WCDMA [1]是國際電信聯(lián)盟(ITU)采納的第三代無線通信標準之一，它采用頻分雙工(FDD)方式,，具有業(yè)務(wù)靈活,、頻譜效率高、容量和覆蓋范圍廣等優(yōu)勢,。

    軟件無線電(SDR)[2]是于上世紀90年代提出的一種無線通信系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu),。目前主要的軟件無線電平臺有通用處理器(GPP)、FPGA和DSP等,。FPGA可以并行處理數(shù)據(jù),，DSP具有強大的數(shù)字信號處理能力，因此它們在軟件無線電中得到了廣泛的應(yīng)用,，但是FPGA和DSP的編程和調(diào)試對開發(fā)人員具有很高的要求[3],。近年來，隨著GPP性能的不斷提高,，GPP在軟件無線電系統(tǒng)中的應(yīng)用也越來越廣泛,。本文主要討論了基于GPP和Windows操作系統(tǒng)的軟件無線電系統(tǒng)。
    GPP SDR通常采用如圖1所示的解決方案,，GPP完成基帶數(shù)據(jù)的處理,，硬件平臺完成對射頻的控制和與GPP的數(shù)據(jù)通信，射頻端完成數(shù)據(jù)的發(fā)射和接收,。GPP與硬件平臺進行通信的通用接口有多種方式,如PCIe[4-5],、USB2.0[6]。USB3.0和GE（千兆以太網(wǎng)）等,。USB2.0技術(shù)因為其接插方便,，已被廣泛用于各種設(shè)備中,。但是由于USB2.0的傳輸速率有限，使其在軟件無線電中應(yīng)用受到了一定的限制[6],。目前正在推廣的USB3.0技術(shù)解決了USB2.0的傳輸速率問題,。本文將主要分析USB3.0在基于GPP的軟件無線電系統(tǒng)中的應(yīng)用,利用USB3.0技術(shù)實現(xiàn)WCDMA系統(tǒng)基帶數(shù)據(jù)的傳輸。在設(shè)計中針對WCDMA系統(tǒng)對硬件平臺傳輸?shù)囊?例如下行對于上行傳輸?shù)恼{(diào)度,、HARQ響應(yīng)等,，在硬件平臺上驗證了USB3.0技術(shù)應(yīng)用于WCDMA軟件無線電系統(tǒng)的可行性。

1 WCDMA系統(tǒng)需求及分析
1.1 WCDMA系統(tǒng)帶寬要求
    在進行硬件平臺設(shè)計之前,需要知道WCDMA系統(tǒng)的傳輸數(shù)據(jù)量及其帶寬,。WCDMA系統(tǒng)以10 ms為一幀,每一幀由5個2 ms的子幀組成,，每一幀又可分為15個時隙,，每個時隙有2 560個碼片[7],，其幀結(jié)構(gòu)如圖2所示。根據(jù)奈奎斯特采樣定率,，要進行無失真的恢復(fù)信號,，系統(tǒng)的采樣頻率必須為信號帶寬的2倍。另一方面,，為了能在基帶信號抽取時得到更高的信噪比,，將下行信道的采樣頻率定為系統(tǒng)碼片速率的4倍，即3.84 MS/s×4=15.36 MS/s,，對每一個采樣使用3 B進行量化,，則下行信道一秒的數(shù)據(jù)量為46.08 MB，每一個2 ms下行子幀的數(shù)據(jù)量為90 KB,。對于上行信道,，使用3.84 MHz的時鐘進行采樣，然后用3 B進行量化,，則上行一秒的數(shù)據(jù)量為11.52 MB,，每一個2 ms上行子幀的數(shù)據(jù)量為22.5 KB。WCDMA系統(tǒng)工作模式是頻分雙工（FDD）,，在同一個時間上下行的信道都有數(shù)據(jù)需要進行傳輸,，所以在上面的采樣率下WCDMA系統(tǒng)的帶寬要求為57.6 MB/s。

1.2 WCDMA系統(tǒng)延時要求
    為了能在硬件平臺上實現(xiàn)WCDMA系統(tǒng)的基帶數(shù)據(jù)傳輸,，需要滿足上面提出的各項要求,。本文以WCDMA終端系統(tǒng)的HARQ為例展開討論。在WCDMA的協(xié)議中規(guī)定,，一個下行子幀的HARQ響應(yīng)信息應(yīng)放在其被收下5 ms后的上行子幀中,，WCDMA系統(tǒng)HARQ響應(yīng)時間如圖3所示。在①號位置收完一個下行子幀,，則其HARQ的ACK/NAK反饋必須在其5 ms后的上行子幀中,，即②號位置后的上行子幀中（圖中的深色為一個下行子幀和與之對應(yīng)的攜帶了HARQ反饋信息的上行子幀）,。①號和②號位置之間的時間為5 ms。因此,，可以將這些時間分為三部分：基帶采樣信號從射頻傳送到硬件平臺,并從硬件平臺傳向GPP的時間,；GPP處理時間；GPP把數(shù)據(jù)發(fā)送到硬件平臺,，硬件平臺發(fā)向射頻端的時間,。

2 硬件平臺設(shè)計
    基于前文提出的GPP SDR解決方案，針對WCDMA系統(tǒng)對基帶數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬蓚€要求,采用了USB3.0控制器和FPGA組成的基帶數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng),，其結(jié)構(gòu)如圖4所示,。FPGA作為控制的核心，完成從射頻端采集數(shù)據(jù)發(fā)向USB3.0控制器和從USB3.0控制器采集數(shù)據(jù)發(fā)向射頻端的操作,。USB3.0控制器主要完成GPP與硬件平臺進行通信的USB3.0協(xié)議和基于USB3.0協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸,。為了滿足這一要求，設(shè)計中使用了一款USB3.0控制器的外設(shè)芯片CYUSB3014[8],它引入了ARM9處理器作為內(nèi)核,內(nèi)部采用AHB總線方式,加載了ThreadX操作系統(tǒng),，在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)了USB3.0通信協(xié)議同時向下兼容USB2.0和USB1.0的通信協(xié)議,，它與FPGA的接口是可編程的Slave FIFO接口[9]，接口能達到3.2 Gb/s的傳輸速率,。在緩存方面,設(shè)計時在硬件平臺上增加了兩塊1 GB的DDRII內(nèi)存,，F(xiàn)PGA對內(nèi)存讀寫操作的最高傳輸速率能達到5.3 Gb/s。由于USB3.0控制器,、DDRII內(nèi)存和射頻接口這三部分的傳輸速率各個不相同,，因此，在它們之間加入了FIFO進行速率的變換,，此模塊不會影響硬件平臺的傳輸速率,。綜上所述,可以發(fā)現(xiàn)FPGA與USB3.0控制器、DDRII及射頻端的接口速率恒定,，因此USB3.0控制器與GPP進行通信的速率決定了硬件平臺的傳輸速率,。

3 硬件平臺性能分析
3.1 系統(tǒng)傳輸速率分析
3.1.1 傳輸速率影響因素
    從第2節(jié)中的分析可以看到硬件平臺的傳輸速率是由USB3.0的傳輸所決定，因此,，USB3.0的實際傳輸速率將是本文分析的重點,。
    USB3.0采用了與USB2.0相同的4種傳輸方式：塊傳輸方式、同步傳輸方式,、控制傳輸方式和中斷傳輸方式,。為了能確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性，在設(shè)計中將塊傳輸方式作為USB3.0控制器與GPP進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞?，其包長為1 KB,。在通信方式上，USB3.0采用全雙工的通信方式,，所以在反饋機制上USB3.0對Endpoint增加了“突發(fā)”操作,，即Device或者host在沒有收到確認信息的情況下,，還能繼續(xù)傳送一定數(shù)量的包，每個包大小為1 KB,。“突發(fā)”長度越長則傳輸?shù)乃俾示驮礁?，CYUSB3014最大能支持16個突發(fā)。在實驗中將USB3.0控制器能支持的最大突發(fā)設(shè)為16個,。除了“突發(fā)”的長度會影響系統(tǒng)的傳輸速率,，USB3.0控制器內(nèi)部緩存的大小也會影響傳輸?shù)乃俾省?br/>     為了適應(yīng)高速的傳輸和緩存,在USB3.0控制器CYUSB3014的內(nèi)部采用了DMA的機制[10]，建立了兩個傳輸?shù)腸hannel,，其內(nèi)部的結(jié)構(gòu)如圖5所示,。從圖中可以看到channel中有多個數(shù)據(jù)緩存,其內(nèi)部的傳輸是以緩存作為單位量，當一個緩存被生產(chǎn)者寫滿后,，CYUSB3014會產(chǎn)生響應(yīng)信息,，通知Consumer從緩存中讀取數(shù)據(jù)進行傳輸。而緩存大小設(shè)置是不同的,，每次傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量也不相同,，傳輸?shù)乃俾室矔煌?/p>

3.1.2 傳輸速率的測試和分析
    上一節(jié)討論了在傳輸方式和“突發(fā)”長度一定的情況下,，緩存的大小對傳輸?shù)乃俾视兄匾挠绊?。在實驗中針對緩存大小對傳輸速率的影響進行了測試，傳輸?shù)乃俾屎途彺娴拇笮〕烧嚓P(guān),，緩存越大則傳輸?shù)乃俾示驮礁?。由?節(jié)可知，下行一個子幀的數(shù)據(jù)量為90 KB,，因此可以將緩存的大小設(shè)為6 KB,，此時一個下行子幀的數(shù)據(jù)被分成15次傳輸,在此條件下USB3.0的傳輸速率為200 Mb/s，從吞吐率上來看完全滿足系統(tǒng)的要求,，下面將討論在此速率下能否滿足WCDMA系統(tǒng)對傳輸延遲時間的要求,。
3.2 回環(huán)延遲分析
3.2.1 回環(huán)延遲時間測試方案
    如上文所述，為了能滿足WCDMA系統(tǒng)的HARQ要求,，系統(tǒng)的回環(huán)延遲時間也將成為討論的重點,。從第1節(jié)可以知道，系統(tǒng)的延遲時間由三部分組成,，這三部分的時間和必須小于WCDMA系統(tǒng)的HARQ響應(yīng)時間,。第二部分的時間為GPP處理所需要的時間，不屬于本文討論的重點,。第一部分和第三部分的時間是由硬件平臺所產(chǎn)生的延遲時間,，這兩部分的時間越短，則GPP能處理的時間就越長,。為了能給GPP更多的處理時間,，在滿足系統(tǒng)性能情況下,將GPP端發(fā)送上行子幀的時間設(shè)定為收到一個下行子幀的前18 KB數(shù)據(jù)之后,，這樣GPP端對每個下行子幀基帶采樣數(shù)據(jù)的接收被分為兩部分，第一部分為18 KB,，第二部分為72 KB,。在圖6中用數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞侥M了一次WCDMA系統(tǒng)的HARQ的過程。一個子幀在①號位置開始被硬件平臺接收,，則其對應(yīng)的HARQ的反饋信息應(yīng)在②號位置的上行子幀中被發(fā)到空口上,。圖6中的⑤號部分的時間為GPP處理的時間。
    為了能直觀地反映硬件平臺的延遲時間,，設(shè)計時去掉了GPP處理的時間,所以把計時的起點選在了圖6中的③號點上,，計時的終點為④號點即硬件平臺收到了上行一幀的數(shù)據(jù)后，此時計算出的時間就為在硬件平臺上所消耗的時間,，把這部分的時間稱為“回環(huán)延遲時間”,。由于USB3.0的傳輸速率受到GPP上USB的帶寬、GPP內(nèi)核使用情況等影響,，導(dǎo)致數(shù)據(jù)從硬件平臺傳輸?shù)紾PP內(nèi)存的時間為不定值,。從圖6中可以看出，從計時點③開始,，上行一個子幀的數(shù)據(jù)需要在3 ms內(nèi)完成發(fā)送（即④號點的位置必須在②號位置的前面）,，否則一個上行子幀的數(shù)據(jù)就不能按時完成發(fā)送，造成上行丟包,。

3.2.2 回環(huán)延遲時間結(jié)果及分析

　在設(shè)計中選用了主板自帶USB3.0接口的臺式計算機進行測試,，計算機的參數(shù)如下：
    CPU：Inter(R)Core(TM)i5-2300 CPU @2.8 GHz
    內(nèi)存：4.00 GB
    操作系統(tǒng)：32位Win7
    編程環(huán)境：VS2008
    測試的結(jié)果如圖7所示，橫坐標為延遲時間,，縱坐標為回環(huán)延遲時間的概率分布,。

    從測試結(jié)果可以看出,回環(huán)延遲時間主要集中在0.6~1 ms之間，GPP有比較充裕的時間進行數(shù)據(jù)的處理,。從圖7中的統(tǒng)計可以看出延遲時間大于3 ms的概率為1.55×10-4,，而WCDMA系統(tǒng)對空中接口丟包率的數(shù)量級要求為10-3，由于硬件平臺的延遲而帶來的丟包率遠小于系統(tǒng)的空中接口的丟包率,，所以此硬件平臺能夠滿足WCDMA系統(tǒng)的要求,。如需滿足更高的延時需求，則可以選擇基于Windows的實時操作系統(tǒng),，比如IntervalZero[11],，這部分工作有待未來的研究中繼續(xù)進行。
    本文分析了USB3.0技術(shù)應(yīng)用于基于GPP的軟件無線電系統(tǒng)的可行性,，并通過帶有USB3.0控制器和FPGA組成的硬件平臺,，實現(xiàn)了WCDMA系統(tǒng)基帶數(shù)據(jù)的高速傳輸。通過分析和實驗,在本文的硬件平臺框架下USB3.0的最高傳輸速率能達到260 Mb/s， 應(yīng)用于WCDMA系統(tǒng)的最高傳輸速率能達到200 Mb/s,，回環(huán)延遲時間為0.7 ms左右,，該結(jié)果證明USB3.0技術(shù)在GPP軟件無線電系統(tǒng)的基帶數(shù)據(jù)傳輸上能夠滿足WCDMA系統(tǒng)的帶寬和延時的要求。
參考文獻
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