MicroTCA正在成為嵌入信號處理應用，尤其是高性能的多處理器系統(tǒng)中日益普及的標準。這些標準采用了可滿足“運營商級”電信設備需求的先進中間卡（AdvancedMC），從而找到了進入電信應用的途徑，如無線基帶處理。

    無線基帶處理是一種高需求的應用，它需要高能效的解決方案。任何系統(tǒng)還必須柔性地適應多種標準的要求，并適應快速發(fā)展的各個電信標準。本文討論了設計過程中的各種因素，包括處理器、互連和軟件平臺的選擇。

    對于這種靈活、高性能的應用，處理器的主要選擇是DSP和FPGA。過去，DSP是標準的解決方案，但FPGA供應商已經提高了自己的信號處理能力：今天的很多應用得益于一種結合DSP和FPGA的混合式多處理器系統(tǒng)。一個高速互連能夠使一個子系統(tǒng)包含多個DSP（如3或4個）和一個FPGA，使設計者提供正確的性能組合，去滿足自己的系統(tǒng)要求。

    當硅片供應商繼續(xù)增加自己的DSP和FPGA性能，并增加多個核心來提升馬力時，嵌入系統(tǒng)設計者必須確保自己的數據交換架構能跟上這個步伐。分布式應用需要多種層次上的互連：一塊電路板上的芯片之間、一個背板上的電路板之間以及多個機架之間的互連。

    一個具有2x2多輸入多輸出（MIMO）的20MHz WiMAX基帶系統(tǒng)要求大約1.5Gbps的天線數據速率。支持三扇區(qū)的典型基站要求超過4.5Gbps的聯合接口速率，它可以通過三個獨立的射頻頭連接或一個鏈式單連接而得到支持。基于開放標準的接口（如CPRI或OBSAI）可以用于數據的成幀。當支持信道采用擴頻技術編碼（如CDMA）的MIMO系統(tǒng)時，所有基帶處理塊都有來自所有天線的數據。

    除了原始性能以外，設計者還必須考慮自己所選結構的成本，包括初始投資費用和運營成本。他們還應尋求標準接口，使自己的設計能夠實現跨不同平臺的重用，包括現在與未來，并且能夠從支持標準的一系列供應商中作出選擇。

無線基帶信號處理的互連

    對于高性能信號處理應用，現在一般考慮四種結構：InfiniBand、PCI Express(PCIe)、以太網和Serial RapidIO(SRIO)。

    InfiniBand開始有英特爾公司的強大支持，但該公司后來停止了自己的開發(fā)支持，轉向支持PCI Express。InfiniBand設計為一種交換式結構互連，可以用于局域網和企業(yè)網，但近來更多地定位在存儲應用。雖然從技術方面它提供很好的特性，尤其是在管理方面，但它并未設法在嵌入應用中立足，而且沒有供它使用的AdvancedMC規(guī)范。

    PCIe是PCI的串行版，提供每通路(lane)最大2.5Gbps的數據速率，一般MicroTCA中每個AdvancedMC限制為四通路。PCIe特別適合作為一種快速低成本的外設、I/O與主處理器的連接方式。它還有良好的支持和不錯的采用數量，有些DSP和FPGA供應商把它作為一種原生接口。不過，在超過一定數量設備情況下，PCIe并不具有良好的縮放性，并且不適合多主處理器環(huán)境，如機架互連。

    因此，PCIe一般用于與一個獨立數據結構相關的點對點連接，反映在最近公布的SCOPE Alliance AdvancedMC Hardware Profile上。很多情況下，實際上是在以太網（千兆和10GigE）與SRIO之間作數據結構的選擇。

    在很多應用類型中，以太網都是一種常見的選擇。WiMax和LTE是以太網上的IP技術。以太網用于基站回程網的傳輸正在引起注意。千兆以太網今天已發(fā)展出不同版本，得到廣泛使用，10GigE通過XAUI標準在AdvancedMC中得到支持。自從以太網在廣域網中的早期應用以來，它已變得無處不在。

    千兆以太網提供點對點的分組架構，數據包大小可變。MicroTCA用其作為基本結構，幾乎確保能得到控制平面上機架內所有AdvancedMC的支持。現在沒有針對千兆以太網的通用服務質量（QoS）標準，越來越多的路由器與交換機提供一些QoS特性，使基本結構也能用于低帶寬的數據平面?zhèn)鬏敗?/p>

    然而，對于大帶寬的數據平面?zhèn)鬏敚瑥那д滓蕴W到10GigE的成本跳躍太大。以太網要求高CPU處理和分組協(xié)議開銷，意味著以太網不是一種高效的實現標準。再加上以太網上傳輸的高延遲與抖動，設計者可能希望尋找其它的結構。

SERIAL RapidIO

    由于這些問題，SRIO正在多處理器系統(tǒng)中日益普及。它兼有低成本、低功耗、大流量和先進功能等特點。與PCI Express不同，SRIO可以有多個主處理器，并支持多播。它有較以太網更低的協(xié)議開銷，并有更好的流控機制，和更高的原始帶寬利用率。

    SRIO最初開發(fā)用于處理器的互連，它同時適用于控制平面和數據平面的傳輸。它是一種點對點的分組架構，可以支持低開銷的任何拓撲。它允許采用大小可變的分組數據包，和最大256字節(jié)的協(xié)議數據單元（PDU）。

    除了大流量以外，SRIO還是一種高效率實現的技術。它本身就支持QoS，而以太網需要附加的協(xié)議層和網絡協(xié)同操作。這使SRIO在某種數據帶寬下具有了成本與功耗優(yōu)勢。

    過去幾年來，在DSP和信號處理市場上出現了從PCI Express到SRIO的明顯轉換。Crystal Cube Consulting公司預測，到2011年，帶SRIO功能的DSP將占總DSP市場的34%，在無線基礎架構應用中這一趨勢尤為強勁。SRIO已在一些基帶處理的主要DSP上實現，并可以得到獨立的FPGA IP核心。

    在支持多輸入多輸出（MIMO）系統(tǒng)，并采用擴頻技術的無線基帶處理應用如CDMA和OFDMA中，所有射頻天線的數據都必須送給所有基帶處理塊。此時，實現優(yōu)異性能的關鍵就是支持多播的高效低延遲互連，而SRIO就非常合適。

    一個刀片級子系統(tǒng)的解決方案可能同時包含DSP和FPGA，選擇兩者的結合以適應特定應用的要求。SRIO結構可以用于射頻數據分配，并用于設備之間的一種低延遲直接內存存取（DMA），包括在卡上和在卡外。將SRIO用于卡間和卡內連接可以將各種部件結合在一起。

    在無線基站中，SRIO可以用于將數字“芯片速率”數據從用戶天線轉移到系統(tǒng)中的基帶處理卡上。每個基帶卡都帶有一個SRIO互連，一般都有一個支持SRIO的高性能DSP。然后，經基帶卡處理的數據仍通過SRIO，送至回程接口。

MicroTCA

    MicroTCA面向相對大批量的標準化硬件平臺，從而成本低于定制程度較高的電信設備。MicroTCA背板最多可以裝下12個AdvancedMC模塊，提供高水平的靈活性。現有各種尺寸的機架和AMC配置。

    作為一種有廣泛供應商支持的開放標準，MicroTCA意味著系統(tǒng)設計者有很多選擇。該標準亦提供五個9的可用性，支持熱插拔和元件級的冗余。

    一個繁榮的SRIO AMC生態(tài)系統(tǒng)意味著擁有大量的選擇，并支持AMC和MicroTCA系統(tǒng)中的高端應用。德州儀器公司、Tundra Semiconductor公司和飛思卡爾半導體公司都是SRIO的支持者，確保了它的成熟。現在很多供應商都為MicroTCA運營商中心以及控制與信號處理AMC卡提供SRIO支持。

    不過，MicroTCA的冗余和靈活性也給它帶來了額外的成本，對于較簡單的系統(tǒng)，采用它可能有些過分。但對于高性能的無線應用，可以說MicroTCA提供了性能、可靠性與選擇的最佳組合。

標準天線接口：CPRI與OBSAI

    近些年來的一個重要進展是在基帶處理與射頻電路之間引入了標準光學接口。這使射頻放大器能夠裝在桿頂，而不是基站內，大大降低了以前在RF電纜與天線之間的功率損失，因此減少了基站自身的功耗。

    滿足這一功能有兩種規(guī)范：CPRI和OBSAI。普通公共射頻接口或規(guī)范（CPRI）是五家業(yè)界領先基站硬件供應商的合作結果，他們是：Ericsson AB、華為技術有限公司、NEC公司、Nortel Networks和Siemens AG。其目標是定義一個簡單而靈活的互連，用于射頻設備控制（REC）中基帶處理子系統(tǒng)與RE中射頻（RF）處理功能之間的主要內部接口，它可以用于所有第三代（3G）標準，簡化了整體的基站架構。CPRI協(xié)議采用基礎的3G通用移動電信系統(tǒng)（UMTS）10ms射頻幀，它發(fā)展自初始規(guī)范，包括了對基于W-CDMA、CDMA2000、TD-SCDMA和WiMAX系統(tǒng)的支持。

    OBSAI意為開放基站架構倡議，有一組針對各種基站部件的完整接口、硬件與測試規(guī)范。同樣，它也允許在基帶處理與遠程射頻頭之間的標準光學接口。

系統(tǒng)實例1：AEROFLEX TM500 LTE測試模塊

    Aeroflex公司是一家測試與測量設備供應商。它的TM500產品設計用于LTE測試。TM500 LTE有大量的Layer 1、Layer 2和更高層的測試功能，為測試LTE網絡的工程師生成詳細的診斷數據，提供直至射頻調制解調器最低層的可視性。這使得工程師們能夠檢查所有功能是否均能正常工作，從而優(yōu)化網絡運行及性能。Aeroflex系統(tǒng)證明了MicroTCA對高端應用的能力，這種應用的每個系統(tǒng)中有多達十個AMC信號處理卡。

    LTE是移動網絡技術從3G的一個巨大進步，而與以往測試設備相比，Aeroflex要求處理能力和I/O帶寬提升一個數量級。該公司審核了當前能提供高信號處理能力和優(yōu)異I/O帶寬，并且具備所需AMC外形尺寸的產品。Aeroflex選擇了CommAgility公司的AMC-D4F1-1200，因為該模塊以一個AdvancedMC槽提供高DSP/FPGA性能與密度。每個AMC-D4F1模塊都有四個1.2GHz TI公司的TMS320C6455 DSP和一個Xilinx公司Virtex-4 FX系列FPGA，提供強大的信號處理性能。

    一個基于PICMG（PCI工業(yè)計算機制造商集團）AMC.4標準的10Gbps SRIO架構為射頻或其它卡內外的原始數據傳輸提供了確定的帶寬。獨立的AMC.2千兆以太網提供用于基帶或其它處理數據流的控制、管理與提交。另外通過FPGA的多個高速串行端口，為背板或（可選的）前面板提供了附加的高速用戶可配置I/O。

系統(tǒng)實例2：WIMAX基站

    為確保最小的開發(fā)時間，嵌入設計工程師應尋求已開發(fā)并經過驗證的系統(tǒng)級解決方案。例如，CommAgility公司已與Axis Network Technology(AxisNT)和Tata Elxsi合作，驗證了一個基于MicroTCA的WiMAX基站參考方案，它包括WiMAX基帶處理與WiMAX遠程射頻頭。三家公司合作將參考設計與商用產品整合為一個基站參考設計。

    示范系統(tǒng)演示了Tata Elxsi的WiMAX基帶軟件，它運行在CommAgility公司的AMC-3C87F信號處理卡上，通過一個光CPRI鏈路連接到AxisNT的遠程射頻頭上，然后輸出為一個OFDMA調制的RF信號。這個RF信號再顯示在一臺頻譜分析儀上，顯示64QAM的4W輸出功率，滿足ETS 302 544頻譜遮罩和嚴格的EVM規(guī)范。AMC-3C87F包括三個1GHz或1.2GHz的TI TCI6487 DSP和一個Xilinx Virtex-5系列FPGA，為三扇區(qū)的10MHz WiMAX基帶數據提供處理能力。

    卡上的SRIO結構提供DSP與FPGA之間的5Gbps射頻數據傳輸。AMC.2千兆以太網用于卡管理以及CPRI控制和管理數據。

    MicroTCA是應對無線基帶處理高性能挑戰(zhàn)的上佳解決方案，正日益在這一應用中得到普及。它有可靠性和靈活性，越來越多的供應商在提供軟硬件支持。

    為滿足無線應用的需求，工程師們需要仔細考慮自己系統(tǒng)的性能。這包括高性能處理器，可能是DSP、FPGA，或者是兩者的組合，還有像SRIO這樣的高速互連。另外，一系列供應商也在提供系統(tǒng)級軟件，可以大大縮短產品上市時間，簡化開發(fā)工作。