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1、上海交通大学 硕士学位论文 基于PCI Express总线的软件无线电平台的设计与实现 姓名：尹辉 申请学位级别：硕士 专业：计算机应用技术 指导教师：胡越明 20071201 上海交通大学工程硕士研究生学位论文 基于 PCI Express 总线的软件无线电平台的设计实现 基于 PCI Express 总线的软件无线电平台的设计实现 摘 要 摘 要 近年来软件无线电技术得到了飞速的发展， 在很多领域已经显示 出了它的优越性。人们认识到可以利用 SDR 的可编程性和极好的适 应性，来解决目前通信中存在的设备种类繁多、维护和管理工作难的 问题。 PCI Express 是 Intel 公司在 2
2、001 年提出的第三代 IO 互连标准。 与传统的 PCI 或 PCI-X 总线相比，PCI Express 用高速串行接口替代 了 PCI 的并行接口； 用点到点的基于 Switch 的交换式通讯替代了 PCI 的基于总线的通讯； 用基于包的传输协议替代了 PCI 的基于总线的传 输协议。 本系统的主要研究目标，是在计算机上构建了一种基于 PCI Express 总线的 SDR 平台。本课题研究内容涉及的关键技术包括基于 FPGA 的 PCI Express 总线设计实现和基于 FPGA 的模拟信号中频数 字化技术两个主要方面。 本文研究了建立在 SDR 基本结构之上的中频数字化接收技术，
3、提出了基于 FPGA 来实现中频模拟信号处理的解决方案， 给出了中频 数字化接收系统的总体设计和具体实现。 本系统实现了基于 FPGA 的宽带模拟信号的实时数字化处理， 实 现了突发速率为 16Gbit/S 的数据的高速传输。 本系统的研制成功， 取 上海交通大学工程硕士研究生学位论文 ii 得了显著的技术效益，其整体技术居国内领先水平，进入国际先进行 列，具有很好的推广应用价值。 关键词 关键词 SDR；现场可编程逻辑阵列；PCI Express；端点设备；知 识产权核；直接存储器访问；数字下变频；寄存器传输级 上海交通大学工程硕士研究生学位论文 iii DESIGN AND IMPLEME
4、NTATION OF SDR PLATFORM BASED ON PCI EXPRESS BUS ABSTRACT Soft Definded Radio has been used in many fields for its beneficial performance. Especially, the programmability and compatibility of software radio have been realized, which can be used to solve the problems of difficulty in maintaining and
5、managing the various equipment of communication system. PCI Express is used to replace the traditionary PCI/PCI-X bus in this SDR platform. PCI Express, which has been suggested by Intel in 2001 as the third generation I/O interconnection standard. Key PCI attributes, such as its usage model, load-s
6、tore architecture, and software interfaces, are maintained, whereas its parallel bus implementation is replaced by a high-speed, fully serial interface. Further more, PCI Express takes advantage of recent advances in point-to-point interconnects, Switch-based technology, and packetized protocol to d
7、eliver new levels of performance and features. Developing a new kind of SDR Platform based on PCI Express Bus is imperative. We design the system based on two points. First, the PCI Express endpoint equipment is implement based on FPGA. Secondly, the IF(Intermediate Frequency) analog signal digital
8、technology is 上海交通大学工程硕士研究生学位论文 iv introduced. On the other hand, Digital receiver technology has now replaced many of the traditional analog techniques of radio reception. In this paper, we introduce the basic structure of the Software Radio and summarize the basic principles of the Intermediate Fr
9、equency digital technology . This system takes the lead in wide-band analog signal digital process and 16Gbit/S-speed digital signals transmit . Great achievements have been obtained since the system was put into use. Its relevant technologies are the leading ones in the country and the more uses ca
10、n be thought for the system in the near future. KEY WORDS Soft Defined Radio; FPGA； PCI Express； Endpoint ； IP Core；Direct Memory access(DMA)；Digital Down Convert(DDC)； Register Transfer Level (RTL) 上海交通大学上海交通大学 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人
11、 或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集 体， 均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：尹 辉 日期： 年 月 日 上海交通大学工程硕士研究生学位论文 上海交通大学上海交通大学 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。 本人授权上海交通大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密保密，在 年
12、解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密 不保密。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名：尹 辉 指导教师签名：胡越明 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 上海交通大学工程硕士研究生学位论文 1 第 1 章 引言 1.1 背景及问题的提出 通信技术的飞速发展和巨大变化，使得通信手段和设施不断更新。软件无 线电（SDR：Soft Defined Radio）技术在现代通信中起着重要作用。 SDR 是在 20 世纪 90 年代提出来的一种新的无线通信系统体系结构。它的 基本思想是以开放的、可扩展的、结构最简的硬件为通用平台，把尽可能多的 通信功能用可升级、可替换的软件来实现。 SD
13、R 的重要特点是基于标准化总线结构上的开放性和模块化，只有采用 先进的标推化总线，SDR 才能发挥其适应性广、升级换代方便的优势。在本 文研究的 SDR 平台中，对平台的 IO 性能有高要求，传统的 PCI 总线已经不 能完全满足课题的需求，因此采用用第三代 IO 总线标准PCI Express 总 线作为其标准接口总线。 通信技术和计算机技术的融合发展为 SDR 技术由研究进人生产领域提供 了很好的平台支持。 如何在较短的开发周期里利用比较成熟的技术和商用产品， 结合现在的微机处理技术研制出满足需要的 SDR 台成为军用、 商用研究领域里 普遍关心的问题。本文提出了 SDR 中频数字化解决方
14、案，研究在通用计算机上 构建了一种基于 PCI Express 总线的中频数字化接收平台。 1.2 国内外技术现状 1.2.1 SDR技术 SDR 最初起源于军事通信。 无线通信装备在机动性和抗毁性方面具有天然 的优势，所以在军事通信中占有十分重要的地位。然而长期以来，无线通信领 域是一个标准混乱的世界。手机通信、无线局域网、军用无线通信及公共安全 无线网络各自在特定的频段工作，这一工作频率是相关硬件在工厂生产时就已 经设定的。军用无线电台也都是针对某些特定用途而设计的，各种电台虽有许 上海交通大学工程硕士研究生学位论文 2 多共同功能，但也有很大差别，如不同的工作频段、调制解调方式等。这些差
15、 别显示了各种电台为完成不同的军事通信任务的需要，同时也限制了不同电台 之间的互通。即使是同一部队，由于军事目的不同，有时也必须装备不同的无 线电台。这样就造成了军队通信装备系列多、品种杂、互通差、协同难。显然， 这种状况是很难适应未来陆、海、空、天地一体化立体战争的。美军在 1991 年 海湾战争中，就遇到这样的问题，由于盟军联合作战，需要及时有效的通信联 络，这就大大增加通信保障的复杂度，不得不借助许多额外的无线电台，才能 保障高效的通信联络。在民用通信中也存在互通性问题，如现有的陆地移动通 信系统是以 GSM 和 DCS1800/PCS1900、PDC、IS54 和 IS95 标准为代表
16、的的第 二代数字移动通信系统构成的。这些通信体制体系的制式、频率各不相同，不 能互通、兼容，给跨国经商、旅游等活动带来极大的不便。这些问题在未来的 无线通信领域也依然存在，例如第三代移动通信的系统标准就有好几种（如 W-CDMA、CDMA2000、TD-CDMA 和 SCDMA 等） 。所以美国的 CDMA 手机 在欧洲不能用，而欧洲的许多 GSM 手机在日本也没法用。这在平时只是麻烦 而已。但是在某些紧急情况如 911 事件中，消防队同警察居然无法通过无线通 信设备联系，因为频率不同，设备不兼容。 为了解决互通性问题，各国军方和民用通信科技人员纷纷探讨理想的解决 方法，既能使不同设备满足互通的要求，又能满足抗干扰保密性好的要求；既 能使通信设备跟上无线电飞速发展的步伐，又能延长设备的使用寿命。SDR 为 这些问题的解决提供了一种新的思路。 在 1992 年 5 月，在美国电信系统会议上，MITRE 公司的 Joe Mitola 首次 明确提出“Software Radio”的概念，即 “SDR”。 其核心是：集中使用宽带模
