采用FPGA器件实现基站模拟测试系统的应用方案

1 引言

在基站的模拟测试系统中，终端控制子系统负责生成上行测试数据并将其发送到被测基带板，测试基带板上行接收的功能及性能；同时根据后台控制采集下行发射的基带数据并送后台进行分析，测试其发射功能。而FPGA部分属于终端控制子系统的前台部分，负责IQ数据的发送及采集，基带测试板的功能主要在这里面实现。

整个系统的速率瓶颈在网口上，由于基带数据速率很高，每根逻辑天线的数据数率达122.88Mbps，而FTP传输数据的速率远远不够，故采用FPGA将高速基带数据缓存在板上的SDRAM中，可以很好的解决速率相差很大的接口问题。同时其开发周期较短，系统易于维护和扩展，无需改动硬件设计。

2 方案技术要点

2.1 基带测试板概述

2.1.1 CPU模块

CPU模块是基带测试板的控制中心，实现：

 和后台计算机通讯

 加载FPGA

 总体控制基带测试板的工作

CPU模块的核心是MOTOROLA 的POWER QUICC II系列的 MPC8270处理器。CPU的60X BUS外挂：

 16Mx64 SDRAM。

 8Mx16 FLASH。存储FPGA数据和应用程序。

 512Kx8 FLASH。作为BOOT ROM，存储BOOT程序和VxWorks操作系统。

 FPGA的CPU接口。

CPU通过PHY芯片，实现3个以太网口，其中2个用来和后台通讯一个和主控板通信。

2.1.2 FPGA模块

FPGA模块是基带测试板的拓扑中心节点，实现：

 将后台生成的上行测试数据写入SDRAM，并按CPU配置的图样发送到指定的发射端口。

 根据CPU的配置，采集特定时间段的接收端口的数据，完成之后通过CPU送给后台PC进行处理

 和CPU模块通讯

 SDRAM的读写控制

FPGA模块的核心是1片FPGA芯片，主要外部接口包括：

 CPU接口。用来和MPC8270通讯。

 LVDS接口。用来和背板接口模块的LVDS器件通讯。

 SDRAM接口。用来和数据缓存模块的内存条通讯。SDRAM时钟由时钟电源模块提供。

 测试用接口。

2.1.3 数据缓存模块

数据缓存模块由8条512MB SDRAM内存条构成4GB的大容量存储器，用来缓存天线数据。8片内存条的16根片选信号由FPGA分别提供；其它信号，包括地址、数据、字节使能、时钟等共用。

2.1.4 时钟电源模块

时钟电源模块为基带测试板的其它模块提供电源和各个时钟信号。

 FPGA时钟：100MHz

 MPC8270时钟：100MHz

 以太网时钟：25MHz

3 本方案中FPGA的设计思路

我们将整个FPGA主要分为4个大的模块：发送处理模块，接收处理模块，时钟/寄存器模块，SDRAM控制模块。FPGA的上下行接收模块功能框图如图2：

上面的处理包括4个过程如下：

1. 将CPU写入到DPRAM中的数据写入SDRAM，此过程反复执行，所有数据写完为止；

2. 按照CPU配置的发送图样，连续从SDRAM相应地址中读取数据，经过复用后发送到发送端口；

3. 按照CPU配置将接收端口的数据进行解复用，然后通过DPRAM将数据存入SDRAM.

4. 数据采集完成后，将缓存在SDRAM中的数据通过DPRAM上报给CPU;

3.1 发送处理模块

发送处理模块主要包括上面处理过程1，2。其完整的流程如下图3：

发送模块主要处理将后台生成的上行测试数据发射出去，送到被测基带板，故发送处理模块需要按照被测基带板上行接收的格式进行复用。上行处理过程是：先从SDRAM中读出数据缓存在双口RAM中，然后对其进行升采样（简单重复）及复用操作，最后加flag和parity bit后，由原来的下行发送端口送出。在循环发送上行数据前，与CPU配合，要将后台生成好的数据写入SDRAM中；另，在将数据从SDRAM中读取到DPRAM中时，需要按照CPU配置的发送图样（即数据块的发送顺序）进行。其中发送图样可以灵活配置，具体实现可以采用乒乓DPRAM的方法。

3.2 接收处理模块

接收模块包括处理过程3，4。图4是采集数据上报的流程图：

接收处理模块完成的主要功能是根据CPU配置的数据采集范围（若干帧），在SFN等于配置的开始SFN时，将来自被测基带板的若干帧下行发射数据采集到SDRAM中缓存；采集完成之后，再上报给CPU，最后由CPU将缓存数据上报给后台进行分析。

3.3 时钟/寄存器模块

时钟/寄存器模块根据输入的16chip时钟和从时钟板送来的串行帧号，产生内部其他模块使用各种时钟、帧信号。板内时钟与16chip时钟上升沿对齐。帧信号周期为10ms，是负脉冲，宽度为1/16chip，在1chip上升沿变化。提供寄存器接口，由CPU控制，提供告警中断等。本模块还根据输入的100Mhz时钟产生外接SDRAM用的时钟。

3.4 SDRAM控制

主要根据发送采集等模块的状态来控制SDRAM控制器的输出，产生SDRAM需要的/CS、/RAS、/CAS、/WE等各种控制信号，从而对SDRAM进行操作。

4 器件说明

综合考虑速度和资源，FPGA芯片我们选用了Altera公司Stratix系列的EP1S20F780C7。这个芯片是780Pin FineLine BGA封装，最多可用IO587个，具有逻辑单元18460个，内部有194个块M512 RAM、82个块M4K RAM、2个块M4Kx144 RAM （可灵活配置为不同的数据口宽，但是容量不变）。Stratix系列内核采用1.5V供电，IO支持1.5V/1.8V/2.5V/3.3V多种接口标准，支持高速外部存储器接口，包括ZBT，QDRSDRAM，DDRSDRAM，FCRAM和SDRAM。为了与单板其他部分配合，我们IO选用了3.3V供电。图5显示该芯片能够满足需求。

5 结论

实践结果证明，该方案设计的基带测试系统能够同时采集和发送12个逻辑天线的数据，完全能够满足测试的需要。

本设计充分利用了FPGA并行处理多路信号和处理高速数据的能力，通过对SDRAM的控制来实现速率相差很大的后台与测试环境之间的数据交换。不失一般性，该设计的思路也可以推广到其他测试和应用场合。

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