决定优先响应哪个设备的请求，然后给该设备总线授权信号。
　　2 总线间同步机制

       总线间同步机制的精度，直接影响到多模块间协同功能的实现。在本方案中采用基于信号触发的消息同步机制，是通过总线传送含有触发信息的消息包，被触发设备通过对消息包解析，来判断是否进行触发。从本质来讲这种机遇消息包触发的同步机制是通过总线来传送电信号。被触发的设备在接到这个信号后，进行预先定义好的动作。同时在这些信息包中还包括机遇系统同步时钟的时间戳信息。这种基于消息包触发的同步精度可以达到毫秒级。
　　3 系统软件设计方案

       5G通信信号模拟器硬件构成时分复杂，为了能够有效协调整机中各个模块正常工作，一个架构清晰、分工合理的软件总体方案设计尤为必要，它是其它具体软件功能实现的前提。仪表软件总体方案如下图所示。
　　由图中可看出，软件总体设计方案的思想是，按照信令、数据、参数的控制流程，把系统软件分成以下几个主要部分：多模物理层处理模块、模块、核心控制模块以及脚本处理模块等。几大模块之间通过预定义的消息接口传递命令与参数，共同协调性实现信令、数据的最佳运转。
　　系统主控软件负责整个系统的控制以及人机接口处理，因此是主控软件整个平台的控制核心。主控软件包括人机接口、资源管理、测试程序维护、测试系统校准、测试任务执行、数据分析处理、用户权限管理、操作平台维护、操作员向导等处理单元，并参加部分数字信号处理内容。因此，对硬件平台要求很高，本项目将采用高性能工业控制板+多片FPGA+DSP设计方案；从软件角度，将采用多线程配合处理方式，解决复杂的、高效的系统控制及人机接口处理问题，从而满足本项目产品5G通信信号模拟器的系统需求。
　　工业控制板将选择高性能工控机，采用德国控创公司的XXX系列工控机，该工控机具有高性能处理器及较佳的功耗。同时，该模块内部具有可订制特性，可节约接口电路的尺寸和功耗。DSP将采用TI公司的高性能定点DSP TMSXXX，它非常适合进行实时数据传输、存储和处理。主要的技术指标和特性如下：(1)片内包含4个1.2 GHz定点DSP内核和1个1.2微处理器(2)双通道PCIe GEN2接口(3)速度达1333 MHz的64位DDR3接口并行存储接口(5)4通道RapidIO接口，可实现高速串行通道互连以太网接口FPGA将选用Virtex-7系列VX平台的XC7XXX与DSP构建一个高性能的、高处理速度数据处理平台。该FPGA具有对高性能逻辑应用、高性能信号处理和高速串行连接功能优化功能。主要的技术指标和特性如下：系统时钟个个IO引脚资源个专用(6)4路PCIe-GEN3接口核电压个13.1 Gb/s GTH收发器(9)支持10/100/1000 Mb/s 以太网接口整机软件将采用分层设计的思想，多组件并行处理，采用开放式平台，实现多制式多模测试。软件总体包括主控软件、DSP软件以及开发调试应用软件平台。
　　主控软件是平台软件的重点，工作量也最大，操作系统采用Windows嵌入式操作系统，根据硬件的设计，充分利用硬件资源，定制符合本仪器的操作系统平台，它具有可靠性高、占用资源小的优点。主开发软件采用微软的标准Visual studio软件开发平台设计，为了便于软件的编程与维护，采用符合Windows程序设计的软件规范来设计。它主要完成整机资源管理、程序维护、系统校准、单元任务执行、数据分析处理、用户权限管理、操作平台维护、操作员向导等其他功能，框图如图3所示。
　　DSP开发软件采用TI公司的DSP开发工具软件，它提供了强大的信号处理软件包。
　　在设计开发过程中，将应用大规模FPGA（现场可编程门阵列），如跳频图案产生、IQ基带信号处理、实时频谱分析、实时基带信号处理、数字化合成本振扫描等，选择Xilinx公司Spartan6系列FPGA作为低端应用（速度要求不高，容量需求不大），如数字接口控制电路等；选择Vritex7系列作高端应用（高速、大容量），如数字中频处理等。因此FPGA开发软件采用Xilinx公司的Vivado 2015.2 和ISE 12.4开发平台，它是对Xilinx的FPGA专用开发工具，该软件集成大量IP内核库，如通用逻辑单元、RapidIO接口等，对设计过程有很大的帮助。其它，在设计过程中，还将应用许多其它的仿真、CAD软件，对局部单元进行设计，如用于数字信号处理仿真的MATLAB软件、用于高频电路设计仿真的、用于射频电路仿真的HP ADS软件等。

　　4 结论

       5G通信信号模拟器是5G关键技术、关键核心器件和5G基站研发/生产必备的测试验证平台，而整机系统软件是其核心组成部分。本文介绍了一种5G通信信号模拟器系统软件的设计方法，可实现对5G通信信号模拟器的软件设计的技术支撑。

       参考文献
[1] 薛晓男，李增红.200 MHz宽带基带信号发生器的设计与实现.国外电子测量技术.2017，36（10）：69-72.
[2] 李海虎，张超.基于FPGA的GHz宽带中频数字采集系统的设计.国外电子测量技术.2016，35（4）：55-63.
[3] Greg Jue，Sangkyo Shin.灵活的5G波形及超宽带信号生成和分析测试系统.国外电子测量技术.2015，34（6）：16-21.
[4] Frank-Werner Thummler.使用矢量信号发生器测试尖端通信技术：性能与功能.国外电子测量技术：.2015，34（5）：9-11.
[5] 何鹏，刘一清.基于Spartan-6 FPGA的DDR3布线分析和测试[J].电子测量技术，2014，37（6）：89-92.
[6] 王钢，刘静森，赵洪林.基于多相滤波结构的侦察接收机中频处理电路[J].哈尔滨工业大学学报，2006，38（9）：1410-1412.
[7] 魏永豪，袁晓，安红.带通采样定理与中频采集数字正交检波[J].现代雷达，2006，28（12）：69-75.
[8] 徐小明，蔡灿辉.基于FPGA的数字下变频（DDC）设计[J].通信技术，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] 张黎明.高性能数字接收机FPGA设计与实现[J].电子测量与仪器学报，2013，27（5）：479-483.

本文来源于科技期刊《电子产品世界》2019年第4期第69页，欢迎您写论文时引用，并注明出处

关键词： 201904 5G 信号模拟器 系统软件