System software design of 5G communication signal simulator
孙昊
（我国电子科技集团公司第41研讨所研制一部，安徽 蚌埠 233010）
摘要：5G通讯信号模拟器是5G要害技能、要害中心器材和5G基站研制/出产必备的测验验证渠道，而整机体系软件是其中心组成部分。本文从实际出发，对5G通讯信号模拟器体系软件进行了建模，并介绍了一种整机体系软件的规划办法，然后完结了对5G通讯信号模拟器软件规划技能的支撑。
要害词：5G；信号模拟器；体系软件
0 导言
软件技能在测验体系中起着越来越重要的效果，测验体系已经成为以通用硬件为根底、以测验软件为中心的集成体系。“软件便是仪器”的思维改变了传统丈量仪器的观念，许多曩昔在传统仪器由硬件完结的功用，可以由软件来完结。在测验软件开展进程中，初期人们是经过测验编程言语来编写仪器测验程序的。测验软件开发人员不只要了解测验体系中的接口标准、通讯标准，了解仪器的各种程控代码，还必须把握测验编程言语的编程办法。测验软件应具有开放性、可重用性、可扩展性。跟着测验仪器品种的不断添加以及测验使命的日益杂乱，使得测验软件的标准化成为开展的必然趋势。
1 软件架构建模
1.1 依据SCPI指令的可交换虚拟仪器驱动器模型标准体系
可编程仪器标准指令SCPI（）是为处理可程控仪器编程标准化，1990年仪器制造商世界协会在标准的根底上进行扩大，而拟定出的一个重要的程控仪器软件标准。SCPI全面界说了标准化的仪器程控音讯、呼应音讯以及数据和状况的陈述结构。基本原则是使测验软件编程是面向测验功用而不是面向仪器，相同的指令操控相同的测验功用，而不是相同的仪器。SCPI标准大大提高了仪器的交换性。SCPI提出了三种办法的相容性，即纵向相容性、横向相容性和功用相容性。
本计划中，多模块间集成的软件结构如`下图所示，经过调用一致、通用的SCPI库函数，并装备相应的参数，就可以操控各种不同接口的模块。当测验使命发生变化，需求替换其它仪器时，只需更新仪器驱动程序，并相应调整SCPI函数的参数，而无需修正运用程序的代码。
1.2 总线裁定及同步
因为总线上连接着多个模块时，何时由哪个部件发送信息，怎么守时，怎么防止信息丢掉，怎么防止多个设备仪器一起发送，怎么规则发射部件等一系列问题都需求总线操控器一致办理，首要包含总线的判优操控（裁定逻辑）和通讯操控。
在计划中，被测目标为多模多频通讯终端，这种巨大杂乱多样的测验需求,使得依据任何一种总线技能构成的自动测验体系都不能掩盖整个测验目标。因而咱们需求要点研讨总线裁定及各总线间的触发及同步技能。
1.3 会集裁定办法
会集式的裁定办法首要分为链式查询、计数器守时查询和独立恳求等三种办法。
链式查询指当一个或多个设备一起宣布总线运用恳求信号时，中心裁定器宣布的总线授权信号沿着菊花链串行的从一个设备顺次传送到下一个设备直至查询到宣布恳求信号的设备仪器。
计数器守时查询是指总线上各设备经过总线恳求信号宣布恳求，中心裁定器发射到恳求信号后，在总线闲暇情况下，经过计数器计数来判别设备地址，然后使该设备取得总线运用权的一种办法。
独立恳求办法是指每个连接到总线的设备都有一组独自的总线恳求信号与总线授权信号。每个设备恳求运用总线时，它们各自宣布自己的总线恳求信号。中心裁定器中设置了一个专门的排队电路，由它依据必定的优先次第决议优先呼应哪个设备的恳求，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用的完结。在本计划中选用依据信号触发的音讯同步机制，是经过总线传送含有触发信息的音讯包，被触发设备经过对音讯包解析，来判别是否进行触发。从实质来讲这种机会音讯包触发的同步机制是经过总线来传送电信号。被触发的设备在接到这个信号后，进行预先界说好的动作。一起在这些信息包中还包含机会体系同步时钟的时刻戳信息。这种依据音讯包触发的同步精度可以到达毫秒级。
3 体系软件规划计划
5G通讯信号模拟器硬件构成时分杂乱，为了可以有用和谐整机中各个模块正常作业，一个架构明晰、分工合理的软件整体计划规划尤为必要，它是其它详细软件功用完结的条件。外表软件整体计划如下图所示。
由图中可看出，软件整体规划计划的思维是，依照信令、数据、参数的操控流程，把体系软件分红以下几个首要部分：多模物理层处理模块、模块、中心操控模块以及脚本处理模块等。几大模块之间经过预界说的音讯接口传递指令与参数，一起和谐性完结信令、数据的最佳工作。
体系主控软件担任整个体系的操控以及人机接口处理，因而是主控软件整个渠道的操控中心。主控软件包含人机接口、资源办理、测验程序保护、测验体系校准、测验使命履行、数据剖析处理、用户权限办理、操作渠道保护、操作员导游等处理单元，并参与部分数字信号处理内容。因而，对硬件渠道要求很高，本项目将选用高性能工业操控板+多片FPGA+DSP规划计划；从软件视点，将选用多线程合作处理办法，处理杂乱的、高效的体系操控及人机接口处理问题，然后满意本项目产品5G通讯信号模拟器的体系需求。
工业操控板将挑选高性能工控机，选用德国控创公司的XXX系列工控机，该工控机具有高性能处理器及较佳的功耗。一起，该模块内部具有可订制特性，可节省接口电路的尺度和功耗。DSP将选用TI公司的高性能定点DSP TMSXXX，它十分合适进行实时数据传输、存储和处理。首要的技能指标和特性如下：(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，可完结高速串行通道互连以太网接口FPGA将选用Virtex-7系列VX渠道的XC7XXX与DSP构建一个高性能的、高处理速度数据处理渠道。该FPGA具有对高性能逻辑运用、高性能信号处理和高速串行连接功用优化功用。首要的技能指标和特性如下：体系时钟个个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)支撑10/100/1000 Mb/s 以太网接口整机软件将选用分层规划的思维，多组件并行处理，选用开放式渠道，完结多制式多模测验。软件整体包含主控软件、DSP软件以及开发调试运用软件渠道。
主控软件是渠道软件的要点，作业量也最大，操作体系选用Windows嵌入式操作体系，依据硬件的规划，充分利用硬件资源，定制契合本仪器的操作体系渠道，它具有可靠性高、占用资源小的长处。主开发软件选用微软的标准Visual studio软件开发渠道规划，为了便于软件的编程与保护，选用契合Windows程序规划的软件标准来规划。它首要完结整机资源办理、程序保护、体系校准、单元使命履行、数据剖析处理、用户权限办理、操作渠道保护、操作员导游等其他功用，框图如图3所示。
DSP开发软件选用TI公司的DSP开发工具软件，它供给了强壮的信号处理软件包。
在规划开发进程中，将运用大规模FPGA（现场可编程门阵列），如跳频图画发生、IQ基带信号处理、实时频谱剖析、实时基带信号处理、数字化合本钱振扫描等，挑选Xilinx公司Spartan6系列FPGA作为低端运用（速度要求不高，容量需求不大），如数字接口操控电路等；挑选Vritex7系列作高端运用（高速、大容量），如数字中频处理等。因而FPGA开发软件选用Xilinx公司的Vivado 2015.2 和ISE 12.4开发渠道，它是对Xilinx的FPGA专用开发工具，该软件集成很多IP内核库，如通用逻辑单元、RapidIO接口等，对规划进程有很大的协助。其它，在规划进程中，还将运用许多其它的仿真、CAD软件，对部分单元进行规划，如用于数字信号处理仿真的MATLAB软件、用于高频电路规划仿真的、用于射频电路仿真的HP ADS软件等。
4 定论
5G通讯信号模拟器是5G要害技能、要害中心器材和5G基站研制/出产必备的测验验证渠道，而整机体系软件是其中心组成部分。本文介绍了一种5G通讯信号模拟器体系软件的规划办法，可完结对5G通讯信号模拟器的软件规划的技能支撑。
参考文献
[1] 薛晓男，李增红.200 MHz宽带基带信号发生器的规划与完结.国外电子丈量技能.2017，36（10）：69-72.
[2] 李海虎，张超.依据FPGA的GHz宽带中频数字收集体系的规划.国外电子丈量技能.2016，35（4）：55-63.
[3] Greg Jue，Sangkyo Shin.灵敏的5G波形及超宽带信号生成和剖析测验体系.国外电子丈量技能.2015，34（6）：16-21.
[4] Frank-Werner Thummler.运用矢量信号发生器测验顶级通讯技能：性能与功用.国外电子丈量技能：.2015，34（5）：9-11.
[5] 何鹏，刘一清.依据Spartan-6 FPGA的DDR3布线剖析和测验[J].电子丈量技能，2014，37（6）：89-92.
[6] 王钢，刘静森，赵洪林.依据多相滤波结构的侦查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收集数字正交检波[J].现代雷达，2006，28（12）：69-75.
[8] 徐小明，蔡灿辉.依据FPGA的数字下变频（DDC）规划[J].通讯技能，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] 张拂晓.高性能数字接收机FPGA规划与完结[J].电子丈量与仪器学报，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，欢迎您写论文时引证，并注明出处
