[科普中國]-PCI夾層卡

簡介

軟件無線電作為信息技術(shù)領(lǐng)域一種新的系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，其基本思想是構(gòu)造具有開放性，標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化的通用硬件平臺，通過軟件編程實(shí)現(xiàn)各種功能。其思想已經(jīng)在雷達(dá)系統(tǒng)中有了廣泛的應(yīng)用，雷達(dá)系統(tǒng)的中頻數(shù)字化接收機(jī)就是基于軟件無線電思想設(shè)計(jì)的。

在以開放的局部總線標(biāo)準(zhǔn)和突出的高速傳輸性能為特色的PCI 總線的基礎(chǔ)上衍生出的PCI 夾層卡 (PMC) 在保持PCI 總線性能的同時有著更為出色的物理特性，為數(shù)字化接收機(jī)與PC 機(jī)間數(shù)據(jù)傳輸提供了出色的解決方案。1

相關(guān)簡介PCIPCI是Peripheral Component Interconnect（外設(shè)部件互連標(biāo)準(zhǔn)）的縮寫，它是目前個人電腦中使用最為廣泛的接口，幾乎所有的主板產(chǎn)品上都帶有這種插槽。PCI插槽也是主板帶有最多數(shù)量的插槽類型，在目前流行的臺式機(jī)主板上，ATX結(jié)構(gòu)的主板一般帶有5～6個PCI插槽，而小一點(diǎn)的MATX主板也都帶有2～3個PCI插槽，可見其應(yīng)用的廣泛性。 PCI是由Intel公司1991年推出的一種局部總線。從結(jié)構(gòu)上看，PCI是在CPU和原來的系統(tǒng)總線之間插入的一級總線，具體由一個橋接電路實(shí)現(xiàn)對這一層的管理，并實(shí)現(xiàn)上下之間的接口以協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)的傳送。管理器提供了信號緩沖，使之能支持10種外設(shè)，并能在高時鐘頻率下保持高性能，它為顯卡，聲卡，網(wǎng)卡，MODEM等設(shè)備提供了連接接口，它的工作頻率為33MHz/66MHz。 最早提出的PCI 總線工作在33MHz 頻率之下，傳輸帶寬達(dá)到了133MB/s(33MHz X 32bit/8)，基本上滿足了當(dāng)時處理器的發(fā)展需要。隨著對更高性能的要求，1993年又提出了64bit 的PCI 總線，后來又提出把PCI 總線的頻率提升到66MHz 。目前廣泛采用的是32-bit、33MHz 的PCI 總線，64bit的PCI插槽更多是應(yīng)用于服務(wù)器產(chǎn)品。 由于PCI 總線只有133MB/s 的帶寬，對聲卡、網(wǎng)卡、視頻卡等絕大多數(shù)輸入/輸出設(shè)備顯得綽綽有余，但對性能日益強(qiáng)大的顯卡則無法滿足其需求。目前PCI接口的顯卡已經(jīng)不多見了，只有較老的PC上才有，廠商也很少推出此類接口的產(chǎn)品。

夾層卡夾層卡是一種為嵌入式體系添加以特定效能的有效且普遍應(yīng)用的方法。因夾層卡是連接在基礎(chǔ)卡或載卡上，而不是徑直插在背板上，夾層卡可以自在變換。對體系設(shè)計(jì)人員來說，這意味著既能行靈巧配備，又可以自在晉級。但鑒于連接問題或安裝到開拓板上需占用額外的空間，這種靈巧性常常會以舍身效能為代價。2

PMC標(biāo)準(zhǔn)簡介PCI 總線作為一種非常高性能的本地總線，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于外設(shè)間以及外設(shè)與主機(jī)間的高速數(shù)據(jù)傳輸。該總線允許將PCI 板插入PCI 總線連接器。PCI 具有許多特點(diǎn)，包括132Mbps (32bit/33MHz)的數(shù)據(jù)傳輸速率， 支持類似于Multibus II 的互連和3.3V 接口。

PCI 板的波形系數(shù)與常規(guī)的AT(ISA)板非常類似，這樣其能與現(xiàn)有的PC系統(tǒng)保持兼容。在PC 系統(tǒng)中，PCI 板是與主板成90°安裝的，這樣就占據(jù)大約5 個插槽 (Multibus II、VME 或CompactPCI)。但是，通過安裝平面平行于Multibus II、VME 或CompactPCI 的PCI 卡并使用不同的薄形連接器，能把PCI 板安裝到Multibus II、VME 或CompactPCI 板上，并且只占用一個插槽，該連接系統(tǒng)與PCI 接口合稱PMC。

定義PMC 技術(shù)規(guī)范的公司想盡可能多的使用現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)，因而選擇了PCI 2.0 版電氣和邏輯技術(shù)規(guī)范以及IEEE 提議的CMC 標(biāo)準(zhǔn)。CMC 定義了從屬中間卡的尺寸、使用的連接器類型和主板與從板上連接器的位置，使用了多個64 針薄形連接器。PMC 標(biāo)準(zhǔn)定義每個連接器各針的PCI 信號用途，另外它定義連接器的第64 針用于I/O 信號，該P(yáng)MC 標(biāo)準(zhǔn)就是眾所周知的IEEE Std1386.1-2001。

一個單尺寸PMC 的大小為74mm*149mm。這樣，兩個具有這種接口的板卡就可以緊靠著安裝在Multibus II、VME 或CompactPCI 主板上。作為一個IEEE 標(biāo)準(zhǔn)，PMC 確保了任何符合該標(biāo)準(zhǔn)的主板或者模塊能夠與其它按照該標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的主板或者模塊兼容。這樣為用戶提供了很大的柔性，用戶可以任意組合和搭配不同的主卡和模塊。1

多通道數(shù)字化接收機(jī)PMC 模塊總體方案基于軟件無線電思想設(shè)計(jì)的數(shù)字化接收機(jī)平臺有很好的通用性，目前軟件無線電數(shù)字化接收機(jī)的方案大致可分為以下四種：單通道窄帶數(shù)字化接收機(jī)、單通道寬帶數(shù)字化接收機(jī)、多通道寬帶并行數(shù)字化接收機(jī)和基于多相濾波的多通道寬帶信道化數(shù)字化接收機(jī)3。單通道接收機(jī)方案只能同時接收一路信號而不具備多通道信號處理的能力，實(shí)際應(yīng)用中往往需要同時處理多路信號，所以本設(shè)計(jì)選用可同時輸入四路獨(dú)立模擬信號的四通道數(shù)字化接收機(jī)設(shè)計(jì)方案。數(shù)字化接收機(jī)接收的中頻信號數(shù)字化后需要經(jīng)過下變頻處理，在保證不丟失信息的條件下減小數(shù)據(jù)量，同時利用FPGA 對數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理。

PCI 總線作為一種局部總線， 在數(shù)據(jù)傳輸速率方面有突出的優(yōu)勢。32bit/33MHz 的PCI 總線，可以實(shí)現(xiàn)132Mbps 的數(shù)據(jù)傳輸速率，64bit/66MHz的PCI 總線數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)528Mbps。它可以有效地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時傳輸和存儲，保證了接收機(jī)信號處理的實(shí)時性。

綜合以上論述，接收機(jī)的總體方案為：首先對模擬信號中頻數(shù)字化，然后對數(shù)字信號進(jìn)行下變頻及初步的基帶數(shù)字信號處理，最后數(shù)據(jù)由PCI 總線輸出，接收機(jī)的物理接口符合PMC 規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。1

具體方案確定數(shù)字化接收機(jī)的總體設(shè)計(jì)方案后，采用層次化設(shè)計(jì)方法將整個數(shù)字化接收機(jī)的電路設(shè)計(jì)細(xì)化為幾個模塊并確定各個模塊的基本功能，圖所示的DSP 部分應(yīng)包括對中頻數(shù)字信號進(jìn)行下變頻，基帶數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)緩沖等。設(shè)計(jì)具體分為以下幾個相對獨(dú)立的模塊。

A/D 轉(zhuǎn)換模塊：可以對SMA 接頭輸入的四路模擬信號獨(dú)立采樣，實(shí)現(xiàn)模擬信號的中頻數(shù)字化。

數(shù)字下變頻模塊：主要完成A/D 轉(zhuǎn)換模塊輸出信號的混頻，降采樣等，將中頻數(shù)字信號下變頻為低中頻或零中頻數(shù)字信號。

數(shù)據(jù)處理模塊：對數(shù)字下變頻模塊輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理并構(gòu)成與后續(xù)數(shù)據(jù)緩沖模塊的轉(zhuǎn)換接口。

數(shù)據(jù)緩沖模塊：利用大容量FIFO 實(shí)現(xiàn)不同時鐘及數(shù)據(jù)寬度數(shù)據(jù)的有效傳輸。

PCI 接口及控制模塊：采用FPGA 內(nèi)置PCI IP 核的方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的PCI總線傳輸。同時利用內(nèi)置PCI IP 核的FPGA 剩余資源實(shí)現(xiàn)對接收機(jī)各芯片的控制與協(xié)調(diào)工作。

電源與時鐘模塊：選用電壓轉(zhuǎn)換芯片為各功能芯片提供不同的電壓，選用時鐘驅(qū)動芯片提供時鐘驅(qū)動能力。

設(shè)計(jì)為PMC 接口的數(shù)字化接收機(jī)的PCI 總線物理接口由4 個64 針插頭組成，即Pn1~Pn4，如圖所示，具有PMC 接口的數(shù)字化接收機(jī)可以方便地插在具有PMC 插槽的數(shù)字信號處理板上。