MicroTCA成为嵌入信号处理应用过程及系统案例分析 - 全文

MicroTCA正在成为嵌入信号处理应用，尤其是高性能的多处理器系统中日益普及的标准。这些标准采用了可满足“运营商级”电信设备需求的先进中间卡（AdvancedMC），从而找到了进入电信应用的途径，如无线基带处理。

无线基带处理是一种高需求的应用，它需要高能效的解决方案。任何系统还必须柔性地适应多种标准的要求，并适应快速发展的各个电信标准。本文讨论了设计过程中的各种因素，包括处理器、互连和软件平台的选择。

对于这种灵活、高性能的应用，处理器的主要选择是DSP和FPGA。过去，DSP 是标准的解决方案，但FPGA供应商已经提高了自己的信号处理能力：今天的很多应用得益于一种结合DSP和FPGA的混合式多处理器系统。一个高速互连能够使一个子系统包含多个DSP（如3或4个）和一个FPGA，使设计者提供正确的性能组合，去满足自己的系统要求。

当硅片供应商继续增加自己的DSP和FPGA性能，并增加多个核心来提升马力时，嵌入系统设计者必须确保自己的数据交换架构能跟上这个步伐。分布式应用需要多种层次上的互连：一块电路板上的芯片之间、一个背板上的电路板之间以及多个机架之间的互连。

一个具有2x2多输入多输出（MIMO）的20MHz WiMAX基带系统要求大约1.5Gbps的天线数据速率。支持三扇区的典型基站要求超过4.5Gbps的联合接口速率，它可以通过三个独立的射频头连接或一个链式单连接而得到支持。基于开放标准的接口（如CPRI或OBSAI）可以用于数据的成帧。当支持信道采用扩频技术编码（如CDMA）的MIMO系统时，所有基带处理块都有来自所有天线的数据。

除了原始性能以外，设计者还必须考虑自己所选结构的成本，包括初始投资费用和运营成本。他们还应寻求标准接口，使自己的设计能够实现跨不同平台的重用，包括现在与未来，并且能够从支持标准的一系列供应商中作出选择。

无线基带信号处理的互连

对于高性能信号处理应用，现在一般考虑四种结构：InfiniBand、PCI Express（PCIe）、以太网和Serial RapidIO（SRIO）。

InfiniBand开始有英特尔公司的强大支持，但该公司后来停止了自己的开发支持，转向支持PCI Express。InfiniBand设计为一种交换式结构互连，可以用于局域网和企业网，但近来更多地定位在存储应用。虽然从技术方面它提供很好的特性，尤其是在管理方面，但它并未设法在嵌入应用中立足，而且没有供它使用的AdvancedMC规范。

PCIe是PCI的串行版，提供每通路（lane）最大2.5Gbps的数据速率，一般MicroTCA中每个AdvancedMC限制为四通路。PCIe特别适合作为一种快速低成本的外设、I/O与主处理器的连接方式。它还有良好的支持和不错的采用数量，有些DSP和FPGA供应商把它作为一种原生接口。不过，在超过一定数量设备情况下，PCIe并不具有良好的缩放性，并且不适合多主处理器环境，如机架互连。

因此，PCIe一般用于与一个独立数据结构相关的点对点连接，反映在最近公布的SCOPE Alliance AdvancedMC Hardware Profile上。很多情况下，实际上是在以太网（千兆和10GigE）与SRIO之间作数据结构的选择。

在很多应用类型中，以太网都是一种常见的选择。WiMax和LTE是以太网上的 IP技术。以太网用于基站回程网的传输正在引起注意。千兆以太网今天已发展出不同版本，得到广泛使用，10GigE通过XAUI标准在 AdvancedMC中得到支持。自从以太网在广域网中的早期应用以来，它已变得无处不在。

千兆以太网提供点对点的分组架构，数据包大小可变。MicroTCA用其作为基本结构，几乎确保能得到控制平面上机架内所有AdvancedMC的支持。现在没有针对千兆以太网的通用服务质量（QoS）标准，越来越多的路由器与交换机提供一些QoS特性，使基本结构也能用于低带宽的数据平面传输。

然而，对于大带宽的数据平面传输，从千兆以太网到10GigE的成本跳跃太大。以太网要求高CPU处理和分组协议开销，意味着以太网不是一种高效的实现标准。再加上以太网上传输的高延迟与抖动，设计者可能希望寻找其它的结构。

SERIAL RapidIO

由于这些问题，SRIO正在多处理器系统中日益普及。它兼有低成本、低功耗、大流量和先进功能等特点。与PCI Express不同，SRIO可以有多个主处理器，并支持多播。它有较以太网更低的协议开销，并有更好的流控机制，和更高的原始带宽利用率。

SRIO最初开发用于处理器的互连，它同时适用于控制平面和数据平面的传输。它是一种点对点的分组架构，可以支持低开销的任何拓扑。它允许采用大小可变的分组数据包，和最大256字节的协议数据单元（PDU）。

除了大流量以外，SRIO还是一种高效率实现的技术。它本身就支持QoS，而以太网需要附加的协议层和网络协同操作。这使SRIO在某种数据带宽下具有了成本与功耗优势。

过去几年来，在DSP和信号处理市场上出现了从PCI Express到SRIO的明显转换。Crystal Cube Consulting公司预测，到2011年，带SRIO功能的DSP将占总DSP市场的34%，在无线基础架构应用中这一趋势尤为强劲。SRIO已在一些基带处理的主要DSP上实现，并可以得到独立的FPGA IP核心。

在支持多输入多输出（MIMO）系统，并采用扩频技术的无线基带处理应用如CDMA和OFDMA中，所有射频天线的数据都必须送给所有基带处理块。此时，实现优异性能的关键就是支持多播的高效低延迟互连，而SRIO就非常合适。

一个刀片级子系统的解决方案可能同时包含DSP和FPGA，选择两者的结合以适应特定应用的要求。SRIO结构可以用于射频数据分配，并用于设备之间的一种低延迟直接内存存取（DMA），包括在卡上和在卡外。将SRIO用于卡间和卡内连接可以将各种部件结合在一起。

在无线基站中，SRIO可以用于将数字“芯片速率”数据从用户天线转移到系统中的基带处理卡上。每个基带卡都带有一个SRIO互连，一般都有一个支持SRIO的高性能DSP。然后，经基带卡处理的数据仍通过SRIO，送至回程接口。

MicroTCA

MicroTCA面向相对大批量的标准化硬件平台，从而成本低于定制程度较高的电信设备。MicroTCA背板最多可以装下12个AdvancedMC模块，提供高水平的灵活性。现有各种尺寸的机架和AMC配置。

作为一种有广泛供应商支持的开放标准，MicroTCA意味着系统设计者有很多选择。该标准亦提供五个9的可用性，支持热插拔和元件级的冗余。

一个繁荣的SRIO AMC生态系统意味着拥有大量的选择，并支持AMC和MicroTCA系统中的高端应用。德州仪器公司、Tundra Semiconductor公司和飞思卡尔半导体公司都是SRIO的支持者，确保了它的成熟。现在很多供应商都为MicroTCA运营商中心以及控制与信号处理AMC卡提供SRIO支持。

不过，MicroTCA的冗余和灵活性也给它带来了额外的成本，对于较简单的系统，采用它可能有些过分。但对于高性能的无线应用，可以说MicroTCA提供了性能、可靠性与选择的最佳组合。

标准天线接口：CPRI与OBSAI

近些年来的一个重要进展是在基带处理与射频电路之间引入了标准光学接口。这使射频放大器能够装在杆顶，而不是基站内，大大降低了以前在RF电缆与天线之间的功率损失，因此减少了基站自身的功耗。

满足这一功能有两种规范：CPRI和OBSAI。普通公共射频接口或规范（CPRI）是五家业界领先基站硬件供应商的合作结果，他们是：Ericsson AB、华为技术有限公司、NEC公司、Nortel Networks和Siemens AG。其目标是定义一个简单而灵活的互连，用于射频设备控制（REC）中基带处理子系统与RE中射频（RF）处理功能之间的主要内部接口，它可以用于所有第三代（3G）标准，简化了整体的基站架构。CPRI协议采用基础的3G通用移动电信系统（UMTS）10ms射频帧，它发展自初始规范，包括了对基于W -CDMA、CDMA2000、TD-SCDMA和WiMAX系统的支持。

OBSAI意为开放基站架构倡议，有一组针对各种基站部件的完整接口、硬件与测试规范。同样，它也允许在基带处理与远程射频头之间的标准光学接口。

系统实例1：AEROFLEX TM500 LTE测试模块

Aeroflex公司是一家测试与测量设备供应商。它的TM500产品设计用于 LTE测试。TM500 LTE有大量的Layer 1、Layer 2和更高层的测试功能，为测试LTE网络的工程师生成详细的诊断数据，提供直至射频调制解调器最低层的可视性。这使得工程师们能够检查所有功能是否均能正常工作，从而优化网络运行及性能。Aeroflex系统证明了MicroTCA对高端应用的能力，这种应用的每个系统中有多达十个AMC信号处理卡。

LTE是移动网络技术从3G的一个巨大进步，而与以往测试设备相比， Aeroflex要求处理能力和I/O带宽提升一个数量级。该公司审核了当前能提供高信号处理能力和优异I/O带宽，并且具备所需AMC外形尺寸的产品。 Aeroflex选择了CommAgility公司的AMC-D4F1-1200，因为该模块以一个AdvancedMC槽提供高DSP/FPGA性能与密度。每个AMC-D4F1模块都有四个1.2GHz TI公司的TMS320C6455 DSP和一个Xilinx公司Virtex-4 FX系列FPGA，提供强大的信号处理性能。

一个基于PICMG（PCI工业计算机制造商集团）AMC.4标准的10Gbps SRIO架构为射频或其它卡内外的原始数据传输提供了确定的带宽。独立的AMC.2千兆以太网提供用于基带或其它处理数据流的控制、管理与提交。另外通过 FPGA的多个高速串行端口，为背板或（可选的）前面板提供了附加的高速用户可配置I/O。

系统实例2：WIMAX基站

为确保最小的开发时间，嵌入设计工程师应寻求已开发并经过验证的系统级解决方案。例如，CommAgility公司已与Axis Network Technology（AxisNT）和Tata Elxsi合作，验证了一个基于MicroTCA的WiMAX基站参考方案，它包括WiMAX基带处理与WiMAX远程射频头。三家公司合作将参考设计与商用产品整合为一个基站参考设计。

示范系统演示了Tata Elxsi的WiMAX基带软件，它运行在CommAgility公司的AMC-3C87F信号处理卡上，通过一个光CPRI链路连接到AxisNT的远程射频头上，然后输出为一个OFDMA调制的RF信号。这个RF信号再显示在一台频谱分析仪上，显示64QAM的4W输出功率，满足ETS 302 544频谱遮罩和严格的EVM规范。AMC-3C87F包括三个1GHz或1.2GHz的TI TCI6487 DSP和一个Xilinx Virtex-5系列FPGA，为三扇区的10MHz WiMAX基带数据提供处理能力。

卡上的SRIO结构提供DSP与FPGA之间的5Gbps射频数据传输。AMC.2千兆以太网用于卡管理以及CPRI控制和管理数据。

MicroTCA是应对无线基带处理高性能挑战的上佳解决方案，正日益在这一应用中得到普及。它有可靠性和灵活性，越来越多的供应商在提供软硬件支持。

为满足无线应用的需求，工程师们需要仔细考虑自己系统的性能。这包括高性能处理器，可能是DSP、FPGA，或者是两者的组合，还有像SRIO这样的高速互连。另外，一系列供应商也在提供系统级软件，可以大大缩短产品上市时间，简化开发工作。