5G通信信号模拟器系统软件的设计方法

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。
　　

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。

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。　

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。

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。

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。

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。

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。

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

(4) 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。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。　　

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。

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。