一种基于SDR硬件平台的可重构方式设计

摘 要：基于目前多通信体制共存的局面和通信技术高速发展的趋势，本文在对可重构技术进行研究的基础上，提出一种适合清华大学“软硬件可重构的新一代无线通信统一平台”硬件平台的可重构方式，即寄存器参数重配置方式和模块切换方式相结合的动态重构方式。该动态重构方式可节省资源消耗，同时可获得良好的可扩展性和灵活性。

关键词：SDR硬件平台； 可重构方式； 寄存器参数配置； 模块切换

中图分类号：TN925-34 文献标识码：A

文章编号：1004-373X(2011)17-0078-04

Design of Reconfigurable Mode for Hardware Platform Based on

Software Definition Radio Technology

CHENG Qing-yan, LIU Xi-wu, LIU Zhen-huan

(Tsinghua National Laboratory for Information Science and Technology, Beijing 100084, China)

Abstract： With the situation that multiple communication systems coexist and the trend that the communication technology develops in high speed, a reconfigurable mode suitble for the hardware platform of communication system based on Software Definition Radio technology of Tsinghua University is proposed after the deep research for the reconfigurable technology. The design adopts the dynamic reconfigurable mode of combining the parameter register and function module (two different physical levels). This reconfiguration design can save resource consumption, and achieve fine scalability and flexibility.

Keywords： SDR hardware platform; reconfigurable mode; parameter configuration of register; module switch

0 引 言

目前无线通信技术高速发展，包括GSM,WCDMA,CMDA-2000,TD-SCDMA在内的各种通信标准不断涌现。为了能够适应多标准共存的局面，实现各制式间灵活切换和向后兼容，基于SDR的硬件平台必须具有可重构性，开放性和扩展性等特性。随着微电子技术的不断发展，基于SDR的硬件平台的可重构系统已有了一些开发实例，但仍存在着一些问题：如何选择更为紧凑的体系结构，尽量减小多模切换时重构模块间的相互作用，如何快速实现低功耗的可重构等。

为了解决“软硬件可重构的新一代无线通信统一平台”SDR硬件平台在可重构方面也存在的上述问题，实现多通信体制间的切换和兼容，本文在对可重构技术进行研究的基础上引入寄存器参数配置的动态重构方式，提出适用于“软硬件可重构的新一代无线通信统一平台”硬件平台的动态重构方式――用寄存器参数重配置方式和模块切换方式相结合的动态重构方式。

1 硬件平台的构成

“软硬件可重构的新一代无线通信统一平台”SDR硬件平台根据SDR硬件可重构平台的基本框架［1］搭建。图1所示的清华大学“软硬件可重构的新一代无线通信统一平台”硬件平台主要由CPU、基带单元前端处理板、中频单元、射频单元、天线单元以及一些外设构成。

图1中：CPU作为主处理器主要完成人机交互、资源管理、重构模式检测处理、数据和程序下载等可重构系统的上层控制任务。基带单元前端处理板包括FPGA，ARM，FLASH，SRAM等。其中ARM作为可重构控制单元主要负责处理硬件平台的重配置和模式切换功能；通过读取可重构存储器FLASH中的重构控制程序对可重构信号处理器FPGA进行重构。FPGA作为可重构信号处理器主要完成信道编解码、调制解调、数据成帧、数字上下变频等一系列处理， SRAM作为存储器，主要负责存储控制程序和数字处理程序。经FPGA处理后的信号然后经过数/模、模/数转换、模拟中频、射频，最终通过天线进行收发［2］。

2 SDR硬件平台的可重构方式

“软硬件可重构的新一代无线通信统一平台”SDR硬件平台需根据情况和需求的改变进行动态重构。传统的动态重构方式主要有：链路切换方式和模块切换方式。链路切换方式因模块复用会造成严重的资源浪费。模块切换方式在节省资源消耗方面比链路切换方式更有优势，但对于如FIR滤波器，可通过改变参数而实现功能特性改变的模块，模块切换方式亦会造成一定的资源浪费。针对链路切换方式和模块切换方式的资源浪费问题，“软硬件可重构的新一代无线通信统一平台”SDR硬件平台在使用模块切换方式的基础上引入了寄存器参数重配置的动态重构方式。

为了合理、公平的比较寄存器参数配置方式和模块重构方式的优劣性，本文将以FIR滤波器为例实现寄存器参数配置方式和模块重构方式两种重构方式，并给出两者在重构时间和资源消耗方面的对比，以证明模块切换方式和寄存器参数配置方式相结合的动态重构方式的优异性。

2.1 模块切换方式结构框图

模块切换方式是指在系统需求改变时，通过控制指令直接切换至所需要的功能模块，基本上适用于所有的功能模块。而功能模块是依据功能相对独立，联系尽量紧密，连接尽量简单的原则进行划分的，然后分别对每个功能模块进行设计、综合，最后将所有模块有机的组织起来完成整个系统的设计［3］。模块切换方式结构框图如图2所示。

2.2 寄存器参数配置方式结构框图

寄存器参数配置方式是指对于可通过改变参数而实现功能特性改变的模块，可预先开辟一个存储寄存器，把参数存在寄存器里。在需要时，通过读取寄存器里的参数来改变功能模块的功能特性，从而实现该模块的动态重构。寄存器参数配置方式结构框图如图3所示。

3 寄存器参数配置方式和模块切换方式仿真验证

FIR滤波器设置采用矩形窗函数，中心频率设置为15 MHz，20 MHz，25 MHz，带宽为10 MHz，15 MHz，5 MHz。仿真语言为Verilog硬件语言，首先在Modelsim 6.2e上进行功能仿真验证，然后Quartus Ⅱ 10.0版本上进行了逻辑综合得出资源消耗情况。寄存器参数配置方式和模块切换方式仿真模块如图4所示。

模块切换方式实现FIR滤波器动态重构,即系统运行过程中，滤波器特征情况需要改变时，通过切换到相应功能模块而实现动态改变FIR滤波器的类型，特征频率，带宽等。

寄存器参数配置方式实现FIR滤波器动态重构,即系统运行过程中，滤波器特征情况需要改变时，通过读取不同寄存器里的h(n)系数值实现动态改变FIR滤波器的类型、特征频率和带宽等。

3.1 RTL模块

模块重构方式和寄存器参数配置方式的RTL模块图如图4和图5所示。从图中可以看出RTL模块图基本符合其结构框图，且寄存器参数配置方式相比模块重构方式模块较少。

3.2 功能仿真结果

模块切换方式有两种工作方式:方式a：各功能模块一直处于工作状态;方式b：仅有所需功能模块处于工作状态。模块切换方式的两种方式和寄存器参数配置方式的功能仿真结果如图6和图7所示。从图中可以看出模块切换方式a没有切换延时(图6灰框中所示)，但因各模块一直处于工作方式而导致功率消耗较大(图6黑框中所示)，模块切换方式b仅有所需模块处于工作状态(图7黑框中所示)却因模块的切换和建立时间而引起切换延时(图7灰框中所示)，出FIR滤波器在切换过程中存在31个时钟的切换延时。寄存器参数配置方式工作时仅有一功能模块在工作，且一直处于工作状态，所以相比模块切换方式a可节省大量功率消耗，而相比模块切换方式b又可节省模块切换和建立时间(图8灰框中所示)。

3.3 资源消耗情况

表1为FIR滤波器在寄存器参数配置方式和模块切换两种方式下的仿真的资源消耗结果对比。从表中可以看出寄存器参数配置方式和模块切换方式相比资源消耗较少，虽然相对于模块切换方式a增加了部分DSP block单元，但总体上来说可节省大量的LES资源，且随着模块数的递增，寄存器参数配置方式节省的LES资源越多。资源消耗情况如图9~图11所示。

4 寄存器参数配置方式的优点与局限性

寄存器参数配置方式相比模块切换方式可获得重构速度和资源消耗两方面的优势。因寄存器参数配置方式相比模块切换方式可获得资源消耗方面的优势，所以相比链路切换方式和模块切换方式，寄存器参数配置方式可在相同有限FPGA逻辑资源上实现更多的功能模块。

寄存器参数配置方式可适用于FIR滤波器、FFT变换、IFFT变换、正余弦发生器等硬件算法实现相同、参数不同特性不同的功能模块。而对于调制方式QPSK,16QAM，编码方式CC,Turbo码等算法不同但功能相同的功能模块无法使用寄存器参数配置方式实现重构。

因其寄存器参数配置方式适用范围的局限性，对于如调制方式QPSK,16QAM，编码方式CC,Turbo码等模块需使用模块切换方式实现重构。所以本次重构方式设计中采用模块切换方式和寄存器参数配置方式相结合的动态重构方式。通过这两重构方式的结合,不但可以减小模块切换方式造成的模块重复和资源浪费，还可克服寄存器参数配置重构方式适用范围的局限性。

5 结 语

为了研究适合清华大学“软硬件可重构的新一代无线通信统一平台”SDR硬件平台的低消耗、高速度、高扩展性的可重构方式。本文引入了寄存器参数配置方式的动态可重构方式，并通过仿真可知寄存器参数配置方式在模块构造、资源消耗、重构速度方面都具有优势。但因其适用范围的局限性，“软硬件可重构的新一代无线通信统一平台”中的SDR硬件平台采用寄存器参数重配置方式和模块切换方式相结合的重构方式。这种相结合的方式不但可以减少资源消耗，提高重构速度，同时也可以突破寄存器参数配置方式的局限性，实现硬件平台的动态快速重构。

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作者简介：

程青燕 女，1985年出生，河北邯郸人，硕士研究生。主要研究方向为软件无线电与数字信号处理。