TD-SCDMA网络测试仪STM-1数据采集卡的实现

摘要　STM-1数据采集卡是TD-SCDMA网络测试仪中的一个重要的数据采集卡，用来收集TD-SCDMA网络中STM-1帧结构数据。介绍了STM-1数据采集卡硬件采用的一个基于PowerPc系列的嵌入式处理器的嵌入式系统，并详细的阐述了它的设计过程，其软件部分由Linux嵌入式操作系统和应用软件组成；还介绍了Linux嵌入式操作系统的开发、应用软件的主程序及中断接收模式。给出了调试中可能出现的问题及其解决方案。

0、引言

　　现阶段我国正在大力开发TD-SCDMA第三代移动通信系统，国内各移动运营商也正准备大规模的组建3G网络，但是到目前为止，用于TD-SCDMA系统实验研发、建网和运行的网络测试设备还未引起足够重视，形成了TD-SCDMA产业链上的最为薄弱的一环[1]。特别是国际上传统通信测试仪表厂商始终侧重于CDMA2000和WCDMA 2000标准。因此，在国内研制出具有自主知识产权的TD-SCDMA移动通信网络测试仪，完善TD-SCDMA产业链，形成系列产品并推向市场具有非常重要的意义，也必将会产生巨大的社会效益和经济效益。TD-SCDMA网络测试仪主要实现协议分析（解码）、呼叫跟踪、业务统计及分析、网络异常分析、网络分析和优化、协议仿真等功能，以完成对TD-SCDMA网络的一致性测试、互操作性测试、性能测试、坚固性测试。它的主要测试的接口包括Iub，Iur，IuCS，IuPS，Nc，Nb，C/D/E/G/Gr/MSCS-SCP，Gn/Gp，Gi等[2-4]。TD-SCDMA系统结构[5]如图1所示，TD-SCDMA系统中的Iub，Iur，Iu为主要的测试接口。TD-SCDMA网络测试仪硬件部分采用工控机结构，多链路、多通道的硬件由多个基于PCI总线的数据采集卡（规程板）组成，各种基于大规模集成电路的数据采集卡负责原始物理层数据流的采集，并通过PCI总线与工控机交互数据，物理接口对全IP，STM-1和EI这3种方式都能够支持；软件部分基于Windows 2000和XP操作系统，对硬件部分采集的原始信令数据进行分析、显示和处理，同时还完成硬件采集卡的配置功能[6]。

图1　TD-SCDMA系统结构

Fig.1 System structure of TD-SCDMA

　　STM-1数据采集卡是TD-SCDMA网络测试仪中的一个PCI数据采集卡，负责采集网络中STM-1帧结构数据。在TD-SCDMA产业链初步形成的现阶段，进行TD-SCDMA网络测试仪以及STM-1数据采集卡的研发具有很大的现实意义。

1、STM-1数据采集卡的硬件实现

　　一般来说，数据采集的目的是对线路上较高级的信令及其数据进行收集、分析、处理，而对底层协议并不关心。特别对于像网络测试仪这样的设备来说，对接近物理层一端数据往往希望硬件进行初步的分类和处理，以使得送入软件分析的数据相对简化，节省运算量。换句话说，网络测试仪的硬件部分处理偏底层的数据，软件部分处理偏上层的数据。进而根据TD-SCDMA规范和无线接入网接口协议结构，AAL（包括AAL2，AAL5）以上层次由软件处理，在AAL及其以下层次由硬件处理是比较理想的划分。对于STM-1数据采集卡来说，应该完成物理层、ATM层、AAL层的处理任务，即从线上获取的数据流，在送给软件作进一步处理之前，首先由硬件组装成一个个完整的AAL帧，再将数据交给软件处理。所以STM-1数据采集卡的工作流程应该为：①TD-SCDMA网络中的光信号通过光电转化器转化为电信号；②通过一个STM-1/ATM抽取装载芯片将STM-1帧结构里边封装的ATM信元提取出来；③将ATM信元通过一个UTOPIA2接口送给一个网络处理器，将ATM信元处理至AAL层（组装成一条条的AAL帧）；④通过PCI接口将处理过的数据送往PC做进一步分析。整个处理流程如图2所示。

图2　STM-1数据采集卡硬件设计

Fig.2 Hardware design of STM-1 card

　　网络处理器是板卡的核心部分，它完成整个STM-1数据采集卡的控制和计算功能。所以网络处理器的选择至关重要，其选择应结合具体应用，综合考虑，即主要从系统功能、处理能力、产品的升级换代、经济承受能力和产品综合成本等几方面考虑。相对于目前的GSM/CDMA网络而言，3G网络的信息量更多、更复杂，常规的单片机控制技术在速度上不能满足实时测试的需要。另外，还必须要求选择的网络处理器带有UTOPIAⅡ和PCI接口。UTOPIAⅡ协议定义了一种物理层和ATM层之间的接口模式，是一种标准的ATM传送接口，能够实现STM-1/ATM抽取装载芯片和网络处理器的无缝连接，而PCI是先进的高性能局部总线，可同时支持多组外围设备。我们采用的是Motorola公司的PowerPC系列的嵌入式处理器。

　　Motorola的基于PowerPC体系结构的嵌入式处理器芯片有MPC505，821，850等近几十种产品，其中MPC860是Power QUICC系列、Power QUICCⅡ系列、Power QUICC Ⅲ系列的典型产品。

　　选择的处理器有2个主要的组成部分：嵌入的PowerPC内核和通信处理模块（CPM）。CPM同时支持快速通信控制器（FCC）、串行通信控制器（SCC）等。FCC支持基于UTOPIA2接口的155 Mbit/s ATM协议，同时还支持IEEE802.3和快速以太网协议。网络处理器的ATM通信控制器可以通过UTOPIA Ⅱ接口实现ATM和AAL层的功能，利用FCC作为ATM通信控制器来实现AAL2和AAL5适配[7]，该通信控制器支持以下功能。

　　（1）155 Mbit/s的全双工分段重装，包括CRC32，CPCS-UU，CPI和长度域的生成和校验。

　　（2）16 B数据总线的UTOPIAⅡ总线主从模式，包括多物理设备的查询模式。

　　（3）内部可存储不多于255个虚通道（VC）号，利用外部存储器可存储64 KB虚通道号。

　　（4）可以自定义不多于64 B的信元长度。

　　（5）ATM层的信元统计功能。

　　（6）接收地址查询机制，包括外部CAM查找和地址压缩。

　　Powerpc系列处理器的工作模式有很多种，而用于STM-1数据采集卡的处理器只能选择ATM模式。CPM里的FCC可连到8位或16位UTO-PIAⅡ接口用于ATM通信，所以在设计时选择CPM里的FCC来实现的数据的收发。其余的外围电路包括CPU的外部SDRAM，FLASH以及光电转换模块等。图2中各模块设计说明如下。

　　（1）网络处理器：网络处理器通过内部集成的FCC支持UTOPIAⅡ接口，由于FCC支持标准的UTOPIAⅡ接口，因此可以直接与STM-1/ATM抽取装载芯片相连接；此外，SDRAM，Flash等器件均通过60x总线与网络处理器连接。

　　（2）STM-1/ATM抽取装载芯片：主要完成以155.52 Mbit/s的速度处理双工位串行STS-3c/STM-1数据流。STM-1/ATM抽取装载芯片的选择也应该考虑到它必须带有UTOPIAⅡ，以实现与网络处理器的无缝连接。

　　（3）SDRAM：用于存放用户的数据和代码，为程序的运行和保存临时文件提供空间。采用商用的168引脚的内存条，与网络处理器以60x总线相连。数据宽度为64位。网络处理器提供了SDRAM控制器，只需进行寄存器的设置即可。

　　（4）Flash：用于存储操作系统内的引导程序、存储操作系统内核、文件系统映像和用户程序文件，与网络处理器以60x总线相连。