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摘要：5G通信信號(hào)模擬器是5G關(guān)鍵技術(shù)、關(guān)鍵核心器件和5G基站研發(fā)/生產(chǎn)必備的測(cè)試驗(yàn)證平臺(tái)，而整機(jī)系統(tǒng)軟件是其核心組成部分。本文從實(shí)際出發(fā)，對(duì)5G通信信號(hào)模擬器系統(tǒng)軟件進(jìn)行了建模，并介紹了一種整機(jī)系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)方法，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)5G通信信號(hào)模擬器軟件設(shè)計(jì)技術(shù)的支撐。
　　

0 引言
 

軟件技術(shù)在測(cè)試系統(tǒng)中起著越來越重要的作用，測(cè)試系統(tǒng)已經(jīng)成為以通用硬件為基礎(chǔ)、以測(cè)試軟件為核心的集成系統(tǒng)。“軟件就是儀器”的思想改變了傳統(tǒng)測(cè)量?jī)x器的觀念，許多過去在傳統(tǒng)儀器由硬件完成的功能，可以由軟件來實(shí)現(xiàn)。在測(cè)試軟件發(fā)展過程中，初期人們是通過測(cè)試編程語言來編寫儀器測(cè)試程序的。

1 軟件架構(gòu)建模

1.1 基于SCPI命令的可互換虛擬儀器驅(qū)動(dòng)器模型標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)

可編程儀器標(biāo)準(zhǔn)命令SCPI（）是為解決可程控儀器編程標(biāo)準(zhǔn)化，1990年儀器制造商國(guó)際協(xié)會(huì)在標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)充，而制定出的一個(gè)重要的程控儀器軟件標(biāo)準(zhǔn)。SCPI全面定義了標(biāo)準(zhǔn)化的儀器程控消息、響應(yīng)消息以及數(shù)據(jù)和狀態(tài)的報(bào)告結(jié)構(gòu)。基本原則是使測(cè)試軟件編程是面向測(cè)試功能而不是面向儀器，相同的命令控制相同的測(cè)試功能，而不是相同的儀器。　

本方案中，多模塊間集成的軟件結(jié)構(gòu)如`下圖所示，通過調(diào)用統(tǒng)一、通用的SCPI庫(kù)函數(shù)，并配置相應(yīng)的參數(shù)，就可以控制各種不同接口的模塊。

1.2 總線仲裁及同步

由于總線上連接著多個(gè)模塊時(shí)，何時(shí)由哪個(gè)部件發(fā)送信息，如何定時(shí)，如何防止信息丟失，如何避免多個(gè)設(shè)備儀器同時(shí)發(fā)送，如何規(guī)定發(fā)射部件等一系列問題都需要總線控制器統(tǒng)一管理，主要包括總線的判優(yōu)控制（仲裁邏輯）和通信控制。

在方案中，被測(cè)對(duì)象為多模多頻通信終端，這種龐大復(fù)雜多樣的測(cè)試需求,使得基于任何一種總線技術(shù)構(gòu)成的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)都不能覆蓋整個(gè)測(cè)試對(duì)象。因此我們需要重點(diǎn)研究總線仲裁及各總線間的觸發(fā)及同步技術(shù)。　　

1.3 集中仲裁方式

集中式的仲裁方式主要分為鏈?zhǔn)讲樵儭⒂?jì)數(shù)器定時(shí)查詢和獨(dú)立請(qǐng)求等三種方式。　　

鏈?zhǔn)讲樵冎府?dāng)一個(gè)或多個(gè)設(shè)備同時(shí)發(fā)出總線使用請(qǐng)求信號(hào)時(shí)，中央仲裁器發(fā)出的總線授權(quán)信號(hào)沿著菊花鏈串行的從一個(gè)設(shè)備依次傳送到下一個(gè)設(shè)備直至查詢到發(fā)出請(qǐng)求信號(hào)的設(shè)備儀器。　　

計(jì)數(shù)器定時(shí)查詢是指總線上各設(shè)備通過總線請(qǐng)求信號(hào)發(fā)出請(qǐng)求，中央仲裁器發(fā)射到請(qǐng)求信號(hào)后，在總線空閑情況下，通過計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)來判別設(shè)備地址，從而使該設(shè)備獲得總線使用權(quán)的一種方式。　　

獨(dú)立請(qǐng)求方式是指每個(gè)連接到總線的設(shè)備都有一組單獨(dú)的總線請(qǐng)求信號(hào)與總線授權(quán)信號(hào)。每個(gè)設(shè)備請(qǐng)求使用總線時(shí)，它們各自發(fā)出自己的總線請(qǐng)求信號(hào)。

2 總線間同步機(jī)制

總線間同步機(jī)制的精度，直接影響到多模塊間協(xié)同功能的實(shí)現(xiàn)。在本方案中采用基于信號(hào)觸發(fā)的消息同步機(jī)制，是通過總線傳送含有觸發(fā)信息的消息包，被觸發(fā)設(shè)備通過對(duì)消息包解析，來判斷是否進(jìn)行觸發(fā)。從本質(zhì)來講這種機(jī)遇消息包觸發(fā)的同步機(jī)制是通過總線來傳送電信號(hào)。被觸發(fā)的設(shè)備在接到這個(gè)信號(hào)后，進(jìn)行預(yù)先定義好的動(dòng)作。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)方案

5G通信信號(hào)模擬器硬件構(gòu)成時(shí)分復(fù)雜，為了能夠有效協(xié)調(diào)整機(jī)中各個(gè)模塊正常工作，一個(gè)架構(gòu)清晰、分工合理的軟件總體方案設(shè)計(jì)尤為必要，它是其它具體軟件功能實(shí)現(xiàn)的前提。儀表軟件總體方案如下圖所示。　　

由圖中可看出，軟件總體設(shè)計(jì)方案的思想是，按照信令、數(shù)據(jù)、參數(shù)的控制流程，把系統(tǒng)軟件分成以下幾個(gè)主要部分：多模物理層處理模塊、模塊、核心控制模塊以及腳本處理模塊等。

系統(tǒng)主控軟件負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的控制以及人機(jī)接口處理，因此是主控軟件整個(gè)平臺(tái)的控制核心。主控軟件包括人機(jī)接口、資源管理、測(cè)試程序維護(hù)、測(cè)試系統(tǒng)校準(zhǔn)、測(cè)試任務(wù)執(zhí)行、數(shù)據(jù)分析處理、用戶權(quán)限管理、操作平臺(tái)維護(hù)、操作員向?qū)У忍幚韱卧⒓硬糠謹(jǐn)?shù)字信號(hào)處理內(nèi)容。

工業(yè)控制板將選擇高性能工控機(jī)，采用德國(guó)控創(chuàng)公司的XXX系列工控機(jī)，該工控機(jī)具有高性能處理器及較佳的功耗。同時(shí)，該模塊內(nèi)部具有可訂制特性，可節(jié)約接口電路的尺寸和功耗。DSP將采用TI公司的高性能定點(diǎn)DSP TMSXXX，它非常適合進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸、存儲(chǔ)和處理。主要的技術(shù)指標(biāo)和特性如下：

(1) 片內(nèi)包含4個(gè)1.2 GHz定點(diǎn)DSP內(nèi)核和1個(gè)1.2微處理器

(2) 雙通道PCIe GEN2接口

(3) 速度達(dá)1333 MHz的64位DDR3接口并行存儲(chǔ)接口

(4) 4通道RapidIO接口，可實(shí)現(xiàn)高速串行通道互連以太網(wǎng)接口FPGA將選用Virtex-7系列VX平臺(tái)的XC7XXX與DSP構(gòu)建一個(gè)高性能的、高處理速度數(shù)據(jù)處理平臺(tái)。該FPGA具有對(duì)高性能邏輯應(yīng)用、高性能信號(hào)處理和高速串行連接功能優(yōu)化功能。

主控軟件是平臺(tái)軟件的重點(diǎn)，工作量也最大，操作系統(tǒng)采用Windows嵌入式操作系統(tǒng)，根據(jù)硬件的設(shè)計(jì)，充分利用硬件資源，定制符合本儀器的操作系統(tǒng)平臺(tái)，它具有可靠性高、占用資源小的優(yōu)點(diǎn)。它主要完成整機(jī)資源管理、程序維護(hù)、系統(tǒng)校準(zhǔn)、單元任務(wù)執(zhí)行、數(shù)據(jù)分析處理、用戶權(quán)限管理、操作平臺(tái)維護(hù)、操作員向?qū)У绕渌δ埽驁D如圖3所示。　　

在設(shè)計(jì)開發(fā)過程中，將應(yīng)用大規(guī)模FPGA（現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列），如跳頻圖案產(chǎn)生、IQ基帶信號(hào)處理、實(shí)時(shí)頻譜分析、實(shí)時(shí)基帶信號(hào)處理、數(shù)字化合成本振掃描等，選擇Xilinx公司Spartan6系列FPGA作為低端應(yīng)用（速度要求不高，容量需求不大），如數(shù)字接口控制電路等；選擇Vritex7系列作高端應(yīng)用（高速、大容量），如數(shù)字中頻處理等。

結(jié)論

5G通信信號(hào)模擬器是5G關(guān)鍵技術(shù)、關(guān)鍵核心器件和5G基站研發(fā)/生產(chǎn)必備的測(cè)試驗(yàn)證平臺(tái)，而整機(jī)系統(tǒng)軟件是其核心組成部分。